56

3.3.2 Анализ режимов работы ректификационной колонны

Составляя материальный баланс верхней и нижней тарелки ректификационной колонны, можно доказать, что линии рабочих концентраций верхней (укрепляющей) MF и нижней (исчерпывающей) FW частей колонны – прямые

(рисунок 3.3).	У

Катеты каждого прямоугольного треугольника, построенные на диаграмме равновесия для определения теоретического числа тарелок, характеризуют из-

менение концентрации фаз на одной тарелке n								Н
							(счет тарелок ведется снизу
вверх):							Б		Т
−	молярная доля летучего компонента в парах yn						увеличивается
	yn = yn −1 + ∆ yn ;									(3.28)
−	молярная доля летучего компонента в жидкости xn							снижается
	р					й∆ x .				(3.29)
	x	n	= x	n +1	−
						n
	го
	Положение рабочих линий ( исуноки3.3) зависит не только от концентра-
	т		п одукта xd, но и от ра схода флегмы в ко-
ции кубового остатка xw и г в
	и	R. В зможны два предельных случая работы
лонну, т.е. от флегмового числа

колонны:
1 – точка F наход тся на д агонали, т.е. рабочие линии совпадают с диагона-
	о				xd		= 0 (формула (3.23)), значит R → ∞. В этом случае по
лью. Отрез к		ON =
	п		зR + 1
определению2 – точка F находится на линии равновесия, т.е. движущая сила массооб-
		флегм вого числа колонна работает сама на себя (отбора готового
продукта не осуществляется). Такой режим используется при запуске колонны
Р					f		f
в работу.
менного процесса				y − y				= 0 , значит, необходима бесконечно большая по-

верхность контакта жидкой и паровой фаз. Нулевой градиент концентраций приводит к прекращению массообменного процесса. В этом случае флегмовое

57
		x	d	− y
число имеет минимальное значение R	=				f	(формула (3.20)). Рабочее
min		y		− x	f
			f

(действительное) флегмовое число принимается больше теоретического (фор-

мулы (3.21) и (3.22)).

От значения флегмового числа R, т.е. от расхода флегмы в колонну, зависят капитальные и эксплуатационные расходы на ректификацию (рисунок 3.5).

Эксплуатационные расходы (линия 1) пря-

У

мо

пропорциональны R

и определяются

руб

Т

расходом теплоносителя (греющего пара) на

год

испарение жидкости в кубе-испарителе. Ка-

Н

3

питальные затраты (кривая 2) в зависимости

Б

2

от R

имеют

минимум,

соответствующий

минимальному рабочему объему колонны.

1

й

Суммарные (приведенные) зат аты в зав -

Rопт

R

симости от

и Rмин

значения флегм го числа

Рисунок 3.5 - Определение опти-

р

мального флегмового числа по ми-

(кривая 3) также будут име ь минимум, ко-

торый в общем случае не

с мини-

нимуму приведенных затрат

совпадает

мумом капитальных а

.

трат

Выбор оптимального варианта ректификационной установки рассмотрен в

главе III данн

и

учебно – методического комплекса.

з

3.3.3 О ределение основных геометрических размеров ректификацион-

го

ной колонны

п

К основным размерам колонны относят ее диаметр и высоту рабочей час-

е

ти. При подборе диаметра должны быть удовлетворены следующие условия:

Р− скорости фаз должны быть меньше скоростей, при

которых наступает за-

хлёбывание колонны;

58

−гидродинамические условия в колонне должны быть такими, чтобы ее массообменная эффективность была близка к оптимальной;

−диаметры колонн должны удовлетворять требованиям существующих стан-

дартов.

У

Диаметр тарельчатой ректификационной колонны можно определить

из уравнения неразрывности, представленного для потока паров, подымающих-

ся по колонне снизу вверх:

Н

D =

V

,

м,

Т

(3.30)

0,785

wп

Б

ρ

п

где V - объемный расход паров, движущихся по колонне, м3/с;

й

V =

Gd (R +1)

;

(3.31)

и

здесь ρп - плотность паров (при средней концентрации в колонне), кг/м3;

wп

- скорость паров,

р

отнесенная к полному поперечному сечению колон-

о

ρ

п

ны, м/с, можно рассчитать по к

еляционному соотношению

т

ρж −ρ

п

,

(3.32)

w

=С

з

п

С

о

0,10

иВ

где

ρж

и

ρп - плотность жидкости и пара

0,08

по средней концентрации в колонне,

кг/м3; С -

0,06

Б

коэффициент, зависящий от конструкции тарелок

Р

п

(колпачковые, ситчатые), расстояния между ними

0,04

е

h, давления в колонне, определяется по графику,

А

0,02

представленному на рисунке 3.6.

100

300

500

700

h, мм

ρж и ρп – плотность жидкости и паров можно

Рисунок 3.6 – Значение коэффи-

определить при средней концентрации жидкости

циента С в формуле (3.32)

А, Б – колпачковые тарелки;

питания аf по формуле:

В – ситчатые тарелки

59

ρ

ж

= ρ

f

= ρ

a f

+ ρ

100 − a f

,

(3.33)

100

a 100

b

здесь ρa и ρb – плотность жидких летучего и нелетучего компонентов сме-

си при температуре tf (табл. III [7]);

tf – температура кипения смеси при кон-

центрации xf .

У

μср 273

Т

ρп =

,

(3.34)

22,4 273 + t

f

Н

здесь μср – средняя молярная масса при концентрации в парах летучего y

f

μср = μа

yf + μb (1 − yf ),

(3.35)

где μа

и

μb

– молярная

й

нелетучего

компонентов

масса летучего и

(табл. XL [7]).

Б

п

Существует и другой вариант определен я скорости паров. Скорость дви-

р

жения паров должна обеспечивать на более оптимальные условия процессов,

о

происходящих

на

контактных устиойствах. Она находится в диапазоне

т

сть паров может быть определена по графи-

w = 0,3...3,0

м/ с. Допустимая ск

и

ку (рисунок 3.7) [2].

з

о

п

е

Р

Плотность, кг/м3

Рисунок 3.7 – График для определения допустимой скорости пара

60

Скорость определяется расстоянием между тарелками h ,

которое зависит

от диаметра колонны и принимается из ряда 200; 250; 300; 350; 400; 450 и т.д.

до 900 мм.

Рабочая скорость паров

ωр = (0,8...0,9)ωпр

(3.36)

Определив

диаметр

колонны

У

по формуле (3.30), необходимо выбрать

Т

стандартный диаметр из типоразмерного ряда: 400, 500, 600, 800, 1000, 1200,

1400 и т.д. через 200 мм до 4000 мм.

Н

Определение высоты колонны

Б

Общая высота колонны

й

H = Hт + Hсеп + Hкуб

,

(3.37)

и

где Hт , Hсеп

и Hкуб

- высота тарельчатой части колонны,

сепарационного

р

пространства над верхней тарелкой

кубаспарителя, соответственно.

число

Высота тарельчатой части колонны

т

Hт = h (nд −1),

(3.38)

и

арел к; h - расстояние между тарелками.

здесь nд - действительное

з

Минимальное расс оян е между тарелками определяется из такого расче-

та, чтобы давлен е столба ж дкости в переливной трубе было несколько боль-

ше гидравлическ го сопротивления тарелки.

п

Расст яние между тарелками должно отвечать неравенству:

о

h

>0,19

∆р

,

(3.39)

Р

ρж

где∆р - гидравлическое сопротивление тарелки, МПа;

ρж - плотность

жидкости, кг/м3.

Во избежание уноса жидкости в виде брызг расстояние между тарелками нужно брать тем больше, чем выше скорость пара. Но с увеличением расстоя-

h =0,2...0,9 м

61

ния h увеличивается высота, а значит стоимость колонны. Обычно принимают из следующего ряда 200; 250; 300; 350; 400; 450 и т.д. до 900 мм.

В зависимости от диаметра колонны расстояние между тарелками с точки зрения оптимальной конструкции колонны (масса, приведенные затраты) мо-

жет быть принято из следующей таблицы:

У

D, мм

< 0,8

0,8…1,6

1,6…2,0

2,0…2,4

> 2,4

h, мм

200…350

350…400

400…500

500…600

≥ 600

Н

Высота части ректификационной колонны, расположеннаяТвыше верхней

Б

тарелки или верхнего слоя насадки является сепарационным пространством

й

= (0,5...1,0) D .

и ориентировочно может быть принята равной

Hсеп

и

Высота кубовой части ректификационной колонны может быть принята

равной Hкуб =

(2...3) D - для колонн д аметром 400…800 мм и

Hкуб = (1...2) D -

р

для колонн большого диаметра (≥ 1000 мм).

о

нст

3.3.4 Особенности к

уктивного исполнения и расчета элементов

ректификационных колонн

и

Колонные аппара ы

зго авливают в царговом (на фланцах) или в цельно-

сварном

з

исполнен

Тарелки диаметром 400, 500, 600 и 800 мм выполняют неразборными и ус-

п

танавливают в царгу от 2 до 6 штук. Все детали неразборной тарелки крепят к

е

основанию, наружный диаметр которого на 20 мм меньше внутреннего диа- Рм тра колонны. Колонные аппараты диаметром ≥ 1000 мм изготавливают преимущ ств нно с цельносварным корпусом и съемной верхней крышкой. Если длина аппарата является препятствием для его транспортировки, необходимо предусмотреть фланцевые разъемы (железнодорожная платформа четырехосного вагона имеет длину 14,1 м, если длина колонны 14,1…2,7 м, то ее транспор-

тируют на трех железнодорожных платформах).

62

Корпус цельносварной колонны должен снабжаться люками для монтажа и обслуживания тарелок. Рекомендуется располагать люки через 12 тарелок для чистых сред и через 6 тарелок для загрязненных.

Колпачки (для колпачковых тарелок) бывают круглые, шестиугольные, прямоугольные. Круглые колпачки имеют диаметр 60…100 мм. Ширина прямоугольных колпачков 70…150 мм. Например, для колпачковых тарелок типа

ТСК-1:

Н

Диаметр колонны, мм

400

500

600

800

У1000

Число колпачков

7

13

13

24

37

Б

Т

Диаметр колпачка, мм

60

60

80

80 80

Общая площадь паровых патрубков под колпачками для прохода пара со-

ставляет 10…20 % свободного сечения колонны. Площадь для прохода пара

й

под колпачками (в промежутке между патрубком и колпачком должна быть

сечения

патрубка).

примерно равной площади проходного

р

Переливные трубы рассчитываются по скорости флегмы в них, которая

принимается 0,15…0,20 м/с.

Общая

площадь

слива

составляет примерно

5…10 % свободного сечения к л нны. Нижнюю тарелку снабжают гидрозатво-

ром для беспрепятственн го слива жидкости с тарелки в куб. С этой целью

нижний конец перел вной орубы либо погружают в слой кубовой жидкости,

либо опускаю в пр емныйстакан.

Насадочные колонны выполняются диаметром 400…800 мм (царговые) и

и

1000…3600 ммз(цельносварные). Применяют насадки:

−

регулярные (правильно уложенные), например, хордовая насадка, кольца

о

Рашига ри равильной укладке;

−

п

б спорядочные (засыпаемые внавал), например, кольца Рашига, седлообраз-

е

ная, кусковая насадка и др.

Р

В настоящее время преимущественное применение находят кольца Раши-

га, изготовленные из керамики или металла.

63

Размер элементов насадки следует выбирать с учетом диаметра колонны. Оптимальное отношение диаметра колец Рашига к внутреннему диаметру ко-

лонны ~ 0,033.

Кипятильник ректификационной колонны может быть (рисунок 3.8):

−выносным;

−встроенным в нижнюю часть колонны.

								У
							Т
	Колонны с выносными кипятильниками (рисунок 3.8, д, е) наиболее рас-
						Н
пространены, т.к. позволяют использовать в качестве кипятильника стандарт-
ные теплообменные аппараты с любой поверхностью теплообмена, который
удобен в монтаже и обслуживании.					Б
	Встроенный кипятильник (рисунок 3.8, а, б, в, г) обеспечивает компак т-
				й
ность установки, но затрудняет размещение больших поверхностей теплообме-
			и
на, поэтому применяется для колонн малого д аметра.
		р
	о
	т
	и
	з
е
	Рисунок3.8 – Варианты включения кипятильника в ректификационной
Р	установке
	па – куб со змеевиковым кипятильником; б – куб с кипятильником из горизон-

тальных прямых труб; в - куб с кипятильником из U-образных труб; г – куб с греющей камерой из вертикальных труб и с циркуляционной трубой; д – куб с выносным вертикальным кожухотрубным кипятильником; е – куб с выносным горизонтальным кожухотрубным кипятильником

При установке выносных кипятильников необходимо придерживаться следующих рекомендаций: