Проектирование ректификационной установки для непрерывного разделения смеси бензол-толуол

- объемный расход жидкости, м³/с;

S – свободное сечение колонны;

- относительное сечение перелива.

       м/с 

     Для нормальной работы переливного устройства необходимо, чтобы  ,  где - максимально допустимая скорость жидкости в переливе, м/с.

     Для расчета величины рекомендуется следующее соотношение:

 

       м/с.

0.054 м/с < 0.128 м/с – верно. 

6.1.2. Нижняя часть  колонны

     Зададимся скоростью пара м/с и при известном объемном расходе пара рассчитаем диаметр ректификационной колонны:

где V_п = 0.806 м³/с – объемный расход пара;

ω = 1.0 м/с –  скорость пара в свободном сечении  колонны.

   м

       Предварительно  выбираем колонну диаметром D = 1000 мм.

       Линейная  плотность орошения q рассчитывается по соотношению:

 
 

где - массовый расход жидкости, кг/с;

V_x = 0.0054 м³/с – объемный расход жидкости;

L_с.п. = 0.585 м – длина сливной планки, которая определяется по каталогу для выбранного диаметра.

      м³/м*с

     Для определения скорости пара в свободном сечении колонны необходимо рассчитать максимальную (предельную) скорость пара по соотношению:

где ω_мах – максимальная (предельная) скорость пара , отнесенная к единице площади поперечного сечения колонны, м/с;

h – расстояние между тарелками, м;

q – линейная плотность орошения, м³/м*с;

k₁ = 1.20 – коэффициент, зависящий от типа тарелок (для ситчатых);

k₂ = 1 – коэффициент, зависящий от давления в колонне (для атмосферного давления);

k₃ = 1.22 – коэффициент, определяющийся формой планки (для обычного исполнения планки);

ρ_х , ρ_у – плотность жидкости и пара, соответственно, кг/м³.

     Примем  расстояние между тарелками h = 0.5 м. Тогда предельная скорость пара:

      м/с

     Оптимальную скорость пара, отнесенную к единице площади поперечного сечения колонны,  выберем как:

              м/с

     Для выбранной тарелки стандартного диаметра определяют рабочую скорость пара, т.е. скорость пара, отнесенную к единице рабочей площади тарелки S_раб. :

где V_y – объемный расход пара, м³/с;

S_раб. – рабочая площадь тарелки, м².

     Используя , определяем относительное сечение перелива ω_п = 0.0513. Тогда рабочее сечение тарелки будет:

 

где S = 0.785 м² – свободное сечение колонны.

Тогда м².

      м/с

     Найденное значение скорости пара ω_р не должно превышать максимально допустимой скорости пара в рабочем сечении тарелки, ω_мах.р , определяемой по соотношению:

где ω_мах.р – максимально допустимая скорость пара в рабочем сечении тарелки, м/с;

σ = 18.8 – поверхностное  натяжение, мН/м;

В – коэффициент , зависящий от расстояния между тарелками и величины комплекса В’, значение которого определяется по соотношению:

где - массовые расходы жидкости и пара, кг/с.

      

     Тогда, используя  , найдем В:

     

Получили м/с.

Условие выполнено (1.144 < 1.351). 

     Скорость  пара в свободном сечении тарелки  ω_о определяется по формуле:

где ω – скорость пара в свободном сечении колонны, м/с;

w – относительное свободное сечение тарелки.

     Выберем w = 0.1256 для диаметра отверстия d_o = 5 мм и с шагом между отверстиями t = 11 мм.

Тогда м/с.

     Высота  светлого слоя жидкости на тарелке определяется по соотношению:

где h_o – высота светлого слоя жидкости на тарелке, м;

q – линейная плотность орошения, м³/м*с;

h_с.п = 0.025 м – высота сливной планки, м;

ω_р – рабочая скорость пара, отнесенная к единице рабочей площади тарелки, м/с;

μ_х – динамический коэффициент вязкости жидкости, мПа*с;

σ, σ_в – поверхностное натяжение жидкости и воды при температуре в колонне, мН/м;

мН/м;

.

Тогда

     Рассчитаем  критерий Фруда:

здесь ω_р – рабочая скорость пара, отнесенная к единице рабочей площади тарелки, м/с;

h_o – высота светлого слоя жидкости на тарелке, м.

     

     Величина  ε определяется по соотношению:

 

     

     Высота  газожидкостного (барботажного) слоя рассчитывается по уравнению:

где ε – газосодержание барботажного слоя.

      м.

     Минимально  допустимая скорость пара в отверстиях тарелки рассчитывается по соотношению:

где ξ = 1.8 – коэффициент  гидравлического сопротивления  ситчатой тарелки.

      м/с

     Условие выполнено, т.к. 7.27 < 8.997 < 20 м/с.

     Высота  сепарационного пространства определяется по соотношению:

где h – расстояние между тарелками, м;

h_o – высота светлого слоя жидкости на тарелке, м;

k₃ = 0.8 – коэффициент вспениваемости.

      м

     Брызгоунос  для ситчатых тарелок определяется по соотношению Ханта:

где e – брызгоунос, кг/кг;

σ – поверхностное  натяжение, мН/м;

ω – скорость пара в свободном сечении колонны, м/с;

h_c – высота сепарационного пространства, м.

      кг/кг < 0.1 кг/кг – верно.

     Коэффициент сопротивления сухой тарелки  можно рассчитать по формуле:

где d_o – диаметр отверстия, мм;

t – шаг между отверстиями, мм.

     

     Сопротивление сухой тарелки определяется по уравнению:

где ω_о – скорость пара в свободном сечении тарелки, м/с.

      Па

     Гидравлическое  сопротивление газожидкостного  слоя определяется по соотношению:

где ρ_п – плотность пены, кг/м³;

h_г-ж – высота газожидкостного слоя, м;

h_o – высота светлого слоя жидкости на тарелке, м.

      Па

     Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения, возникает при выходе пара из отверстий в слой жидкости и определяется по соотношению:

где σ – поверхностное  натяжение, Н/м:

П – периметр отверстия, м;

f _отв – площадь сечения отверстия, м²;

d_э = d_o – эквивалентный диаметр, м.

      Па

     Гидравлическое  сопротивление тарелки Δр_т можно определить по следующему соотношению:

 

      Па   <  400 Па – верно.

     Чтобы убедиться в том, что колонна  работает без захлебывания, необходимо рассчитать скорость жидкости в переливном устройстве по соотношению:

где - скорость жидкости в переливном устройстве, м/с;

- объемный расход жидкости, м³/с;

S – свободное сечение колонны;

- относительное сечение перелива.

      м/с 

     Для нормальной работы переливного устройства необходимо, чтобы  ,  где - максимально допустимая скорость жидкости в переливе, м/с.

     Для расчета величины рекомендуется следующее соотношение:

 

      м/с.

0.134 м/с < 0.142 м/с – верно.

Основные характеристики выбранной ситчатой тарелки:

Диаметр тарелки  D = 1.0 м;

Исполнение тарелки    2 ;

Расстояние между  тарелками    h = 0.5 м;

Диаметр отверстий   d_o = 0.005 м;

Шаг расположения отверстий    t = 0.011 м;

Периметр слива (длина сливного порога)    L_с.п. = 0.585 м;

Высота сливного порога    h_с.п. = 0.025 м;

Относительное свободное сечение тарелки  ω = 12.56 %;

Относительное сечение перелива      ω_п = 5.13 %. 

     6.2. Расчет высоты колонны

6.2.1. Определение кинетических  параметров (коэффициентов массоотдачи, числа единиц переноса).

6.2.1.1. Для верхней части колонны.

     Рассчитаем  коэффициент диффузии для паровой  фазы по приближенной формуле:

где D_y – коэффициент диффузии паровой фазы;

Т = 366.83 – средняя температура пара, К;

v _A = 96 см³/моль – мольный объем бензола;

v _B = 118.2 см³/моль – мольный объем толуола;

р = 1 атм –  среднее давление в колонне;

М_А = 78.11 , М_В = 92.13 кг/кмоль – молярные массы бензола и толуола соответственно.

     

     Рассчитаем  коэффициент диффузии для жидкости при 20ºС:

А = В = 1 – коэффициенты, зависящие от свойств веществ;

μ _х – динамический коэффициент вязкости жидкости при 20ºС, мПа*с. 

мПа*с

мПа*с

мПа*с 

       

     Температурный коэффициент b может быть определен по эмпирической формуле:

где ρ_х и μ_х – плотность и динамический коэффициент вязкости жидкости соответственно при 20ºС.