3.4. Скорость пара и диаметр тарельчатых ректификационных колонн

3.4.1. Допустимую оптимальную скорость пара в тарельчатой колонне рассчитывают отдельно для верхней и нижней части колонны по формуле:

(3.34)

где С – коэффициент, зависящий от конструкции тарелок и расстояния между тарелками, рабочего давления и нагрузки по жидкости. Его определяют по графику [2, c.323];

ρ_ж, ρ_п – плотность жидкости и пара в верхней (нижней) части колонны.

3.4.2. Расстояние между тарелками h выбирают на основании опытных данных.

В ректификационных колоннах с круглыми колпачками расстояние между тарелками равно 250, 300, 400, 450 мм [6, c.209].

3.4.3. Диаметр колонны рассчитывается для верхней и нижней части

, (3.35)

3.5. Высота тарельчатых ректификационных колонн

Высоту тарельчатых ректификационных колонн определяют для верхней (укрепляющей) и нижней (исчерпывающей) части колонны

Н_в= (h+δ_Т) (3.36)

Н_н= (h+δ_Т) (3.37)

где и – число действительных тарелок в верхней и нижней части колоны;

h – расстояние между тарелками;

δ_Т – толщина тарелки, δ_Т = 0,01 м.

Для определения числа действительных тарелок необходимо найти число теоретических тарелок.

3.5.1. Число теоретических тарелок (ступеней изменения концентраций) находят графически по диаграмме y — x следующим образом:

- строят на диаграмме линию равновесия, рабочие линии укрепляющей и исчерпывающей части колонны (приложение 4);

- путем построения ступеней между рабочей и равновесной линией определяют число теоретических тарелок (теоретических ступеней изменения концентрации) для верхней и нижней части колонны. Ступени изменения концентраций строят путем проведения горизонтальных и вертикальных отрезков между рабочей линией и линией равновесия, начиная с точки пересечения нормали из x_р с диагональю прямоугольника.

Число действительных тарелок можно рассчитывать двумя методами:

а) через КПД тарелки;

б) путем построения кинетической кривой.

3.5.2. Число действительных тарелок, определяемое через КПД тарелки.

В процессе ректификации не достигается полного равновесия на тарелках, как это предполагается при графическом построении ступеней изменения концентрации. Поэтому для определения числа действительных тарелок необходимо установить степень отклонения от равновесия, т.е. найти КПД тарелки.

Тогда число действительных тарелок составит

(3.38)

КПД тарелки изменяется в пределах η = 0,3… 0,8.

При выборе значения КПД тарелки можно пользоваться обобщенным опытным графиком зависимости КПД от произведения относительной летучести α на вязкость μ, где μ рассчитывается в [мПа·с] при средней температуре пара в колонне –

(3.39)

где Р_А, Р_В – давление насыщенного пара компонентов при средней температуре в колонне, мм рт.ст.

(3.40)

Динамический коэффициент вязкости исходной смеси μ_см находят по уравнению

(3.41)

где μ_см в спз.

При определении среднего КПД тарелок в колоннах большого диаметра с длиной пути жидкости (l > 0,9 м) рекомендуют к значениям η давать поправку Δ

η_l = η(1+Δ) (3.42)

Значения поправки Δ находят по графику в [2, c.324].

3.5.3.Число действительных тарелок, определяемое методом построения кинетической кривой.

Наиболее точным методом определения числа действительных тарелок, с учетом рабочих концентраций в колонне, является метод построения кинетической кривой.

Число действительных тарелок в тарельчатой колонне определяют путем построения ступенчатой линии между рабочей линией и кинетической кривой, которая располагается между рабочими линиями и линией равновесия (приложение 5).

Кинетическая кривая – есть линия, проведенная через геометрические места точек (В_i ), полученные путем отложения отрезков С_iВ_i вниз от линии равновесия. Длина отрезков С_iВ_i зависит от коэффициента извлечения Е_i и находят ее из соотношения

(3.43)

Величины отрезков A_iC_i, заключенных между рабочими линиями и линией равновесия, определяют по диаграмме y–x.

Коэффициент извлечения Е_i вычисляют аналитически

Е_i =exp(n_yi)

Кинетическая кривая строится в следующей последовательности:

а) линия равновесия на диаграмме разбивается на равные участки вертикальными линиями, проведенными через точки x₁=0,1; x₂=0,2 и т.д.;

б) для каждого участка определяют тангенс угла наклона кривой равновесия m для верхней и нижней части колонн

(3.44)

в) находят коэффициент массопередачи для каждого участка К_уi, который зависит от угла наклона кривой равновесия, причем этот угол является переменной величиной

(3.45)

где β_пi и β_жi – коэффициенты массоотдачи в паровой и жидкой фазе для верхней и нижней части колонны;

β_п= (3.46)

Nu_п=0,79Re_п+11000 (3.47)

(3.48)

где ω_п – скорость пара для верхней и нижней части колонны м/с;

h = 1 м – определяющий размер, принятый при обработке опытных данных;ъ

ρ_п – средняя плотность пара для верхней и нижней части колонны, кг/м³;

μ_п – динамический коэффициент вязкости смеси пара, Па·с;

(3.49)

Д_п – коэффициент диффузии, м²/с;

(3.50)

где p – давление (абсолютное), кгс/см²;

υ_A ,υ_В – молекулярные объемы компоненты;

М_А ,М_В – молекулярные массы компонентов.

(3.51)

Число Нуссельта для жидкости

(3.52)

Число Прандтля

(3.53)

Молекулярная масса

М_ж=x_срМ_А+(1-x_ср)М_В (3.54)

где x_ср – средний молекулярный состав жидкости для верхней и нижней части колонны;

μ_В – динамический коэффициент вязкости смеси жидкости, Па·с.

Коэффициент диффузии газа в жидкости при температуре t ^оС

(3.55)

где Д₂₀ – коэффициент диффузии при 20^оС,

(3.56)

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

μ_ж – динамический коэффициент вязкости жидкости при 20^оС, мПа·с;

в – температурный коэффициент, в = ;

μ – вязкость жидкости при 20^оС, Па·c;

ρ – плотность жидкости при 20^оС, кг/м³;

г) определяют число единиц переноса для каждого участка

(3.57)

где t_ср – средняя температура пара на i-ом участке (определяют по диаграмме t-х,у);

д) определяют коэффициент извлечения для каждого участка

Е_i =exp(n_yi) (3.58)

е) вычисляют отношения величин отрезков А_iC_i к коэффициентам извлечения Е_i

(3.59)

ж) полученные точки, расположенные на концах отрезков С_iВ_i, соединяют и получают кинетическую кривую. Потом строят ступени изменения концентраций. Число ступеней ломаной линии, которая состоит из горизонтальных и вертикальных отрезков, проведенных между кинетической кривой и рабочей линией, соответствует числу действительных тарелок.

3.5.4. Расстояние между тарелками h следует выбирать таким образом, чтобы можно было свести к минимуму механический унос парами частиц жидкости. Величина уноса зависит от многих факторов и не поддается точному теоретическому расчету. Потому расстояние между тарелками выбирают на основании опытных данных.

Для выбора значений h в зависимости от диаметра можно использовать следующие опытные данные:

Д(м)	0…0,6	0,6…1,2	1,2…1,8	1,8 и более
h (мм)	152	305	460	610

В ректификационных колоннах с круглыми колпачками, работающих при атмосферном давлении, принимают расстояние между тарелками 250, 300, 350, 400, 450 мм.

3.5.5. Общая высота колонны

Н = h^в + h^н (3.60)