Расчет ректификационной колонны

Рис. 8. Определение числа действительных тарелок.

Построением числа ступеней между рабочей и кинетической линиями в интервалах концентраций x_P и x_F определяют число действительных тарелок для верхней (укрепляющей) части N_В и в интервалах x_F и x_W – число действительных тарелок для нижней (исчерпывающей) части колонны N_И. Общее число действительных тарелок:

Высоту тарельчатой  ректификационной колонны определим  по формуле:

где h – расстояние между тарелками, м

z_в и z_н – расстояние соответственно между верхней тарелкой и крышкой колонны и между днищем колонны и нижней тарелкой, м.

 

7. Гидравлической сопротивление тарелок колонны

Гидравлическое сопротивление  тарелок колонны ΔР_к определяется по формуле:

где ΔР_в и ΔР_н – гидравлическое сопротивление тарелки соответственно верхней и нижней частей колонны, Па

Полное гидравлическое сопротивление складывается из трех слагаемых:

Гидравлическое сопротивление  газожидкостного слоя на тарелках различно для верхней и нижней частей колонны:

Гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

.

4. Расчет

 

1. Пересчет молярных процентов в массовые

Расчет ведем по формулам (1), (2) и (3):

 

2. Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число

Производительность колоны по дистилляту и кубовому остатку  рассчитываем по формулам (6) и (7):

Пересчет 

Определяем минимальное флегмовое число исходя из формулы (9):

 

Используя формулу (8) и по рис. 4 находим значения N и заполняем таблицу 1:

Таблица 1

β	R	N	N(R+1)
1,05	2,52	23	80,96
1,35	3,24	17	72,08
1,75	4,2	14,5	75,4
2,35	5,64	12,5	83
3,3	7,92	11,5	102,58
6,25	15	10	160

По данным таблицы 1 строим график зависимости флегмового числа R от N(R+1):

 

График 1

Минимальное значение N(R+1) соответсвует флегмовому числу R = 3,24. При этом коэффициент избытка флегмы β = 1,35.

Средний мольный состав в верхней и нижней частях колонн определяем по формулам соответственно (14) и (15):

С помощью полученных значений рассчитаем средние мольные  массы жидкости в верхней и  нижней частях колонны по формулам (12) и (13):

Мольную массу исходной смеси определим по формуле (16):

Полученные значения подставим в формулы (10) и (11) и  определим средние массовые расходы в верхней и нижней частях колонны:

Использую рис. 5 по формулам (21) и (22) найдем:

Рассчитаем средние  мольные массы паров в верхней  и нижней частях колонны по формулам (19) и (20):

По формулам (17) и (18) рассчитаем средние массовые потоки пара в верхней и нижней частях колонны:

 

3. Скорость пара и диаметр колонны

 

Найдем плотности жидкости и пара в верхней и нижней частях колонны по формулам (24) и (25):

Полученные значения подставим в формулу (23) и найдем скорость пара в верхней и нижней части колонны:

Плотности жидких бензола  и толуола близки, поэтому можно  принять 

ρ_х,В = ρ_х,Н = ρ_х = 796 кг/м³

В данном случае скорости и мало отличаются друг от друга, используют в расчете среднюю скорость паров, найдем ее по формуле (27):

Средний массовый поток  пара в колонне найдем по формуле (28):

Среднюю плотность паров  найдем по формуле (29):

 

Ориентировочный диаметр  колонны определяют из уравнения  расхода (26):

Выберем стандартный  диаметр колонны d = 2,2 м при этом рабочая скорость пара:

По каталогу для колонны диаметром 2200 мы выбираем колпачковую тарелку типа ТСК-РЦ и ТСК-РБ (ПРИЛОЖЕНИ, стр. 33) со следующими конструкционными параметрами:

Таблица 2

Свободное сечение, м2	3,8
Длина линии  барботажа, м	37,7
Периметр слива LС, м	3,95/2,77
Сечение перелива, м2	0,426/0,464
Свободное сечение  тарелки, м2	0,388
Относительная площадь для прохода паров FC, %	10,44
Масса, кг	308/398

 

4. Высота светлого слоя жидкости на тарелке и паросодержание барботажного слоя

Высоту барботажного слоя находят по формуле (41), для этого  для начала рассчитаем объемный расход жидкости (43) и линейную плотность  орошения (42):

Подставим полученные значения в формулу (41):

Паросодержание рассчитывается по формуле (44), для этого определим  критерий Фруда по формуле (45):

 

5. Коэффициент массопередачи и высота колонны

Коэффициент диффузии в  жидкости при средней температуре рассчитывается по формуле (46). Для этого сначала рассчитаем коэффициент диффузии в жидкости при 20ºС по формуле (47):

Температурный коэффициент  определим по формуле (48):

Коэффициент диффузии в  паровой фазе может быть вычислен по формуле (50):

Для расчета коэффициента массоотдачи в жидкой фазе подставим  значения в формулу (39):

Для расчета коэффициента массоотдачи в паровой фазе подставим  значения в формулу (40):

Пересчитаем коэффициенты массоотдачи по формулам (51) и (52):

Пусть x = 0,6. Коэффициент распределения компонента по фазам (тангенс угла наклона равновесной линии в этой точке) m = 0,77.

Коэффициент массопередачи  вычисляется по коэффициентам массоотдачи  по формуле (38):

Общее число единиц переноса на тарелку находится по формуле (37):

Локальная эффективность  рассчитывается по формуле (36):

Фактор массопередачи  рассчитывается по формуле (34):

Определим число ячеек  полного перемешивания по формуле (54) для этого рассчитаем длину пути жидкости по формуле (53):

Коэффициент m, учитывающий влияние на унос физических свойств жидкости и пара определяют по формуле (55):

Высота сепарационного пространства рассчитывается по формуле (56) для этого необходимо рассчитать высоту барботажного слоя по формуле (57):

По рис. 6 определим  значение уноса e = 3·10^-3кг/кг.

Все полученные значения подставим в формулы (33), (32), (31) и (30):

По формуле (58) определим  концентрацию легколетучего компонента в паре при выходе из тарелки:

Из рис. 7 получаем, что число действительных тарелок в верхней части колонны получилось равно 17 штук, а в нижней – 14 штук. Используя формулу (59):

N = 17 + 14 = 31 штука

Высоту тарельчатой  ректификационной колонны определим  по формуле (60):

H_k = (31-1) · 0,7 + 1,4 + 2,5 = 29,4 м

 

6. Гидравлическое сопротивление тарелок колонны

Гидравлическое сопротивление  тарелок определяется по формуле (61). Для этого рассчитаем полное гидравлическое сопротивление по формуле (62), использую  полученные данные по формулам (63), (64) и (65):

 

5. Вывод

В данной курсовой работе мы ознакомились с принципом работы ректификационных установок. 

Был проведен расчет ректификационной установки непрерывного действия для  разделения смеси бензола и толуола.  По исходным данным мы брали ректификационную колонну тарельчатую колпачковую и рассчитали ее основные геометрический размеры - диаметр и высоту, выбрали оптимальные колпачки.

 

Список используемой литературы

1. Дитнерскй Ю.И., Процессы и аппараты химической технологии., М., изд. «ХИМИЯ», 1995 г
2. Касаткин И.Г., Основные процессы и аппараты химической технологии. М., 1961 г

 

ПРИЛОЖЕНИЕ

Изображение колпачковой  ректификационной колонны

 

 

 

Колпачковая тарелка  типа ТСК-1

 

 

Колпачковая тарелка типа ТСК-Р

 

 

Колпачковая тарелка ТСК-РБ и ТСК-РЦ