2.3. Скорость пара и диаметр колонны.

Выбор рабочей скорости паров обусловлен многими факторами и обычно осуществляется путем технико-экономического расчета для каждого конкретного процесса. Для ректификационных колонн, работающих в плёночном режиме при атмосферном давлении рабочую скорость можно принять на 20 – 30 % ниже скорости захлёбывания.

Предельную фиктивную скорость пара _п насадочных колонн, определяют по уравнению :

где _x, _y - средние плотности жидкости и пара, кг/м³; _x - в мПас.

Поскольку отношения L/G и физические свойства фаз в верхней и нижней части колонны различны, определим скорости захлебывания для каждой части отдельно.

Предельная скорость паров в верхней части колонны _пв:

откуда _пв = 4,24 м/с.

Предельная скорость паров в нижней части колонны _пн:

откуда _пн = 3,62 м/с.

Примем рабочую скорость на 30 % ниже предельной:

_в = 0,74,24 = 2,97 м/с; _н = 0,73,62 = 2,534 м/с.

Диаметр ректификационной колонны определим из уравнения расхода:

Отсюда диаметры верхней и нижней части колонны равны соответственно:

d_в = ((41.022)/(3.142.971.187))^0.5 = 0.745 м;

d_н = ((40.677)/(3.142.5340.76))^0.5 = 0.67 м.

Рационально принять стандартный диаметр обечайки d = 0,8 м одинаковым для обеих частей колонны. При этом действительные рабочие скорости паров в колонне равны:

_в = 2,576 м/с; _н = 1,777 м/с,

что составляет соответственно 61 и 49 % от предельных скоростей.

2.4. Высота насадки.

Высоту насадки H рассчитывают по модифицированному уравнению массопередачи:

H = n_oyh_oy,,

Где n_oy – общее число единиц переноса по паровой фазе; h_oy – общая высота единицы переноса, м.

Общее число единиц переноса определим по уравнению:

Решим интеграл методом графического интегрирования:

где S – площадь, ограниченная кривой, ординатами y_W и y_P и осью абсцисс ;

M_x, M_y – масштабы осей координат.

Данные для графического изображения функции 1/(y*-y) = f(y):

Y	y*	1/(y*-y)
0,02	0,12	10
0,06	0,245	5,4
0,1	0,325	4,4
0,2	0,415	4,7
0,3	0,475	5,7
0,345	0,49	6,9
0,5	0,595	10,5
0,6	0,65	20
0,7	0,72	50
0,4	0,54	7,1
0,84	0,85	100

По рисункам находим общее число единиц переноса в верхней и нижней части колонны:

Общую высоту единиц переноса h_oy определяем по уравнению аддитивности:

h_oy = h_y+mGh_x/L,

где h_y и h_y – частные высоты единиц переноса соответственно в жидкой и паровой фазах; m – средний коэффициент распределения в условиях равновесия для соответствующей части колонны.

Отношение нагрузок по пару и жидкости G/L, кмоль/кмоль, равно:

для верхней части колонны

G/L = (R+1)/R;

для нижней части колонны

G/L = (R+1)/(R+f),

где

f = FM_P/(PM_F).

Высота единицы переноса в жидкой фазе

h_x = 0.258Фc(Pr_x)^0.5Z^0.15,

где c и Ф – коэффициенты, определяемые по диаграмме :

для верхней части колонны

Ф = 0,07 с = 0,8; = 210.

для нижней колонны

Ф = 0,08 с = 0,75; = 208.

Pr_x = _x/(_xD_x) – критерий Прандтля для жидкости; Z – высота слоя насадки одной секции, которая из условия прочности опорной решетки и нижних слоёв насадки, а также из условия равномерности распределения жидкости по насадке не должна превышать 3 м.

Высоту единицы переноса в паровой фазе определим по уравнению :

h_y = 0.0175(Pr_y)^0.5dZ^0.33/(L_Sf₁f₂f₃)^0.6,

где - коэффициент, определяемый по диаграмме ;Pr_y = _y/(_yD_y) – критерий Прандтля для пара; L_S = L/(0.785d²) – массовая плотность орошения, кг/(м²с); d – диаметр колонны, м;

f₁ = (_x)^0.16 (_x – в мПас); f₂ = (1000/_x)^1.25; f₃ = (72.810^-3)^0.8/.

Таким образом, для верхней части колонны

Для нижней части колонны:

По уравнению находим общую высоту единицы переноса для верхней и нижней частей колонны:

h_oyв= 1.5+1,626*0,058*(2,5+1)/2,5 = 1.15 м;

h_oyн = 1,29+5,2380,054(2,5+1)/(2,5+6,4) = 1,41 м.

Значения m = 1,686 для верхней части колонны и m = 5,233 - для нижней определены арифметическим усреднением локальных значений m в интервалах изменения составов жидкости соответственно от x_F до x_P и от x_W до x_F.

Высота насадки в верхней и нижней части колонны равна соответственно:

H_в = 1,1515,64 = 18 м; H_н = 2,3351,41 = 3,38 м;

Общая высота насадки в колоне:

H = 18+3.38 = 21.38 м.

С учётом того, что высота слоя насадки в одной секции Z = 1 м, общее число секций в колонне составляет 22 (18 секций в верхней части и 4 – в нижней).

Общую высоту ректификационной колонны определяют по уравнению:

H_к =Zn+(n-1)h_р+Z_в+Z_н,

Где Z – высота насадки в одной секции, м; n – число секций; h_р – высота промежутков между секциями насадки, в которых устанавливают распределители жидкости, м; Z_в и Z_н – соответственно высота сепарационного пространства над насадкой и расстояние между днищем колонны и насадкой, м.

Рекомендуемые значения берём из : Z_в = 0,6 м; и Z_н = 1,5 м.

Общая высота колонны:

H_к = 122+210,5+0,6+1,5 = 34,6 м.