5.2. Тарілчаста колона

Метою проектного розрахунку тарілчастої ректифікаційної колони, так само як і насадкової, для розділення бінарної суміші є визначення діаметру колони, числа контактних пристроїв (тарілок) в укріплюючій і вичерпуючій частинах колони, висоти колони, гідравлічного опору тарілки і колони вцілому при заданих складах вихідної суміші, дистиляту і кубового залишку, витраті вихідної суміші і тиску в колоні.

5.2.1. Швидкість пари і діаметр колони

5.2.1.1.Виконують розрахунки згідно розділів 5.1.1 – 5.1.4 (див. розрахунок насадкової колони).

5.2.1.2. За рівняннями (5.24) – (5.26) знаходять густини рідини ρ_{х в}, ρ_{х н} і пари ρ_{у в}, ρ_{у н} у верхній і нижній частинах колони при середніх температурах в них t_в і t_н

5.2.1.3. Визначають середню об’ємну витрату пари в колоні V:

V = G_п / ρ_п, (5.56)

де ρ_п – середня густина пари в колоні, кг/м³

5.2.1.4. Попередньо задаються швидкістю пари υ, віднесеної до повного перерізу колони, і визначають діаметр колони:

. (5.57)

Зауваження. З рівняння (5.57) слідує, що діаметр колони залежитьвід витрати і швидкості пари. Як показано далі, швидкість повинна бути більше ніж мінімально допустима і не перевищувати максимально допустимої величини. Після визначення швидкості, діаметр колони розраховують окремо для вичерпуючої і укріплюючої частин,заокруглюють їх значення до стандартизованих діаметрів і розраховують дійсні швидкості. Якшо швидкості пари у верхній і нижній частинах колони відрізняються незначно, приймають діаметр колони однаковим по більшій величині з наступною перевіркою мінімально і максимально допустимої величини швидкості пари.

Робоча швидкість пари (фіктивна) в ректифікаційних колонах, які працюють під атмосферним тиском, звичайно складає υ = (0,5 – 1,5) м/с.

Отримане значення діаметра колони заокруглюють до найближчого стандартного значення [4]. Розраховують дійсну швидкість пари в колоні:

υ = V / (0,785 D²). (5.58)

Підкреслимо, що попередньо вибрана швидкість пари в колоні є наближеною, і вона не може перебільшувати гранично допустимої швидкості. Остання залежить від конструктивних характеристик контактного пристрою. Для ковпачкової тарілки граничну швидкість визначають за рівнянням:

υ_гр = , (5.59)

де d_к – діаметр ковпачка, м; Н – відстань між тарілками за відрахуванням висоти ковпачка, м; ρ_х, ρ_у – густина рідини і пари відповідно, кг/м³.

Для сітчастої тарілки граничну швидкість розраховують за рівнянням

υ_гр = 0,05 . (5.60)

Робочу швидкість пари в колоні приймають на 10 – 20 % менше граничної.

Зауваження. Для розрахунку швидкості пари (газу) у випадку тарілок інших конструкцій можна скористатися методиками, приведеними в розділі 4.2 – розрахунок тарілчастого абсорбера.

5.2.1.5. Вибирають тип і виконання тарілки, приводять її технічну характеристику, розраховують швидкість пари υ₀ в прорізах ковпачка або в отворах сітчастої тарілки й мінімально допустиму швидкість пари υ_{0 min}.

Для ситчастих тарілок

υ₀ = V / S_вс, (5.61)

де S_вс – вільне січення тарілки (додаток 5.1).

Для ковпачкових тарілок

υ₀ = V / (f_пр · n),

де f_пр – площа прорізів одного ковпачка (див. Таблиця 5.1);

n – число ковпачків [4].

Таблиця 5.1

Площа прорізів одного ковпачка при висоті прорізів h

Діаметр ковпачка dк, мм 60 80 100 150	fпр·106, м2
	h = 15 мм	h = 20 мм	h = 30 мм
	1275 1590 2070 -	1840 2300 2990 4600	- - 7950

Мінімально допустима швидкість пари в прорізах ковпачка υ_0min розраховується згідно залежності:

υ_{0 min} = 0,6, (5.62)

де h_пр – висота прорізу прямокутної форми в ковпачку, м.

Для сітчастих тарілок мінімальна швидкість:

υ_{0 min} = , (5.63)

де F_в – відносне вільне січення тарілки ( в м²/м²), тобто сумарне січення всіх отворів, віднесене до площі тарілки; h₀ – висота шару рідини на тарілці, м; ζ – коефіцієнт гідравлічного опору сухої тарілки (для ситчастих тарілок ζ = 1,82; ковпачкових ζ = 5,4 – 6).

Для сітчастих і клапанних тарілок у практичних розрахунках висоти шару рідини можна користуватись рівнянням [7]:

h₀ = 0,787q^0,2, (5.64)

де показник степені m = 0,05 – 4,6 h_пер; у наведеній залежності µ_х – у мПа٠с; σ_х, σ_в – поверхневий натяг абсорбенту і води відповідно в мН/м. h_пер – висота переливної перегородки, м (приймається в межах 30 – 50 мм); q – лінійна густина зрошування, м³/(м٠с), яка дорівнює q = Q/L_з; Q – об’ємні витрати рідини, м³/с; L_з – периметр зливу (ширина переливної перегородки),м; w – швидкість пари, віднесена до робочої площі тарілки, м/с.

В залежності від діаметра апарату висоту шару рідини (висоту переливного порогу) для ситчастих тарілок приймають в межах 20 – 50 мм.

Для ковпачкових тарілок висоту зливного порогу вибирають такою, щоби забезпечити занурення прорізів. Максимальне занурення прорізів складає 30 мм.

Порівнюють значення υ₀ і υ_{0 min}. Якщо υ₀< υ_{0 min}, зменшують висоту прорізу h_пр або значення S_вс, або збільшують швидкість пари в колоні υ, зменшив діаметр до найближчого значення за стандартом.

Приводять повну технічну характеристику тарілки (додаток 5.1).