Расчет тарельчатой ректификационной колонный

при      tж.в. = 80ºС;

при     tж.н. = 180 ºС;

Средняя плотность жидкости по высоте колонны определяется по уравнению:

 

,    

 

где ρА, ρВ – плотности низкокипящего и высококипящего компонентов при средней температуре в колонне, соответственно, кг/м3.

Плотность бензола при температуре t = 80 ºС ρА = 805,21 кг/м3.

Плотность толуола при  температуре t =80ºС ρА = 799,1 кг/м3.

Плотность бензола при  температуре t = 180ºС ρА = 789,16 кг/м3.

Плотность толуола при  температуре t = 180 ºС ρА = 784,48 кг/м3.

а) в верхней части колонны

кг/м3.

б) в нижней части колонны

кг/м3.

Для колонны в целом:

3.2 Расчет  скорости пара и диаметра колонны

 

         Допустимую скорость пара в колонне определяют по уравнению:

     (3,3)

          где ρж, ρп –– плотности жидкости и пара соответственно, кг/м3;

С –  коэффициент, величина которого зависит от конструкции тарелки, расстояния между тарелками и поверхностного натяжения жидкости σ.

Рассчитываем поверхностное натяжение:

 

   (3,4)

 

где σА σВ – поверхностное натяжение бензола и толуола при tср:

а) для верхней части  колонны при tжв=80°С:

 

 

б) для нижней части  колонны при tжн=180°С:

 

 

Величину коэффициента С при σ<20∙10–3 Н/м определяют по уравнению:

 

,    (3,4)

 

где С20=980 при Нт=500мм;

σ=18,97∙10–3Н/м.

Подставляя значения в уравнение (3,4) получим:

В нашем случае плотность  жидкости в верхней части колонны  – ρжв=802,67кг/м3, плотность пара –  ρпв=2,75кг/м3

Для нижней части колонны  – плотность жидкости ρжн=785,16кг/м3, плотность пара – ρпн=2,86кг/м3. Тогда  скорость пара будет равна:

Диаметр колонны определяют из уравнения:

 

   (3,5)

 

где GD – мольный расход дистиллята, кмоль/с;

R – оптимальное флегмовое число, R=4,13;

Мп.ср. – средняя масса  пара.

 

     (3,6)

 

где  GD – массовый расход дистиллята, кг/с;

MD – мольная масса дистиллята, кг/кмоль.

 

 

подставляя полученные значения в уравнение (3,6) получим:

 

Подставляя значения в уравнение (3,5) для верхней части колонны при Мп.в.ср.=82,536 кг/кмоль получим:

Подставляя значения в уравнение для нижней части  колонны при Мп.н.ср.= 88,766 кг/кмоль получим:

принимаем по каталогу диаметр колонны 1400 мм с периметром слива В=1,09м.

при этом действительная скорость пара в колонне:

 

       3.3 Определение высоты колонны

 

   HT=hMT(nD–l) = 0,5·(24–1) = 11,5м.

 

Общая высота колонны:

 

H=HT+hсеп+hкуб ,    (3.7)

 

где hceп – расстояние между верхней тарелкой и крышкой колонны, (высота сепарационного пространства), принимаем 0,8 м;

h ку6 – расстояние между нижней тарелкой и днищем колонны, (высота кубовой части), принимаем 2м.

Н=11,5+0,8+2=14,3м.

 

3.4 Построение рабочих линий укрепляющих и исчерпывающей частей колонны. Определение числа теоретических тарелок

 

Чтобы определить количество тарелок, надо графически изобразить линии  рабочего процесса в колонне. Колонну непрерывного действия от места ввода исходной смеси делят на две части: верхняя часть колонны называется укрепляющей, а нижняя часть— исчерпывающей.   При построении линий рабочих концентраций укрепляющей и исчерпывающей части колонны откладываем на оси ординат отрезок ОД, длина которого определяется соотношением:

 

,                                                        (3.8)

 

Через точки С  и  Д проводим прямую СД, а через  точку В—вертикаль до пересечения с линией СД и получаем точку В₁, соединив ее с А и С, получаем СВ₁ – линия рабочих концентраций укрепляющей части колонны, АВ₁ – линия концентраций исчерпывающей части колонны.

Число теоретических  тарелок определяем путем построения ступенчатой линии между линией равновесия и линиями рабочих концентраций в пределах от х_Д   до  х_W. Количество теоретических тарелок в нижней части –3, в верхней части колонны — 5. Всего 8 теоретических тарелок.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4  Гидравлический  расчет колонны

 

Для тарелок бесколпачковых (ситчатых, клапанных, струйных и других) величину общего сопротивления можно определить по уравнению:

 

 

где ξ – общий коэффициент сопротивления тарелки, для клапанных тарелок (клапаны полностью открыты) ξ=3,63;

ωоп – скорость пара в  рабочем сечении колонны, м/с;

hw – высота сливной перегородки, м;

how – подпор, м;

ΔΡσ – сопротивление, связанное с преодолением сил поверхностного натяжения на границе жидкость пар при выходе пара из отверстий тарелки в жидкость, Па.

Высоту сливной перегородки hw выбирают с таким расчетом, чтобы обеспечить достаточный слой жидкости на тарелке (hw+ how)≥40 мм. При малых расходах жидкости, когда подпор how мал, это обеспечивается сливной перегородкой высотой hw . При больших расходах жидкости,

когда слой жидкости на тарелке  составляет 80 мм и более, высота сливной  перегородки может быть уменьшена  вплоть до hw=0. В этом случае необходимый слой жидкости на тарелке обеспечивается за счет подпора жидкости над гребнем слива how .

Скорость газа в интервале устойчивой работы клапанных тарелок может быть определена по уравнению:

 

 

где: G – масса клапана, кг;

Fc – доля свободного сечения тарелки, %;

F0 – площадь отверстия под клапаном, м2;

ζ – коэффициент сопротивления, который может быть принят равный 3.

Принимаем диаметр отверстия  под клапанном равным d=70 мм, массу клапана G=0,0025 кг. Следовательно:

 

 

Подпор жидкости на тарелке  для верхней части колоны:

Подпор жидкости на тарелке  для нижней части колоны:

Сопротивление, обусловленное  действием си поверхностного натяжения:

 

 

где rгидр – гидравлический радиус отверстий, через которые пар выходит в жидкость, м.

где F0, П0 – площадь, м2 и периметр, м отверстий, через которые выходит пар, соответственно

 

 

σ – поверхностное  натяжение жидкости

σв=20,178·10–3 Н/м; σн=18,97·10–3 Н/м;

Тогда сопротивление  вызываемое силами поверхностного натяжения будет равно:

а) для верхней части  колонны:

а) для нижней части  колонны:

Сопротивление тарелки  на верхней части колоны:

Сопротивление тарелки  на нижней части колоны:

 
Выводы

 

Ректификация это процесс, который осуществляется в противоточных  колонных аппаратах с контактными  элементами в виде тарелок. Процесс  ректификации обладает рядом особенностей.

Различное соотношение  нагрузок по жидкости и пару в нижней и верхней части колонны.

Совместное протекание процессов массо и теплопереноса.

Всё это осложняет  расчет тарельчатых ректификационных колонн. Большое разнообразие тарельчатых  контактных устройств затрудняет выбор  колонны. В данном случае мы выбираем колонну с тарелками типа ТС-Р, потому что она соответствует общим требованиям таким как: высокая интенсивность единицы объема аппарата, его стоимость.

Диаметр и высота колонны  определяются нагрузками по пару и  жидкости и физическими свойствами взаимодействующих фаз.

 

Литература

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А., «Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии». Л.: Химия, 1983.
2. Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И. и другие, «Основные процессы и аппараты химической технологии». М.: Химия, 1991
3. «Справочник химика» под ред. Никольского т.3, Л.: Химия, 1971
4. Авербух Я.Д., Заостровский Ф.П., Матусевич Л.Н., «Процессы и аппараты химической технологии: курс лекций» Ч.2: «Теплообменные и массообменные процессы». Свердловск: изд. УПИ, 1973
5. Локотанов Н.С. «Процессы и аппараты химической технологии: Методические указания к курсовому проектированию». Свердловск: изд. УПИ, 1985

6. Лащинский А.А., Толчинский  А.Р., «Основы конструирования и  расчета химической аппаратуры».  Л.: Машиностроение, 1970