4.7 Методика тепло – и массообменного расчета колонных аппаратов

4.7.1 Общая схема расчета колонных аппаратов

Целью расчета массообменного аппарата является определение конструктивных размеров, т.е. высоты и диаметра колонны, гидромеханических и экономических показателей ее работы.

Расчет диффузионного аппарата рекомендуется проводить в такой последовательности.

Для расчета задано: 1) тип аппарата; 2) разделяемая смесь и поглотитель (абсорбент, экстрагент или растворитель, адсорбент); 3) производительность; 4) концентрации компонентов на входе и выходе из аппарата.

Требуется определить: 1) физические параметры смеси; 2) расход поглотителя или веса чистых компонентов (уравнение материального баланса); 3) движущую силу процесса; 4) коэффициенты массоотдачи и массопередачи; 5) построить кривую равновесия, рабочую линию и число ступеней изменения концентрации; 6) поверхность фазового контакта а конструктивные размеры; 7) количество подводимого или отводимого тепла (тепловой баланс); 8) гидродинамическое сопротивление аппарата; 9) механическую прочность и устойчивость; 10) экономические показатели работы колонны.

4.7.2 Определение основных конструктивных размеров ректификационной колонны

Основными конструктивными размерами являются ее диаметр и высота H . Эти величины взаимосвязаны, так как обе зависят от скорости пара в свободном сечении колонны.

Диаметр колонны определяется в зависимости от скорости и количества поднимающихся в колонне паров

, (4.3)

где – скорость пара, отнесенная к полному поперечному сечению колонны, м/с; – секундный объем поднимающихся паров, м³/с .

, (4.4)

где – количество поднимающихся по колонне паров, кмоль/ч; средняя температура пара, град; – масса получаемого дистиллята из колонны; R– флегмовое число.

Если масса дистиллята выражена в кг/с, то объемный расход проходящего через колонну пара (м³ /с)

, (4.5)

Допустимая оптимальная скорость пара (м/с) в колонне

, (4.6)

где G– коэффициент, зависящий от конструкции тарелок, расстояния между ними, давления и нагрузки колонны по жидкости (определяется по графику); – плотность жидкости, кг/м³; – плотность пара, кг/м³ .

Если .

Скорость пара в колонне можно также определить по другим формулам, приведенным в литературе. Подсчитав диаметр колонны, подбирают по нормалям и определяют конструктивные размеры основных элементов колонны и тарелки, количество паровых патрубков, размеры колпачка, диаметр и количество сливных труб.

Диаметр парового патрубка d = 50, 75, 100, 125, 150 мм. Задавшись диаметром d , определяют количество колпачков на тарелке. Сечение всех патрубков должно составлять 10 % сечения колонны. Тогда количество колпачков патрубков определяется из уравнения

.

Откуда

, (4.7)

Возвышение колпачка над паровым патрубком . Диаметр колпачка определяется из условия равенства скорости пара в паровом патрубке и кольцевом зазоре между колпачком и патрубком (м):

, (4.8)

где  – толщина стенки патрубка, м. Возвышение уровня жидкости над верхним уровнем прорезей колпачков мм.

Площадь сечения прорезей колпачка составляет 75 % площади сечения парового патрубка, т.е.

Принимают следующие размеры прямоугольных прорезей: ширина мм, высота мм, расстояние между прорезями мм. Минимальный зазор между колпачками равен 35 мм.

Диаметр сливного патрубка (м)

, (4.9)

где – среднее количество стекающей жидкости, кг/с; – скорость жидкости в сливном патрубке, м/с; – плотность стекающей жидкости, кг/м³ ; z = 1, 2, 4, 6, 8 – число сливных патрубков (зависит от ).

Высота колонны зависит от скорости процесса массопередачи и определяется несколькими способами. Для барботажных колонн применяются в основном два способа.

Первый способ. Число тарелок определяется путем построения ступенчатой линии между кинетической кривой и рабочей линией.

Высота тарельчатой колонны зависит от числа тарелок и расстояния между ними h , которое выбирается на основании опытных данных

, (4.10)

Второй способ. Число действительных тарелок.

, (4.11)

где – число ступеней изменения концентраций ( теоретических тарелок, которое определяется графическим построением ломаной (ступенчатой) линии между кривой равновесия и рабочими линиями по диаграмме Y–X; - средний к.п.д. тарелки. Тогда

, (4.12)

где h – расстояние между тарелками (в зависимости от скорости пара и давления в колонне принимается таким, чтобы свести к минимуму механический унос части жидкости парами), м.

Для выбора h в зависимости от диаметра колонны можно использовать следующие данные: диаметр колонны, м – 0  0,6; 0,6  1,2; 1,2  1,8; 1,8 и более; расстояние между тарелками h, мм– 152, 305, 46О, 610.

В ректификационных колоннах с круглыми колпачками, работающих под атмосферным давлением, расстояние между тарелками h = 250, 300, 350, 400, 450 мм. Обычно значение h находится в пределах 0,1  0,6 м.

Для насадочных колонн высота насадки H также определяется двумя способами.

Первый способ. Требуемая высота слоя насадки

, (4.13)

где – число единиц переноса ( определяется графическим построением ступеней, соответствующих единице переноса, если линия равновесия является прямой или близка к ней, то определяется аналитически:

(4.14)

где – начальная и конечная концентрации низкокипящего компонента в паровой фазе; –равновесная концентрация низкокипящего компонента в паровой фазе (определяется по графику кривой равновесия).

Движущую силу можно выразить в единицах давления (упругости паров).

Высота единицы переноса (м)

, (4.15)

где: – расход пара, кг/с; – средний коэффициент массопередачи, кг/(м² с); S – поперечное сечение колонны, м²; _н – удельная смоченная поверхность насадки, м²/м³.

Для определения коэффициента массопередачи используют диффузионный критерий Нуссельта

, (4.16)

где - диффузионный критерий Прандтля; –плотность и коэффициент динамической вязкости пара, Н с/м²; – коэффициент диффузии пара, м²/с.

Если , то

, (4.17)

где – коэффициенты массоотдачи; – эквивалентный диаметр насадки, м; – свободный объем насадки, м³ /м² .

Второй способ. Высота насадки

, (4.18)

где – число теоретических тарелок (ступеней изменения концентраций); – высота слоя насадки, эквивалентного одной ступени изменения концентрации или одной теоретической тарелке.

Практически высота, эквивалентная одной теоретической тарелке, зависит от вида насадки и скорости пара (табл. 4.3).

Таблица 4.3 - Зависимость высоты от вида насадки и скорости пара.

Вид насадки	скорость пара, м/с	,м
Кольца Рашига керамические 25 25 мм	0.20.5	0.120.21
Кольца Рашига стеклянные 5.0 5.0 мм	0.10.3	0.11 0.17
Спирали стальные 4 мм	0.1 0.4	0.10.14
Спирали стальные 2.5 мм	0.05 0.3	0.03 0.06
Зерна карборунда 4 мм	0.030.1	0.040.13