| |||||
МЕНЮ
| Курсовая работа: Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуолПитание: , где (2.17) – мольные массы бензола и толуола. Дистиллят: (2.18) Кубовый остаток: (2.19)
Рис. 2.15. К составлению материального баланса ректификационной колонны: 1 – куб–испаритель; 2 – колонна; 3 – дефлегматор. 2.2. Расчет флегмового числаНагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются рабочим флегмовым числом R (R=Ф/D). Используют приближенные вычисления, основанные на определении коэффициента избытка флегмы (орошения) Z=R/Rmin. Здесь Rmin – минимальное флегмовое число: , где (2.20) хF и хD – мольные доли легколетучего компонента соответственно в исходной смеси и дистилляте, кмоль/кмоль смеси; y*F – концентрация легколетучего компонента в паре, находящемся в равновесии с исходной смесью, кмоль/кмоль смеси. Один из возможных приближенных методов расчета R заключается в нахождении такого флегмового числа, которому соответствует минимальное произведение N´(R+1), пропорциональное объему ректификационной колонны (N – число ступеней изменения концентраций или теоретических тарелок, определяющее высоту колонны, а (R+1) – расход паров и, следовательно, сечение колонны). При отсутствии данных о коэффициенте избытка флегмы для разделяемых смесей можно применять эмпирическую зависимость: R=1,3·Rмин+0,3 (2.21) Более точный метод расчета Rопт предполагает знание приведенных затрат и учет расходов, связанных с подачей сырья и подводом теплоты в колонну и организацией ее орошения, а также стоимость колонны и вспомогательного оборудования. Рис. 2.16. К определению оптимального флегмового числа: 1 – эксплуатац. расходы; 2 – капитальные затраты; 3 – общие затраты на ректификацию. 2.3. Уравнения рабочих линийy= (2.22) Зависимость (2.22) является уравнением рабочей линии укрепляющей части колонны. В этом уравнении – тангенс угла наклона рабочей линии к оси абсцисс, а – отрезок, отсекаемый верхней рабочей линией на оси ординат. , где f=F/D (2.23) Зависимость (2.22) представляет собой уравнение рабочей линии исчерпывающей части колонны. В этом уравнении – тангенс угла наклона рабочей линии к оси ординат, а – отрезок, отсекаемый нижней рабочей линией на оси абсцисс. Умножив числитель и знаменатель выражений для А' и А на количество дистиллята D, можно заметить, что они представляют собой отношения количеств жидкой и паровой фаз, или удельный расход жидкости, орошающей данную часть колонны. 2.4. Определение числа тарелок и высоты колонныНаносим на диаграмму y–x рабочие линии верхней и нижней части колонны рис. 2.17 и находим число ступеней изменения концентрации nТ. Рис. 2.17. Графическое определение числа теоретических тарелок: ОE – равновесная кривая, АВ и ВС – рабочие линии для укрепляющей в исчерпывающей частей колонны, 1–6 – тарелки. Число тарелок рассчитывается по уравнению: (2.24) Для определения среднего к.п.д. тарелок находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов при средних температурах для верхней и нижней частей колонны: Для верхней части: (2.25) Для нижней части: (2.26) Величина среднего к.п.д. тарелок , который зависит от многих переменных величин (конструкция и размеры тарелки, гидродинамические факторы, физико-химические свойства пара и жидкости). На рис. 2.18 приведены значения среднего к.п.д. тарелок, полученные по опытным данным для промышленных ректификационных колонн сравнительно небольшого диаметра. По оси абсцисс на этом графике отложены произведения коэффициента относительной летучести разделяемых компонентов α на динамический коэффициент вязкости жидкости питания μ (в мПа·с) при средней температуре в колонне. 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
Ø 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) Ø 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) Ø Средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны: а) в верхней части колонны: (2.38) б) в нижней части колонны: (2.39) Ø 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) Ø Определение средней плотности пара в верхней и нижней частях колонны: (2.42) (2.43) Ø Средняя плотность пара в колонне: Ø (2.44) Ø Средняя плотность жидкости в колонне: Ø (2.45) Ø Определение средней плотности жидкости в верхней и нижней частях колонны: (2.46) (2.47) Ø Определение мольной массы исходной смеси и дистиллята: (2.48) (2.49) Ø Расчет средних массовых расходов по жидкости для верхней и нижней частей колонны: Ø (2.50) (2.51) Ø Расчет средних массовых расходов пара для верхней и нижней частей колонны: (2.52) (2.53) 2.6. Определение скорости пара и диаметра колонныЭффективность 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 колоннПри 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: а) в верхней части колонны: (2.69) б) в нижней части колонны: , где (2.70) hпер – высота переливного порога Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке в верхней и нижней частях колонны: а) в верхней части колонны: (2.71) б) в нижней части колонны: (2.72) 2.8. Расчет числа действительных тарелок графоаналитическим методом (построением кинетических линий) Эффективность тарелки по Мэрфи: (2.73) (2.74) (2.75) , где (2.76) Ey – локальная эффективность по пару; e – межтарельчатый унос жидкости; θ – доля байпасирующей жидкости; S – число ячеек полного перемешивания; m – коэффициент распределения компонента по фазам в условиях равновесия; λ=m(R+1)R – фактор массопередачи для укрепляющей части; λ=m(R+1)/(R+f) – фактор массопередачи для исчерпывающей части. Локальная эффективность по пару: , где (2.77) – число единиц переноса по паровой фазе на тарелке (2.78) – скорость пара в рабочем сечении тарелки (2.79) – рабочее сечение тарелки – коэффициент массопередачи (2.80) βxf, βyf – коэффициенты массоотдачи, отнесенные к единице рабочей площади тарелки для жидкой и паровой фаз (2.81) (2.82) Критерий Фруда: а) в верхней части колонны: (2.83) б) в нижней части колонны: (2.84) Паросодержание барботажного слоя: а) в верхней части колонны: (2.85) б) в нижней части колонны: (2.86) Высота светлого слоя жидкости: (2.87) Удельный расход жидкости на 1м ширины переливной перегородки для верхней и нижней частей колонны: а) в верхней части колонны: (2.88) б) в нижней части колонны: , где (2.89) b – ширина переливного порога Коэффициент диффузии в жидкости при средней температуре в верхней и нижней частях колонны: |
ИНТЕРЕСНОЕ | |||
|