Скорость пара и диаметр колонны

Рассчитываем средние концентрации низкокипящего компонента в жидкости и в паре, затем определяем средние температуры жидкости и пара по высоте колонны. Определяем средние концентрации ацетона в жидкости:

а) в верхней части колонны

(II.4.1)

 

б) в нижней части колонны

(II.4.2)

 

Средние температуры жидкости определяем по диаграмме t – х,у (рисунок 1)

При х_в.ср=0,5 t_ж.в=67,25⁰С

При х_н.ср=0,12 t_ж.н=77,75⁰С

Средняя плотность жидкости по высоте колонны определяется по уравнению

 

(II.4.3)

 

где ρ_а ρ_Э – плотности низкокипящего и высококипящего компонентов при средней температуре в колонне, соответственно, кг/м³:

а) в верхней части колонны

ректификация колонна тепловой оборудование

б) в нижней части колонны

 

 

Для колонны в целом

 

(II.4.4)

Определяем средние концентрации ацетона в паре:

а) в верхней части колонны

 

(II.4.5)

 

б) в нижней части колонны

 

(II.4.6)

 

Средние температуры пара определяем по диаграмме t – х,у (рисунок 1)

 

При у_в.ср=0,675 t_п.в=68,57⁰С

При у_н.ср=0,273 t_п.н=77,57⁰С

Средние молекулярные массы и плотности пара:

а) в верхней части колонны

средняя молекулярная масса пара

 

; (II.4.7)

 

средняя плотность пара

 

(II.4.8)

 

б) в нижней части колонны

средняя молекулярная масса пара

 

(4.9)

 

средняя плотность пара

 

(II.4.10)

 

Тогда средняя плотность пара в колонне

 

(II.4.11)

Допустимую скорость пара в колонне определяют по уравнению

 

(II.4.12)

 

где ρ_ж и ρ_п – плотности жидкости и пара, кг/м³; С – коэффициент, величина которого зависит от конструкции тарелки, расстояния между тарелками и поверхностного натяжения жидкости.

Принимаем предварительно расстояние между тарелками h_м.т=300мм. По рисунку 10 [3] значение коэффициента С=375.

Тогда скорость пар в колонне

 

(II.4.13)

 

Диаметр ректификационной колонны

 

(II.4.14)

 

где V_п – объемный расход пара, поступающего в дефлегматор, м³/с,

 

(II.4.15)

 

где М_D – мольная масса дистиллята, кг/кмоль,

 

Тогда

(II.4.16)

 

Диаметр колонны

 

По каталогу [1] принимаем диаметр типовой колонны 1,0м. При этом действительная скорость пара в колонне

 

(II.4.17)

ВЫСОТА КОЛОННЫ

Высоту колонны определяем графо-аналитическим методом, т.е. последовательно рассчитываем коэффициенты массоотдачи, массопередачи, коэффициенты полезного действия тарелок; строим кинетическую кривую и определяем число действительных тарелок.

Коэффициент массоотдачи в паровой фазе

 

(III.1)

 

где D_п – коэффициент диффузии паров компонента А в парах компонента В, рассчитывается по формуле

 

(III.2)

 

где Т – температура, К; p – абсолютное давление, кгс/см²; М_А, М_В – мольные массы компонентов А и В; ν_А, ν_В – мольные объемы компонентов А и В, определяемые как сумма атомных объемов элементов, входящих в состав пара [2].

R_е – критерий Рейнольдса для паровой фазы

 

(III.3)

 

где μ_п – динамический коэффициент вязкости пара, Па·с.

(III.4)

 

где М_ср.п, М_А, М_В – мольные массы пара и отдельных компонентов, кг/кмоль; μ_ср.п, μ_А, μ_В – соответствующие им динамические коэффициенты вязкости; у_А, у_В – объемные доли компонентов смеси.

Коэффициент диффузии паров ацетона в парах этилового спирта:

а) в верхней части колонны

 

 

б) в нижней части колонны

 

 

Коэффициент динамической вязкости смеси паров ацетона и этилового спирта:

а) в верхней части колонны при температуре 68,57⁰С, μ_Ап=0,2165 мПа·с, μ_Вп=0,691 мПа·с.

 

 

б) в верхней части колонны при температуре 77,57⁰С, μ_Ап=0,203 мПа·с, μ_Вп=0,592 мПа·с.

 

 

Критерий Рейнольдса для паровой фазы:

а) в верхней части колонны

 

 

б) в нижней части колонны

 

 

Коэффициент массоотдачи в паровой фазе:

а) в верхней части колонны

 

 

б) в нижней части колонны

 

 

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе

,

 

где D_ж – коэффициент диффузии в жидкости, м²/с; М_ж.ср – средняя мольная масса жидкости в колонне, кг/кмоль:

а) в верхней части колонны

 

 

б) в нижней части колонны

 

 

- диффузионный критерий Прандля

(III.5)

 

Коэффициент диффузии в жидкости при 20⁰С можно вычислить по приближенной формуле

 

(III.6)

 

где μ_ж – динамический коэффициент вязкости жидкости, мПа·с;

М_А, М_В – мольные массы компонентов А и В,кг/кмоль; ν_А, ν_В – мольные объемы компонентов А и В, кг/кмоль; А и В – коэффициенты зависящие от свойств низкокипящего и высококипящего компонентов.

Коэффициент диффузии пара в жидкости D_t связан с коэффициентом диффузии D₂₀ следующей приближенной зависимостью,

 

(III.7)

 

в которой температурный коэффициент b может быть определен по эмпирической формуле

 

(III.8)

 

где μ – динамический коэффициент вязкости жидкости при 20⁰С, мПа·с; ρ – плотность жидкости, кг/м³.

Динамический коэффициент вязкости жидкости

 

(III.9)

 

а) в верхней части колонны при t=67,25⁰С

 

μ_А=0,2195 мПа·с

μ_В =0,713 мПа·с

 

б) в нижней части колонны при t=77,75≈78⁰С

 

μ_А=0,203 мПа·с

μ_В =0,592 мПа·с

 

Коэффициент диффузии ацетона в жидком этиловом спирте при t=20⁰С:

а) для верхней части колонны

 

 

б) для нижней части колонны

 

 

Температурный коэффициент принимаем равным b=0,0234.

Тогда

а) для верхней части колонны

 

 

б) для нижней части колонны

 

Критерий Прандля:

а) для верхней части колонны

 

 

б) для нижней части колонны

 

.

 

Определяем коэффициенты массоотдачи:

а) для верхней части колонны

 

 

б) для нижней части колонны

 

 

Коэффициенты массопередачи определяем по уравнению

 

(III.10)

 

где m – тангенс угла наклона линии равновесия на рабочем участке.

Для определения угла наклона разбиваем ось х на участки и для каждого их них находим среднее значение тангенса как отношение разности (у^*-у) к разности (х-х^*) в том же интервале, т.е.

 

(III.11)

 

Подставляя найденные значения коэффициентов массоотдачи β_п и β_ж и тангенсов углов наклона линии равновесия в уравнение, находим величину коэффициента массопередачи для каждого значения х в пределах от х_W до х_D.

Полученные значения К_у используем для определения числа единиц переноса n_у в паровой фазе

 

, (III.12)

 

где φ – отношение рабочей площади к свободному сечению колонны, примем φ=0,8.

Допуская полное перемешивание на тарелке, имеем

 

(III.13)

 

где η – КПД тарелки.

Результаты приведенных выше расчетов, сводим в таблицу 3.

Таблица3 – Параметры, необходимые для построения кинетической кривой

x	xW	0,13	0,19	xF	0,3	0,5	0,7	0,8	xD
tgα=m	1,97	1,78	1,44	1,23	1,21	0,92	0,7	0,62	0,59
Ky·10-3	4,38	4,435	4,53	4,59	4,6	4,69	4,76	4,79	4,8
ny	0,134	0,136	0,138	0,14	0,141	0,144	0,146	0,1469	0,1472
η	0,126	0,128	0,13	0,132	0,1321	0,1346	0,13638	0,1371	0,1324
AC, мм		20,5		3,5				46,5
AB, мм	3,3	2,6	0,91	0,462	3,04	6,59	7,12	6,38	5,9

 

Между кривой равновесия и линиями рабочих концентраций в соответствии с табличными значениями х проводим ряд прямых, параллельных оси ординат (рисунок 4).

Измеряем полученные отрезки А₁С₁, А₂С₂, А₃С₃ и т.д. и делим их в отношении η=АВ/АС, т.е. определяем величину отрезков А₁В₁, А₂В₂…….А_nB_n. Через найденные для каждого значения х точки В проводим кинетическую кривую, отображающую степень приближений фаз на тарелках к равновесию.

Число реальных тарелок n_д находим путем построения ступенчатой линии между кинетической кривой и рабочими линиями в пределах от х_D до х_W.

Получаем 94 тарелок (40 в верхней части колонны, 54 – в нижней), которые и обеспечивают разделение смеси в заданных пределах изменения концентраций.

Высота тарельчатой части колонны

 

(III.14)

Общая высота колонны

 

(III.15)

 

где h_сеп – расстояние между верхней тарелкой и крышкой колонны, (высота сепарационного пространства), принимаем 0,8м (приложение А6 [3]); h_куб – расстояние между нижней тарелкой и днищем колонны, (высота кубовой части), принимаем 2м (приложение А6 [3]).

 

 

В соответствии с рассчитанным диаметром колонны по каталогу-справочнику [1] подбираем стандартную колонну и тарелки. Принимаем к установке колонный аппарат диаметром 1000мм; колонна компонуется из однопоточных неразборных тарелок типа ТСК – I ОСТ 26-01-282-74 с капсульными стальными колпачками. Общее число колпачков на тарелке – 37. Основные параметры тарелки приведены в таблице 4.

 

Таблица 4 – Характеристика колпачковой тарелки

Диаметр колонны (внутр.) D, мм
Свободное сечение колонны, м2	0,78
Длина линии барботажа, м	9,3
Периметр слива Lс, м	0,8
Площадь слива, м2	0,05
Площадь паровых патрубков, м	0,073
Относительная площадь для прохода паров, %
Диаметр колпачка d, мм
Шаг t, мм
Масса колпачка в кг (при h=20мм, Нt=300мм) для исполнения 1

 

⇐ Предыдущая123Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: