Ректификационная установка непрерывного действия для разделения смеси хлороформ - бензол

Диаметр колонны

 

Выберем стандартный диаметр обечайки колонны d=2,4 м. При этом действительная рабочая скорость пара будет равна:

v = 1,773 (2,96/3)2 = 1,726 м/с     [1,с.238]

 

Для колонны диаметром 2400 мм выбираем ситчатую однопоточную тарелку ТС-Р со следующими конструктивными размерами:

- Диаметр отверстий в тарелке d0:  8мм

- Шаг между отверстиями t: 15 мм

- Свободное сечение тарелки Fc : 15,3 %                       

- Высота переливного порога hпер: 30 мм

- Ширина переливного порога b : 1570 мм

- Рабочее сечение тарелки   Sт : 3,9 м2     [1,с.216]

 

Скорость пара в рабочем сечении тарелки:

wT =w = 0,835 0,785 2,42 3,9 = 0,786 мс        [1,с.238]

 

1.3.  Определение высоты светлого слоя жидкости на тарелке

Число действительных тарелок определяем графо-аналитическим методом (построением кинетической линии). Для этого необходимо рассчитать общую эффективность массопередачи на тарелке по Мэрфри (к.п.д. по Мэрфри).

Для этого определим вначале высоту светлого слоя жидкости на ситчатой тарелке по уравнению:

      

        [1,с.239]

где q=L(rx b)- удельный расход жидкости на 1 мл ширины сливной перегородки,м2/с;

b – ширина сливной перегородки, м ;

hпер- высота переливной перегородки, м;

      – поверхностное натяжение соответственно жидкости и воды при средней температуре в колонне;

     µx- в мПа с

      m=0,05-4,6 hпер=0,05-4,6 0,03=-0,088

 

Определим вязкость смеси жидкости для нижней и верхней части колонны по формуле:

 

 

где -вязкости хлороформа и бензола соответственно.

 

 

 

hов=0,787

hон=0,787

 

Паросодержание барботажного слоя ε находим по формуле 

                              

                        [1,с.240]

где

                                           v                                 [1,с.240]

Для верхней части колонны

 

 

=

Для нижней части колонны

 

 

=

 

 

1.4 Расчёт коэффициентов массопередачи и высоты колонны.

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

                        

                     [1,с.234]

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

 

,

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

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

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

      А= В = 1       

        = 92,3 см3/моль                                   =96 см3/моль

Тогда коэффициент диффузии в жидкости при 20˚С равен:

 

Температурный коэффициент b определяют по формуле

                       

                  [1,с.234] 

Здесь μхи   ρхпринимаются при температуре 20˚С. Тогда

 

Отсюда

м2/с

 

м2/с

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

 

 

где T – средняя температура  в соответствующей части колонны,

p- давления газа, Па;

 

 

 

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

Вязкость паров для верхней части колонны:

                   [1,с.234]

где μх  и μуб – вязкость паров хлороформа и бензола при средней температуре верхней части колонны, мПа·с;

у – средняя концентрация паров:

Подставив, получим:

 

 

Аналогичным расчётом для нижней части колонны находим:

 

 

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 xW и xD.

Приведем пример расчета для одной точки в верхней и нижней частях колонны при

Коэффициент распределения компонента по фазам (тангенс угла наклона равновесной линии в этой точке):

Коэффициент массопередачи: [1,с.239]

 

 

Общее число единиц переноса на тарелку noy находим по уравнению:

v[1,с.239]

 

 

Локальная эффективность:

[1,с.239]

 

Для определения эффективности по Мерфи ЕМу необходимо рассчитать также фактор массопередачи λ, долю байпасирующей жидкости θ, число ячеек полного перемешивания S и межтарельчатый унос e.

Фактор массопередачи:

[1,с.238]

 

 

 

         Фактор скорости:v

 

Доля байпасирующей жидкости для ситчатых тарелок при факторе скорости 1,572 и 1,41 принимают θ = 0,1.

      Для ситчатых тарелок в колоннах диаметром более 600 мм с достаточной степенью приближения можно считать, что одна ячейка перемешивания соответствует длине пути жидкости l = 300–400мм.

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

 Тогда число ячеек  полного перемешивания на тарелке 

Относительный унос жидкости e в тарельчатых колоннах определяется в основном скоростью пара, высотой сепарационного пространства и физическими свойствами жидкости и пара. Унос на тарелках различной конструкции является функцией комплекса v Коэффициент m, учитывающий влияние на унос физических свойств пара и жидкости:

 

 ;         

 .           [1,с.242]

Высота сепарационного пространства Hc равна расстоянию между верхним уровнем барботажного слоя и плоскостью тарелки, расположенной выше: где H–межтарельчатое расстояние, м; hП = высота барботажного слоя, м. [1,с.242]

 

 

 

 

 

                                   [1,с.242]

Подставляя вычисленные ранее значения, определяем КПД по Мерфи EMy:

                                                                              [1,с.238,243]

 

 

                    [1,с.238]

 

                                                                [1,с.238]

 

                          [1,с.238]

 

 

 

Аналогичным образом подсчитаны все величины для других составов жидкости. Результаты расчета параметров, необходимых для построения кинетической линии, приведены в таблице ниже.

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

 [1,с.243]

 

 

 

 

 

 

 

 

Результаты расчета параметров, необходимых для построения кинетической линии, приведены в таблице 1:

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

Параметр	Нижняя часть			Верхняя часть
x	0,15	0,3	0,45	0,6	0,75	0,9
m	1,26	1,38	0,84	0,82	0,77	0,67
Kyf	0,0062	0,061	0,065	0,056	0,056	0,057
noy	2,256	2,226	2,37	2,01	2,01	2,046
Ey	0,895	0,89	0,91	0,87	0,87	0,87
B	1,496	1,615	1,064	1,002	0,95	0,85
	1,677	1,75	1,422	1,32	1,296	1,24
	1,29	1,31	1,221	1,148	1,14	1,115
EMy	1,17	1,26	0,79	0,74	0,698	0,61
yk	0,2	0,43	0,59	0,727	0,84	0,94

 

Взяв отсюда значения х и ук, наносим на диаграмму х – у точки, по которым проводим кинетическую линию. Построением ступеней между рабочей и кинетической линиями в интервалах концентраций от хD до xF определяем число действительных тарелок NВ для верхней (укрепляющей) части и в интервалах от xF до xW - число действительных тарелок NH для нижней (исчерпывающей) части колонны. Общее число действительных тарелок Nравно:

                           N= NB + NH = 12 + 32  = 44  тарелок               [1,с.243]

Высоту тарельчатой ректификационной колонны определим по формуле

                               

                                  [1,с.238]

где Н - расстояние между тарелками, м;

zB, zH- расстояние соответственно между верхней тарелкой и крышкой колонны и между днищем колонны и нижней тарелкой, м.

Hk=(44-1)·0.5+1+2=24,5 м

 

 

2. Конструктивный расчет

 

Диаметры штуцеров определим по формуле:

                                 

                                    [1,с.16]

где Q– расход;

v - скорость (определяем исходя из справочных данных [1]);

r - плотность жидкости (пара).

 

Диаметр штуцера исходной смеси:

    v [1,с.16]

v=1,5 м/с – скорость потока жидкости при подачи насосом.

 

Диметр штуцера для выхода пара равен:

     v[1,с.16]

где v = 20 м/с - скорость потока насыщенных паров;

ry= 3,6 кг/м3;

Gп= P (R+1) = 3,6 (4,1+1)=18,36 кг/с  - расход паров

 

Диметр штуцера для входа паров из кипятильника равен:

    v[1,с.16]

где v = 40 м/с; ry=0,792 кг/м3.

 

Диметр штуцера для входа флегмы равен:

     v[1,с.16]

где v = 0,6 м/с;

Ф = P R=3,6 4,1=14,76 кг/с – расход флегмы

 

Диметр штуцера для выхода кубового остатка и жидкости из куба равен:

    w[1,с.16]

где, w – скорость потока при движении самотеком.

 

 

 

3. Гидравлический расчет

 

Гидравлическое сопротивление тарелок колонны DРК определяют по формуле:

        [1,с.244]

где DРВ и DРН - гидравлическое сопротивление одной тарелки соответственно верхней и нижней части колонны, Па.

Полное гидравлическое сопротивление одной тарелки складывается из трёх слагаемых.

                                      

                   [1,с.244]

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки рассчитаем по уравнению:

xv[1,с.209]

;

 

  Коэффициент сопротивления x сухих ситчатых тарелок равен 1,1 –2,0. Примем x = 1,8. [1,с.210]

Гидравлическое сопротивление газо-жидкостного слоя (пены) на тарелках будет различным в верхней и нижней частях колонны:

 

[1,с.244]

Гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения, равно:

[1,с.244]

Тогда полное сопротивление одной тарелки равно:

 

 

Тогда полное сопротивление ректификационной колонны:

 

 

4. Механический расчет