Ректификация-курсач

Переливные устройства должны удовлетворять

следующим основным требованиям:

обеспечивать перетекание заданного количества

жидкости с тарелки на тарелку без захлебывания колонны;

обеспечивать достаточную величину гидравлического затвора, исключающую прорыв пара через переливные устройства;

создавать спокойный ввод жидкости на тарелку;

обеспечивать, возможно, более полную дегазацию жидкости, перетекающей с тарелки на

тарелку.

Рис. 4. Варианты схем основных типов переливных устройств тарельчатых колонн: а –

площадь поперечного сечения постоянна по высоте; б

– площадь переливного устройства уменьшается

книзу; в – переток жидкости по трубам.

Основные типы переливных устройств, нашедших практическое применение, представлены

на рис. 4. Вариант «б» предпочтителен, так как при той же пропускной способности по жидкости он позволяет более полно использовать сечение

колонны для размещения контактных элементов

тарелки. Вариант «в» с переточными трубами может

38

с помощью y – х диаграммы, вычерченной в

достаточно большом масштабе. Способ построения рабочих линий и определения числа тарелок описан в основной рекомендуемой литературе [1 – 3].

Замечание 1. В случаях, когда концентрация одного из компонентов очень мала (менее 0,01%)

могут быть использованы логарифмические

координаты [4, с. 42].

Замечание 2. При ректификации идеальных

смесей в условиях незначительного изменения

потоков по высоте колонны число теоретических тарелок можно определить аналитическим путем по методу, предложенному проф. Н.И. Гельпериным и широко описанному в литературе [1, 4].

Основное уравнение для определения числа теоретических тарелок укрепляющей части колонны:

x

2

d

c x

lg

1

ny

c x2

x1 c

,

где d

a a

2

b ;

lg '

1

x

; b

x

c a a2 b ; a

2

.

1

2

2

( 1)R

R

R( 1)

' 1

( 1)(c d)

;

α –

коэффициент относительной

1 d( 1)

летучести;

R – рабочее флегмовое число укрепляющей части

колонны.

см. сноску на стр. 23

31

www.mitht.ru/e-library

Для расчета числа теоретических тарелок в

отгонной части колонны используют уравнение

d'

c' x0

lg

x1

no

c' x1

x0 c'

,

lg ''

d' a'

где

(a')2 b';

c' a' (a')2

b' ;

a'

1

x

;

b'

x

0

;

1

0

2

R'( 1)

R

R'( 1)

'' 1

( 1)(c' d')

; R' 1 (1 R)

x1 x0

.

1 d'( 1)

x2 x1

3.8.

Число

реальных

тарелок

в

ректификационной колонне

Для перехода от теоретических тарелок к

реальным вводят поправочные коэффициенты, учитывающие кинетику процессов, происходящих на

этих тарелках. Существуют различные методы

введения этих поправок, в том числе:

–при помощи общего КПД тарелки;

–при помощи локальных КПД (метод Мерфри);

–при помощи теории массопередачи.

Наиболее распространен метод, основанный на

применении общего (среднего) КПД тарелки в колонне, который выражается как отношение числа

теоретических тарелок nт к числу реальных тарелок n в колонне: η=nт/n. Значения общих КПД колонны

находят опытным путем в производственных условиях

применительно к каждому типу колонн. Величина η зависит от физико–химических свойств разделяемой смеси, условий ректификации, конструкций колонны и т.п. и колеблется в очень широких пределах (от 0,2 до 0,9). Наиболее полно зависимости общего (среднего)

32

	где	mB	0,49	0,06 hж	– коэффициент расхода на
				h

водосливе; В – длина водослива (в данном случае – длина сливной планки на тарелке), м.

Отсюда

V

ж

2/3

h

2g

mB B

Величина h связана

с разностью hж – h

соотношением: h

2

(hж h),

откудаhж

h

3

h.

3

2

Поскольку для расчета h необходимо знать mв (а он зависит от соотношения hж/h), то задача

решается итерационным методом. Задаваясь

значением hж/h на уровне 1,2–1,5, находят mв, далееh (зная Vж и В) и, наконец, hж и hж/ h. При несовпадении полученного значения hж/h с принятым расчет повторяют с новым (полученным) значением hж/h.

Для обычной гладкой сегментной сливной

перегородки максимальная жидкостная нагрузка Vж/В ограничивается величиной 0,02 м3/(м·с). При большей

жидкостной нагрузке, как правило, следует применять двухпоточные (рис. 3,б) и многопоточные тарелки.

Рис. 3. Схема движения жидкости на тарелках.

а – однопоточная тарелка; б – двухпоточная.

37

www.mitht.ru/e-library

Рис. 2. Схема перелива жидкости с одной

тарелки на другую

Статическое сопротивление, зависящее от запаса жидкости на тарелке, определяется по следующей формуле:

рж = КА hж ρж g

где hж – высота слоя жидкости на тарелке (см. на рис.

2), КА – коэффициент аэрации жидкости или относительная плотность парожидкостной смеси,

принимается равным 0,6 – 0,7.

Высота слоя жидкости на тарелке обусловлена

высотой перегородки h (см. рис.2, ее значение

приводится в характеристиках тарелки [13, 15, 16, 17, 31] или принимается равной 0,03 – 0,05 м) и

величиной подпора жидкости над сливной

перегородкой h, которая зависит от расхода

жидкости Vж м3 / с в колонне и может быть найдена из формулы расхода жидкости на водосливе [33]:

Vж mB B h2g h ,

36

КПД тарелок от скорости пара (точнее – от F–

фактора, равного w n0,5 ) приведены в [13, с. 258]. При отсутствии экспериментальных

зависимостей КПД тарелок можно определить с

помощью графика η – α·μж, приведенного о ряде учебников, например в[8 с. 323].

Для колпачковых и ситчатых тарелок рекомендации по определению η можно найти в литературе [4, 11, 13, 17] .

При отсутствии данных по КПД для

рассматриваемого типа тарелок, рекомендуется

внести поправку к рассчитанному для колпачковой тарелки значению, ориентируясь на

сопоставительные данные по эффективности

контактных устройств, приведенных в табл. 1 данного пособия.

В ходе проектирования колонны целесообразно найти общие КПД тарелки в верхнем сечении – η2, в месте подачи питания – η1 и в нижнем сечении – η0. Число реальных тарелок в укрепляющей части колонны nу находят путем деления числа теоретических тарелок в этой части колонны nТу на усредненный общий КПД тарелки, равный

		(	2	)
y				1	.
				2

Аналогичным образом находят число реальных тарелок n0 в отгонной части колонны

n0 nТ0 / 0

где nТ0 – число теоретических тарелок в отгонной

			(	0	)
части колонны;	0				1	– усредненный общий
					2

КПД тарелки для нижней колонны.

33

www.mitht.ru/e-library

Общее число тарелок в колонне равно,

естественно, сумме:

n= nу + nо,

3.9.Гидравлический расчет тарельчатых

колонн

Общее гидравлическое сопротивление одной тарелки любого типа (и в укрепляющей, и в отгонной) выражается суммой:

∆р = ∆рс + ∆рб + ∆рж, Па

где ∆рс – потеря напора пара на преодоление

местных сопротивлений на сухой (неорошаемой) тарелке; ∆рб – сопротивление, вызываемое силами

поверхностного натяжения; ∆рж – статическое

сопротивление слоя жидкости на тарелке. При этом

w02

pc 2 n

где ξ – коэффициент сопротивления; ρп – плотность пара, кг/м3; w0 – скорость газа в отверстиях

тарелки (прорези колпачка, отверстия ситчатых

тарелок и т.п.), м/с. При известной скорости пара в свободном сечении колонны w скорость w0 находится

из уравнения неразрывности (сплошности) потока с учетом доли отверстий тарелки (см. стр. 29).

Коэффициенты сопротивления ξ сухих тарелок

имеют следующие ориентировочные	значения
[4,13,17]:
Колпачковые тарелки с круглыми	4,0 – 5,0
колпачками
Тарелки с туннельными колпачками	4,0 – 6,0
Тарелки Унифлюкс (с S–образными	4,1
элементами)
34

	Клапанная тарелка					3,1 – 3,6
	Ситчатая тарелка со свободным сечением					1,85
	отверстий 5 – 10%
	Ситчатая тарелка со свободным сечением					1,4 – 1,5
	отверстий 15 – 20%
	Провальные «дырчатые» тарелки					2,1
	Провальные решётчатые тарелки					1,4 – 1,5
	Сопротивление,	вызываемое				силами
	поверхностного натяжения		4σ
	pб			,
			dэ

где σ – поверхностное натяжение на границе раздела

пар – жидкость, Н/м (часто принимают для

компонента с большей концентрацией в смеси); dэ – эквивалентный диаметр для прохода пара через отверстия тарелки, м.

В случае колпачковых тарелок при полном открытии прорезей

dэ 4fпр ,

П

где fпр = hпр·b – площадь свободного сечения прорези, м; b – ширина прорези, м; hпр – высота прорези, м; П – периметр прорези, м. Для ситчатых тарелок с

отверстиями d0 и провальных «дырчатых» тарелок; dэ=d0.

Для провальных щелевых (решётчатых) тарелок dэ = 2а, где а – ширина щелей, м.

Для клапанных тарелок при нагрузках, соответствующих параллельному поднятию клапана на высоту h = 14 мм (см.[31] стр.27) над поверхностью тарелки, dэ = 2h.

35

www.mitht.ru/e-library