Расчет тарельчатой ректификационной колонны производительностью 9000 кг/ч

 м

Для нижней части колонны 

 м

Паросодержание барботажного слоя ε находим по формуле 

где

Для верхней части  колонны

 

 
        Для нижней  части колонны

 

Расчёт коэффициентов массопередачи и высоты колонны

Определим коэффициент  диффузии газа для нижней и верней части колонны при средней температуре t (в ˚С) по формуле:

 

 

Коэффициенты диффузии в жидкости D_x20 при 20˚С можно вычислить по приближённой формуле:

,

где А, В – коэффициенты, зависящие от свойств растворённого вещества и растворителя;

v_Б, v_у - мольные объемы компонентов в жидком состоянии при температуре кипения, см³/моль;

μ_х – вязкость жидкости при 20˚С, мПа·с.

v_Б=96 м³/моль 

υ_у = 14,8·2 + 3,7·6 + 7,4 = 59,2 см³/моль 

μ_х=0,28

А=1 Б=1,24

Тогда коэффициент диффузии в жидкости для верхней части  колонны при 20˚С равен:

                    

Температурный коэффициент b определяют по формуле

Здесь μ_х и ρ_х принимаются при температуре 20˚С. Тогда

Отсюда

 м²/с

Аналогично для нижней части колонны находим: м²/с

Определим коэффициент диффузии газа для нижней и верней части колонны по формуле:

,

где T – средняя температура в соответствующей части колонны, К;

p- давления газа, Па;

м²/с;

 м²/с;

Рассчитав коэффициенты молекулярной диффузии в жидкой D_x     и паровой    D _y фазах,  вычисляем коэффициенты массоотдачи, отнесённые к единице рабочей поверхности тарелки для жидкой и паровой фаз:  

Вязкость паров для  верхней части колонны

где μ_Б  и μ_у – вязкость паров бензола и уксусной кислоты при средней температуре верхней части колонны, мПа·с;

 у_в – средняя концентрация паров:

Подставив, получим:

 мПа·с.

 

Аналогичным расчётом для нижней части  колонны находим:

                      мПа·с.

Для верхней части  колонны:

коэффициент массоотдачи  в жидкой фазе:

коэффициент массоотдачи  в паровой фазе

Для нижней части колонны:

  коэффициент массоотдачи в жидкой фазе

коэффициент массоотдачи  в паровой фазе

Пересчитаем коэффициенты массоотдачи на кмоль/(м²·с):

 кмоль/(м²·с)

 кмоль/(м²·с)

 кмоль/(м²·с)

 кмоль/(м²·с)

Коэффициенты массоотдачи, рассчитанные по средним значениям  скоростей и физических свойств паровой и жидкой фаз, постоянны для верхней и нижней частей колонны. В то же время коэффициент массопередачи – величина переменная, зависящая от кривизны линии равновесия, т.е. от коэффициента распределения. Поэтому для определения данных, по которым строится кинетическая линия необходимо вычислить несколько значений коэффициентов массопередачи в интервале  изменения состава жидкости x_W   и x_D.

Пусть  х = 0,6. Коэффициент распределения (тангенс угла наклона равновесной линии в этой точке) равен m = 0,77.

Коэффициент массопередачи K_yf  вычисляем по коэффициентам массоотдачи в верхней части колонны:

 кмоль/(м²·с)

Общее число единиц переноса на тарелку  n_oy находим по уравнению:

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

Фактор массопередачи  для верхней части колонны

Далее определим величину В’ из уравнения

где θ – доля байпасирующей жидкости, характеризующая степень поперечной неравномерности потоков. 

Для ситчатых тарелок при факторе скорости принимают θ = 0,1.

Тогда

Для определения  по уравнению

необходимо предварительно рассчитать число ячеек полного  перемешивания S. Для колонн диаметром более 600 мм с ситчатыми тарелками отсутствуют надёжные данные по продольному перемешиванию жидкости, поэтому с достаточной степенью приближения можно считать, что одна ячейка перемешивания соответствует длине пути жидкости l, равной 300 – 400 мм.

Примем l = 350 мм и определим число ячеек полного перемешивания S как отношение длины пути жидкости на тарелке l_T  к длине l. Определим длину пути жидкости l_T как расстояние между переливными устройствами:

 м

Тогда число ячеек  полного перемешивания на тарелке  равно 

Эффективность по Мерфи  с учётом перемешивания на тарелке    находим по уравнению

Эффективность по Мерфи  с учётом байпасирующего потока жидкости   находим по уравнению

Зная эффективность  по Мэрфри, можно определить концентрацию легколетучего компонента в паре на выходе из тарелке у_вых по соотношению:

где у_вх и у^*  - концентрация соответственно легколетучего компонента в паре на входе на тарелку и равновесная с жидкостью на тарелке.

Однако действительная концентрация на выходе будет отличаться от у_вых, вычисленной по значениям , вследствие явления образования жидкости в колонне, вызванной брызгоуносом. Влияние брызгоуноса можно выразить соотношением:

где у_к – действительная концентрация пара на выходе из тарелки (ордината точки на кинетической линии), кмоль/кмоль смеси;

х – состав жидкости на тарелке, кмоль/кмоль смеси;

е – относительный  унос жидкости, кмоль/кмоль пара.

По уравнению 

определим  у_вых:

у_вых = 0,725 + 0,79·(0,79 – 0,725) = 0,56

 

Относительный унос жидкости е в тарельчатых колоннах определяется в основном скоростью пара, высотой сепарационного пространства и физическими свойствами жидкости и пара. В настоящее время нет надежных зависимостей, учитывающих влияние физических свойств потоков на унос, особенно для процессов ректификации. Для этих процессов унос можно оценить с помощью графических данных, представленных на рис. 1. По этим данным унос на тарелках различных конструкций является функцией комплекса .

Рис 1 - Зависимость относительного уноса жидкости е от комплекса w,/(тНс) для тарелок различных конструкций: 1 - колпачковой;  2 - ситчатой;  3 – провальной решетчатой;  4 - клапанной  балластной.

 

Коэффициент, учитывающий влияние на унос физических свойств жидкости и пара, определяют по уравнению

Высота сепарационного пространства Н_с равна расстоянию между верхним уровнем барботажного слоя и плоскостью тарелки, расположенной выше:

где Н - межтарельчатое расстояние, м; 

  -  высота барботажного слоя (пены), м.

В соответствии с каталогом  для колонны диаметром 1200 мм расстояние Н = 0,5 м. Высота сепарационного пространства в нижней части колонны меньше, чем в верхней поэтому определим h_п для низа колонны:

Тогда

 м

и 

При таком значении комплекса  унос е = 0,08 кмоль/кмоль. Таким образом, действительная концентрация пара у_к равна:

 

 

Аналогичным образом  подсчитаны у_к для других составов жидкости. Результаты расчета параметров, необходимых для построения кинетической линии, приведены в таблице 1:

 

 

Таблица 1 - Результаты расчёта величин, необходимых для построения кинетической линии

Нижняя часть колонны			Верхняя часть колонны
х	0,05	0,15	0,3	0,45	0,6	0,75
т	1,01	0,43	0,52	0,64	0,77	0,82
Кyf	0,0063	0,048	0,039	0,041	0,057	0,064
noy	2,84	2,75	2,73	2,69	2,54	2,42
Еy	0,16	0,69	0,75	0,84	0,92	0,99
λ	0,88	0,97	1,15	1,22	1,36	1,43
В’	1,81	1,68	1,63	1,52	1,39	1,37
	1,19	1,12	1,45	1,46	1,52	1,92
	0,98	1,02	1,35	1,38	1,4	1,69
увых	0,18	0,23	0,47	0,51	0,56	0,63
ук	0,17	0,25	0,48	0,52	0,56	0,64

Взяв отсюда значения х и у_к, наносим на диаграмму х-у точки, по которым проводим кинетическую линию. Построением ступеней между рабочей и кинетической линиями в интервалах концентраций от х_D до x_F определяем число действительных тарелок N_В для верхней (укрепляющей) части и в интервалах от x_F до x_W - число действительных тарелок N_H для нижней (исчерпывающей) части колонны. Общее число действительных тарелок N равно:

N = N_B + N_H = 7 + 5 + 2 = 14  тарелок.

 

Высоту тарельчатой  ректификационной колонны определим  по формуле

.

где Н - расстояние между тарелками, м; 

z_B, z_H - расстояние соответственно между верхней тарелкой и крышкой колонны и между днищем колонны и нижней тарелкой, м.

Подставив, получим:

 м

 

3. КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ

 

3.1 Расчёт оптимальных  диаметров трубопроводов

Рассчитаем диаметр трубопровода подачи питания:

ρ = 778 кг/м³

 м

Принимаем 100 мм.

Рассчитаем диаметр трубопровода входа флегмы:

   ρ = 778 кг/м³

 м

Принимаем 50 мм.

 

Рассчитаем диаметр трубопровода выхода паров:

 м

Принимаем 400 мм.

 

 

Рассчитаем диаметр трубопровода выхода кубовой жидкости:

 м

Принимаем 100 мм.

 

Рассчитаем диаметр трубопровода выхода кубового остатка:  

 м

Принимаем 50 мм.

 

4. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

 

Гидравлическое сопротивление  тарелок колонны  определяют по формуле

 

где   и - гидравлическое сопротивление тарелки соответственно верхней и нижней частей колонны, Па.

Полное гидравлическое сопротивление тарелки складывается из трех слагаемых:

 

Гидравлическое сопротивление сухой ситчатой тарелки рассчитываем по уравнению

 

Значение коэффициента сопротивления ξ сухой ситчатой тарелки равно 1,1 – 2,0. Принимая  ξ = 1,85, получим