Проект ректификационной установки с тарельчатой колонной непрерывного действия производительностью 6 кг/с для разделения исходной смеси

  

 

2.9. Расчет коэффициентов в массопередачи и  высоты колонны

2.9.1 Расчет  коэффициентов в диффузии

 

     Для расчета  коэффициентов диффузии необходимо  определить вязкость паров верха и низа колонны.

Вязкость паров для  верхней части колонны:

                                               ,                                  

 

Где: μ_уб и μ_ут – вязкость паров СУ и ЧУ при средней температуре верхней части колонны, мПа∙с; у_в – средняя концентрация паров :

у_в = (у_р + у_f)/2.

у_в = (0,977+0,695)/2 = 0,84.

 мПа∙с.

 

Аналогичным расчетом для нижней части  колонны находим 

μ_у.н.= 0,616 мПа∙с.

Коэффициент диффузии в жидкости при средней температуре t (в ºС) равен:

                                                     .                                             

     Коэффициент диффузии  в жидкости D_x20 при 20ºС можно вычислить по приближенной формуле:

                                                    ,                                         

Где: А,В – коэффициенты, зависящие от свойств растворенного вещества и растворителя; ν_б и ν_т – мольные объемы компонентов в жидком состоянии при температуре кипения, см³/моль; μ_х – вязкость жидкости при 20ºС, мПа∙с.

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

 м²/с.

     Температурный коэффициент b определяют по формуле:

 

 

                                                    ;                                                 

Отсюда

 м²/с.

Аналогично для нижней части колонны находим:

 м²/с.

     Коэффициент диффузии в паровой фазе может быть вычислен по уравнению:

,

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

      Р – абсолютное давление в колонне, Па.

Тогда для верхней части колонны:

 м²/с.

Аналогично для нижней части колонны получим:

D_у.н.=2,54∙10^-6 м²/с.

     Рассчитав коэффициенты молекулярной  диффузии в жидкой D_x и паровой D_y фазах, вычисляем коэффициенты массоотдачи.

     Для верхней части колонны:

коэффициент массоотдачи в жидкой фазе

;

;

коэффициент массоотдачи в паровой фазе

;

.

     Для нижней части колонны посчитаем  коэффициенты тем же способом

коэффициент  массоотдачи в жидкой фазе

;

коэффициент массоотдачи в паровой фазе

.

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

 

Для верхней  части колонны

;

Для нижней части колонны

;

.

    

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 от x_w до х_Р. Ниже приведен  расчет координат одной точки кинетической линии.

     Пусть х = 0,11. Коэффициент  распределения (тангенс угла наклона равновесной линии в этой точке) равен m = 2,1.

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

                                            ^;                                              

.

     Общее число  единиц переноса на тарелку п_оу находим по уравнению:

                                                         ;                                                    

Локальная эффективность равна:

                                                         ;                                                

Е_у=1 — 2,72^-0,086 =0,082.

     Фактор массопередачи  для верхней части колонны:

.

     Долю байпасирующей  жидкости θ для колпачковых  тарелок принимают θ = 0,1.

Необходимо предварительно рассчитать число ячеек полного перемешивания  S. Для колонн диаметром более 600 мм с колпачковыми и клапанными тарелками отсутствуют надежные 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_Т к длине l Определим длину пути жидкости l_Т как расстояние между переливными устройствами:

;

     Тогда число  ячеек полного перемешивания  на тарелке равно

S= 0,9585/0,35 3.

     Относительный унос  жидкости е в тарельчатых колоннах определяется в основном скоростью пара, высотой сепарационного пространства и физическими свойствами жидкости и пара. Унос можно оценивать с помощью графических данных, представленных на рис. (2). По этим данным унос на тарелках различных конструкций является функцией комплекса ω_T/mH_c. Коэффициент m, 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 расположенной выше тарелки:

                                                           H_c = H — h_n ;                                                     

где  Н — межтарельчатое расстояние, м;

        h_п=; h_о/(1-ε)- высота барботажного слоя (пены), м.

В соответствии с каталогом  для  колонны диаметром 2000 мм расстояние Н = 0,6 м.  Высота сепарационного пространства в нижней части колонны меньше, чем в верхней, поэтому определим h_П  для низа колонны:

;

     Тогда

Н_С = 0,65 — 0,054 = 0,446 м ;

.

     При таком значении  комплекса ω_T / mH_c   унос е=0,1 кмоль/кмоль.

Далее определим величину В' :

                                                       ;                                              

 

 

                                                   ;                                              

;

                                                      ;                                                  

 

 

рис. (2) Зависимость относительного уноса жидкости е от комплекса для различных конструкций: 1-колпачковая; 2-ситчатая; 3-провальная; 4- клапанной балластной.

 

Эффективность по Мерфри равна:

                                           ;                                             

.

     Зная эффективность по Мерфри Е_ту, можно определить концентрацию пара у_к на выходе с тарелки из соотношения:

                                                        ;                                            

Отсюда

у_к =у_н+Е_Му (у^*-у_н);

где у_н и у* — концентрация   пара соответственно на входе тарелку и равновесная с жидкостью на тарелке.

у_к =0,16+0,11(0,255-0,16)=0,17.

 

Аналогичным образом подсчитаны у_к для других составов жидкости. Все расчетные данные приведены в табл. 4.

     По значениям х и у_к из табл. 5 на диаграмму х—у наносят точки, по которым проводят кинетическую линию. Построением ступеней между рабочей и кинетической линиями в интервалах концентраций от х_Р до x_F определяют число действительных тарелок N_B для верхней (укрепляющей) части и в интервалах от x_F до x_W — число действительных тарелок N_Н для нижней (исчерпывающей) части колонны. Общее число действительных тарелок N равно:

 

N = N_B + N_H = 16 + 10 = 26 тарелок.

     Высоту тарельчатой  ректификационной колонны определяют  по формуле:

                                              Н_к = (N - 1) Н + z_B + z_H,                                                 

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:

Н_к = (26 — 1) 0,6+ 2.5 + 2 = 23,7 м.

 

Таблица 4. Результаты расчета величин, необходимых для построения кинетической линии

Величина	Нижняя часть  колонны			Верхняя часть т
х	0,11	0,15	0,26	0,66 0,76      0,86
т	2,1	1,8	1,3	0,6      0,5      0,45
Kyf	0,003	0,0033	0,005	0,006   0,008  0,008
nОу	0,086	0,085	0,143	0,164       0,22    0,22
Еу	0,082	0,081	1,133	0,15      0,18     0,2
В	0,38	0,35	0,39	0,18    0,28   0,28
Е''my	0,09	0,0,89	0,15	0,16    0,2   0,22
Е’my	0,06	0,078	0,13	0,14   0,18    0,2
Emy	0,11	0,123	0,15	0,07     0,08    0,08
ук	0,22	0,28	0,42	0,79     0,862    0,916

 

Таблица5.

 

x	0.034	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.538	0.6	0.7	0.8	0.9	0.985
y	0.073	0.224	0.408	0.533	0.634	0.718	0.745	0.787	0.844	0.896	0.948	0.992

3. Расчет гидравлического сопротивления тарелок колонны

Контактное устройство по заданию – колпачковая тарелка. Выбираем тарелку ТСКР для диаметра 2000 мм. Количество секций – 6, периметр слива L = 1455 мм, диаметр колпачка dк = 100 мм, количество колпачков – 116, расстояние между колпачками – 140 мм.

Приемный и сливной  карманы занимают 15% площади тарелки, суммарная площадь прорезей всех колпачков – 10%.

Общее гидравлическое сопротивление  тарелки определяется по формуле:

где: DPсух – сопротивление сухой тарелки, Па;

DРs - сопротивление, вызванное силами поверхностного натяжения, Па;

DРст – статическое сопротивление слоя жидкости на тарелке, Па;

где:

x - коэффициент сопротивления, для колпачковой тарелки принимается 5.5

rу – средняя плотность пара в колонне;

Wраб – скорость пара в колонне;

где: s - поверхностное натяжение,

dэ – эквивалентный диаметр прорези колпачка,

П – периметр и fпр – площадь прорези колпачка,

где: rп – плотность парожидкостного слоя на тарелке,

hст – высота барботажа на тарелке,

hотк – высота открытия прорезей, принимается равной высоте прорезей 0.03м,

hпогр – высота погружения прорезей, принимается равной 0.025м,

Dh – величина превышения уровня жидкости над сливной перегородкой, при средних .

Диаметрах колонн можно не учитывать.

 

Следовательно, общее гидравлическое сопротивление тарелки:

 

Проверяем выбранное расстояние между тарелками: минимальное расстояние между ними должно быть равным:

Выбранное ранее расстояние между тарелками H = 600 мм подходит.

 

3.1 Определение  гидравлического сопротивления  колонны

 

Суммарное гидравлическое сопротивление  колонны:

где: n – общее число тарелок в колонне, равное 26.