Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол (стр. 6 из 12)
Рис. 2.18. Диаграмма для приближенного определения среднего к.п.д. тарелок.
Определение вязкости жидкости (смеси) в верхней и нижней частях колонны а) в верхней части колонны:
(2.27)б) в нижней части колонны:
(2.28)Определение вязкости пара:
а) в верхней части колонны:
(2.29)б) в нижней части колонны:
(2.30)Число действительных тарелок:
а) в верхней части колонны:
(2.31)б) в нижней части колонны:
(2.32)Высота тарельчатой колонны:
(2.33)где h – расстояние между тарелками,
ZВ – расстояние между верхней тарелкой и крышкой колонны,
ZН – расстояние между нижней тарелкой и днищем колонны,
N – число действительных тарелок.
2.5. Определение средних массовых расходов пара и жидкости в верхней и нижней частях колонны
- Определение среднего мольного состава жидкости в верхней и нижней частях колонны:
а) в верхней части колонны:
(2.34)б) в нижней части колонны:
(2.35)- Определение среднего мольного состава пара в верхней и нижней частях колонны:
а) в верхней части колонны:
(2.36)б) в нижней части колонны:
(2.37)- Средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны:
а) в верхней части колонны:
(2.38)б) в нижней части колонны:
(2.39)- Определение средних мольных масс пара в верхней и нижней частях колонны: а) в верхней части колонны:
(2.40)б) в нижней части колонны:
(2.41)- Определение средней плотности пара в верхней и нижней частях колонны:
(2.42) 
(2.43)- Средняя плотность пара в колонне:
-
(2.44)- Средняя плотность жидкости в колонне:
-
(2.45)- Определение средней плотности жидкости в верхней и нижней частях колонны:
(2.46) 
(2.47)- Определение мольной массы исходной смеси и дистиллята:
(2.48) 
(2.49)- Расчет средних массовых расходов по жидкости для верхней и нижней частей колонны:
-
(2.50) 
(2.51)- Расчет средних массовых расходов пара для верхней и нижней частей колонны:
(2.52) 
(2.53)2.6. Определение скорости пара и диаметра колонны
Эффективность работы тарельчатых колонн в значительной степени зависит от скорости пара в свободном сечении колонны. Эта скорость зависит от физико-химических свойств взаимодействующих фаз (плотность, вязкость, поверхностное натяжение и др.) и конструктивных особенностей колонны. Оптимальная величина скорости может быть установлена в каждом отдельном случае только опытным путем. В общем случае предельно допустимая скорость пара в колонне должна быть несколько меньше скорости, соответствующей явлению «захлебывания» колонны, когда восходящий поток пара начинает препятствовать стеканию жидкости по тарелкам. В колоннах, работающих при атмосферном давлении, скорость пара обычно принимают 0.3–0.6 м/с; эта скорость непосредственно связана со скоростью в отверстиях тарелок, которую следует выбирать в пределах 2–6 м/с.
Скорость паров в колоннах может быть повышена при увеличении расстояния между тарелками или применении специальных устройств в виде отбойников, позволяющие уменьшить сепарационный объем между тарелками.
При больших скоростях происходит увеличение потоком пара жидкости с нижележащих тарелок на тарелки, лежащие выше, т.е. механический унос жидкости, и слияние отдельных пузырьков пара в струю, и в результате этого уменьшается поверхность контакта фаз и длительность контакта.
Расчет рабочей скорости пара в верхней и нижней частях колонны по уравнению:
а) в верхней части колонны:
(2.54)б) в нижней части колонны:
(2.55)где С – коэффициент, зависящий от конструкции тарелок, расстояния между тарелками, рабочего давления в колонне, нагрузки колонны по жидкости.
Рис. 2.19. Значения коэффициента С: А, Б – колпачковые тарелки с круглыми колпачками;В – ситчатые тарелки.
Диаметр колонны определяется по уравнению:
а) в верхней части колонны:
(2.56)б) в нижней части колонны:
(2.57)Скорость пара в колонне при стандартном диаметре:
а) в верхней части колонны:
(2.58)б) в нижней части колонны:
(2.59)Средняя скорость пара рассчитывается по формуле:
(2.60)2.7. Гидравлическое сопротивление тарельчатых колонн
При конструировании тарельчатых колонн следует учитывать гидравлическое сопротивление, в результате которого возникает значительная разность давлений у основания и вершины колонны. Перепад давлений будет тем больше, чем больше число тарелок в колонне и чем выше уровень жидкости на каждой тарелке. Основные сопротивления прохождения паров возникают на входе и на выходе из паровых патрубков и через прорези колпачков (местные сопротивления). Следует также учитывать потери на преодоление гидростатического давления столба жидкости на каждой тарелке. Обычно сопротивление колпачковой тарелки составляет 25–50 мм водного столба в условиях работы при атмосферном давлении и несколько ниже при работе под вакуумом.
Гидравлическое сопротивление тарелок:
(2.61)Гидравлическое сопротивление сухой тарелки в верхней и нижней частях колонны: а) в верхней части колонны:
(2.62)б) в нижней части колонны:
, где (2.63)ζ – коэффициент сопротивления, числовое значение которого можно принимать равным от 1.1 до 2.0;
ω0 – скорость пара в отверстиях тарелки в
.Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:
, где (2.64)σ – поверхностное натяжение в
;d0 – диаметр отверстий тарелки в
.Объемный расход жидкости в верхней и нижней частях колонны:
а) в верхней части колонны:
(2.65)б) в нижней части колонны:
(2.66)Высота слоя над сливной перегородкой в верхней и нижней частях колонны:
а) в верхней части колонны:
(2.67)б) в нижней части колонны:
, где (2.68)Lc – периметр слива;
κ=ρпж/ρЖ – отношение парожидкостного слоя к плотности жидкости, принимается равным 0.5
Высота парожидкостного слоя на тарелке в верхней и нижней частях колонны: