2.3.1. Скорость пара и диаметр колонны

Расчет скорости пара в колоннах с тарелками различных конструкций выполняется по уравнениям, приведенным в разделе 1.2.1. Для ситчатых тарелок рекомендуется уравнение (1.33).

Допустимая скорость в верхней и нижней частях колонны соответственно равна:

Ориентировочный диаметр колонны определяют из уравнения расхода:

Как правило, несмотря на разницу в рассчитанных диаметрах укрепляющей и исчерпывающей частей колонны (вследствие различия скоростей и расходов паров), изготовляют колонну единого диаметра, равного большему из рассчитанных.

В данном случае скорости и мало отличаются друг от друга; используем в расчете среднюю скорость паров:

Принимаем средний массовый поток пара в колонне G равным полусумме G_B и G_H:

Средняя плотность паров:

Диаметр колонны:

Выберем стандартный диаметр обечайки колонны (см. разд. 1.1.4) d = 1,8 м. При этом рабочая скорость пара

По каталогу [10] для колонны диаметром 1800 мм выбираем ситчатую однопоточную тарелку ТС-Р со следующими конструктивными размерами:

Диаметр отверстий в тарелке 8 мм

Шаг между отверстиями 15 мм

Свободное сечение тарелки 18,8 %

Высота переливного порога 30 мм

Ширина переливного порога 1050 мм

Рабочее сечение тарелки 2,294 м²

Скорость пара в рабочем сечении тарелки:

2.3.2. Высота колонны

Как показано выше [9], число действительных тарелок в колонне может быть определено графоаналитическим методом (построением кинетической линии). Для этого необходимо рассчитать общую эффективность массопередачи на тарелке (КПД по Мэрфри). Эффективность тарелки по Мэрфри с учетом продольного перемешивания, межтарельчатого уноса и доли байпасирующей жидкости приближенно определяется следующими уравнениями [14]:

(2.30)

(2.31)

(2.32)

(2.33)

где – фактор массопередачи для укрепляющей части колонны; – фактор массопередачи для исчерпывающей части колонны; – локальная эффективность по пару; е – межтарельчатый унос жидкости, кг жидкости / кг пара; – доля байпасирующей жидкости; S – число ячеек полного перемешивания; т – коэффициент распределения компонента по фазам в условиях равновесия.

Локальная эффективность связана с общим числом единиц переноса по паровой фазе на тарелке следующим соотношением:

(2.34)

где

(2.35)

Здесь – в кмоль/(м² с) ; – средняя мольная масса паров, кг/кмоль.

В настоящее время нет достаточно надежных данных для определения поверхности контакта фаз, особенно эффективной поверхности массопередачи при барботаже на тарелках. Поэтому обычно в расчетах тарельчатых колонн используют коэффициенты массопередачи, отнесенные к единице рабочей площади тарелки ( ). Коэффициент определяют по уравнению аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений:

(2.36)

где β_хf и β_yf – коэффициенты массоотдачи, отнесенные к единице рабочей площади тарелки соответственно для жидкой и паровой фаз, кмоль/(м² с).

В литературе приводится ряд зависимостей для определения коэффициентов массоотдачи на тарелках различных конструкций. Однако большинство их получено путем обобщения экспериментальных данных по абсорбции и десорбции газов и испарению жидкостей в газовый поток. В ряде работ показано, что с достаточной степенью приближения эти данные можно использовать для определения коэффициентов массоотдачи процессов ректификации бинарных систем, для которых мольные теплоты испарения компонентов приблизительно равны. В частности, для тарелок барботажного типа рекомендуются [15] обобщенные критериальные уравнения типа (1.39), которые приводятся к удобному для расчетов виду:

(2.37)

(2.38)

По этим уравнениям получают удовлетворительные результаты для расчета нейтральных и положительных бинарных смесей. Для отрицательных смесей необходимо учитывать поверхностную конвекцию. Анализ результатов расчетов показал, что коэффициенты массоотдачи для колпачковых тарелок, определяемые по уравнениям (2.37) и (2.38), оказываются завышенными. Это объясняется тем, что величина рассчитываемая по уравнению (1.58), включает полный запас жидкости на тарелке, значительная доля которой не участвует в образовании поверхности контакта фаз, в то время как в уравнениях (2.37) и (2.38) отражает влияние этой поверхности на коэффициенты массоотдачи.