107_2011

Рис. 4.12. К построению рабочей линии абсорбера:

AB – рабочая линия Y = f (X ); Y * = f (X ) – линия равновесия

4.17.4. Расчет размеров абсорбера

4.17.4.1. Расчетный диаметр абсорбера колонного типа Dр, м, определяется по формуле

D =

4V

,

(4.389)

р πwр

где V – объемный расход газовой фазы (смеси) через абсорбер при рабочих услови- ях, м3/с; wр – расчетная рабочая скорость газовой фазы в абсорбере, м/с.

4.17.4.2. При невысоком содержании абсорбата в исходной газовой смеси объемный расход ее мало меняется по длине (высоте) абсорбера. Поэтому при yн < 0,1 кмоль А/кмоль ГС величину V для расчетов по уравнению (4.389) можно принять равной объемному расходу газовой смеси на входе в абсор- бер Vн, м3/с,

V = 22,4G		T	P0	,	(4.390)
н	н T P
		0

где T и T0 – рабочая температура в абсорбере и нормальная термодинамическая температура соответственно, К; P0 и P – нормальное атмосферное давление и ра- бочее давление в абсорбере соответственно, Па.

4.17.4.3. Для насадочных абсорберов с насадкой, загруженной внавал, ско- рость wр принимается в пределах от 70 до 90% от скорости захлебывания (пре- дельной скорости) wз, м/с, которую рассчитывают по зависимости

111

w2σρ				μ0,16
lg	з	y		x		= A −
		3
			ρx
		gε

		L	M	0,25		ρ	0,125		(4.391)
B							x	,
	GM					ρy

где σ – удельная поверхность насадки, м2/м3; ρy – плотность газовой фазы при рабочих условиях, кг/м3; μx – динамическая вязкость жидкой фазы при ра- бочей температуре, мПа с; g – ускорение свободного падения, м/с2; ε – относи- тельный свободный объем насадки, м3/м3; ρx – плотность жидкой фазы при ра- бочей температуре, кг/м3; A и B – коэффициенты, величина которых зависит от типа насадки и размера насадочных тел; LM и GM – массовые расходы жид- кой и газовой фаз через абсорбер соответственно, кг/с.

Значения σ и ε, а также эквивалентный диаметр насадки dэ, м, зависят от типа насадки, размера насадочных тел, материала, из которого изготовлена на- садка. Эти значения для некоторых широко распространенных насадок приведены в справочном приложении настоящего пособия.

Вследствие изменения составов фаз в абсорбере плотности газовой смеси и жидкости по длине аппарата меняются. При невысоких содержаниях абсорбата

в них ( yн < 0,1 кмоль А/кмоль ГС, xк < 0,1 кмоль А/кмоль Ж) можно принять до- пущения при расчетах по формуле (4.391): ρy соответствует плотности газовой смеси на входе в абсорбер; ρx соответствует плотности чистого абсорбента.

Для насадочных тел, загруженных внавал: в виде колец A = −0,073, B = 1,75; колец Палля A = −0,49, B =1,04; седел размером 25 мм A = −0,33, B =1,04; седел размером 50 мм A = −0,58, B =1,04.

Для снижения погрешности расчетов по формуле (4.391) при одновременном упрощении их расходы LM и GM рекомендуется принимать как массовый расход отработанного абсорбента и массовый расход исходной газовой смеси соответственно:

LM = LкMxк;	(4.392)
GM = GнM yн,	(4.393)

где Mxк и M yн – молярные массы отработанного абсорбента и исходной газовой смеси соответственно, кг/кмоль.

	Mxк = MАxк + MЧА (1 − xк );	(4.394)
	M yн = MА yн + MГН (1 − yн ),	(4.395)
где MА , MЧА , MГН	– молярные массы абсорбата, чистого	абсорбента и газа-
носителя соответственно, кг/кмоль.

При xк < 0,02 кмольА/кмольЖ допускается принимать приближенно Mxк ≈ MЧА , при yн < 0,02 кмоль А/кмоль ГС допускается принимать M yн ≈ MГН (за исключени- ем случая, если газ-носитель – водород).

4.17.4.4. Для колонных абсорберов с ситчатыми и колпачковыми тарелками расчетная рабочая скорость определяется по зависимости

w = C

ρx −ρy

,

(4.396)

р ρy

где C – коэффициент, величина которого зависит от типа тарелки и межтарельча- того расстояния hт.

112

Значения C можно определить по рис. 4.13.

Рис. 4.13. Значение константы С в формуле (4.396): А, Б – колпачковые тарелки с круглыми колпачками; В – ситчатые тарелки

Значения ρx и ρy рекомендуется принимать с теми же допущениями, что и при расчете wз для насадочного абсорбера.

4.17.4.5. Полученный по формуле (4.389) Dр округляется до ближайшего стан- дартного диаметра колонного аппарата (обычно с запасом). Ряд стандартных диа-

метров колонных аппаратов Dк, м: 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2,0; 2,2; 2,4; 2,6; 2,8; 3,0; 3,2; 3,6.

После приведения диаметра абсорбера к стандартному значению при необхо- димости рассчитывается действительная рабочая скорость газа на полное попереч- ное сечение аппарата w, м/с,

	D 2		(4.397)
w = wр	р	.
	Dк

4.17.4.6. Высоту контактной части абсорбера рассчитывают по методикам и в со- ответствии с рекомендациями, которые изложены в подпунктах 4.16.6.2–4.16.6.6 под- раздела 4.16 настоящего пособия. При этих расчетах межтарельчатые расстояния для колонн с ситчатыми и колпачковыми тарелками обычно принимают в пределах от 0,25 до 0,60 м (через 0,05 м). Расчетную высоту насадки округляют в большую сторону с точностью 0,5 м. При необходимости при большой высоте насадки ее секционируют – разделяют на несколько последовательно расположенных слоев.

113

4.17.4.7. Производя расчеты высоты контактной части насадочного абсорбера с на- садкой, загруженной внавал, коэффициент массоотдачи в газовой фазе βy , кмоль А/(м2 с кмоль А/кмоль ГС), можно определить по критериальной зависимости:

	Nu′y	= 0,407		ρy		Re0,655y (Pry′)0,33 ,		(4.398)
			My
где ρy	– плотность газовой фазы при рабочих условиях, кг/м3; M y							– молярная мас-
са газовой фазы, кг/кмоль; Rey		– число Рейнольдса для газовой фазы.
		Re	y	=	4wρy		,	(4.399)
						σμ
						y
где μy	– динамическая вязкость газовой смеси, Па с.

Для насадочного аппарата коэффициент массоотдачи в жидкой фазе βx , кмоль А/(м2 с кмоль А/кмоль Ж), рассчитывают по критериальной зависимости:

	Nu′x = 0,0021	ρx			Re0,75x		(Prx′)0,5 ,	(4.400)
		Mx
где ρx	– плотность жидкой фазы, кг/м3;				Mx		– молярная масса	жидкой фа-
зы, кг/кмоль; Rex – число Рейнольдса для жидкой фазы.
	Rex =		4LM			,		(4.401)
			Sσψμx

где S = πD4к2 – площадь поперечного сечения колонны, м2; ψ – коэффициент смо-

ченности насадки.

Значение ψ в основном зависит от удельной поверхности насадки и плотности

орошения U, м3/м2,		LV
	U =			,		(4.402)
		S
где L – объемный расход жидкости, м3/с.
V
	L =	LM .				(4.403)
	V	ρ
		x
4.17.5. Гидравлический расчет абсорберов
4.17.5.1. Гидравлическое	сопротивление орошаемого насадочного					абсорбера
Pор, Па, рассчитывают по формуле
	Pор = A Pсух ,					(4.404)
где A – коэффициент; Pсух	– гидравлическое сопротивление данного слоя неоро-
шаемой (сухой) насадки, Па.
Значение Pсух определяют по зависимости
		H ρyw2				(4.405)
	Pсух = λ d				,
				2ε2
		э

где λ – эффективныйкоэффициенттрениядляпотокагаза, движущегосявслоенасадки.

114

Для слоя насадки, засыпанной внавал:

– при Rey < 40

λ =	140 ;		(4.406)
	Rey
– при Rey ≥ 40
λ =	16	.	(4.407)
	Re0,2y
При плотности орошения в абсорбере U ≤ 0,02 м3/(м2 с) коэффициент A может
быть рассчитан по формуле Лева:
A =10bU ,			(4.408)

где b – коэффициент, величина которого зависит от типа насадки и размера наса- дочных тел.

Для некоторых типов насадок значения коэффициента b приведены в табл. 4.4.

	Значения коэффициента b для насадок			Таблица 4.4
Тип насадки		Способ	Размер	b
		укладки насадки	насадочных тел, мм
Кольца Рашига		Упорядоченно	50	173
			80	144
			100	119
		Внавал	25	184
			50	169
Кольца Палля		Внавал	50	126
Седла «Инталлокс»		Внавал	25	33
			50	28
Седла Берля		Внавал	25	30

При U > 0,02 м3/(м2 с) коэффициент A рекомендуется рассчитывать по формуле

L

M

0,4

ρ

0,23

(4.409)

A =1 + 8,4

x .

GM

ρy

4.17.5.2. Гидравлическое сопротивление тарельчатого абсорбера

Pа, Па, сле-

дует рассчитывать по формуле

Pа

=

PтN,

(4.410)

где

Pт

– гидравлическое сопротивление тарелки, Па.

Для ситчатых и колпачковых тарелок

Pт = Pс +

Pσ +

Pгж ,

(4.411)

где

Pс

– гидравлическое сопротивление сухой тарелки, Па; Pσ – гидравлическое

сопротивление, обусловленное преодолением сил поверхностного натяжения жид-

115

кости, Па; Pгж – гидравлическое сопротивление, обусловленное гидростатическим давлением столба газожидкостной смеси на тарелке, Па.

			ρ w2			,		(4.412)
	P = ξ		y
			2f 2
	с
			св
где ξ – коэффициент сопротивления тарелки;						fсв	– относительное свободное сече-
ние тарелки, м2/м2.
Значения ξ и fсв зависят от типа и исполнения тарелки. Для ситчатых таре-
лок при f	от 0,07 до 0,10 м2/м2 принимают ξ =1,82, при f							от 0,10 до 0,25 м2/м2 –
св							св
ξ =1,45. Для колпачковых тарелок принимают ξ							от 4,5 до 5,0, для решетчатых
и дырчатых провальных – от 1,4 до 1,5.
	P =	4σx		,				(4.413)
	σ		dэ

где σx – поверхностное натяжение жидкости, Дж/м2; dэ – эквивалентный диаметр отверстия тарелки (прорези в колпачке) для прохода газа, м.

Для решетчатых тарелок и колпачков с прямоугольными прорезями dэ = 2b, где b – ширина щели (отверстия) решетчатой тарелки или ширина прорези в стенке колпачка, м.

Для ситчатой тарелки Pгж можно вычислить по формуле

	Pгж = 0,65ρx g (hп +		h),	(4.414)
где hп	– высота сливного порога (переливного порога, переливной планки) тарел-
ки, м;	h – уровень жидкости на сливном пороге, м.
Высота сливного порога из нормализованного ряда размеров (в миллиметрах):
25; 32; 40; 50; 60. Значение h рассчитывают следующим образом:
		2
		L 3	,	(4.415)
	h ≈1,05	V
		П

где П – периметр слива (длина сливного порога) тарелки, м.

Рис. 4.14. К расчету гидравлического сопротивления колпачковой тарелки: 1 – полотно (основание) тарелки; 2 – патрубок; 3 – колпачок; 4 – сливной порог

116

Для колпачковой тарелки Pгж рассчитывают по формуле

Pгж = 0,65ρx g (l + 0,5e + h),

(4.416)

где l – расстояние от верхнего уровня прорезей в стенке колпачка до уровня слив- ного порога (см. рис. 4.14), м; e – высота прорезей, м.

4.18.ПЕРЕГОНКА И РЕКТИФИКАЦИЯ

4.18.1.Основные определения

Перегонка и ее разновидность ректификация предназначены для разделения гомогенных жидких смесей, компоненты которых отличаются летучестью (темпе- ратурой кипения), на продукты, обогащенные в большей мере, по сравнению с ис- ходной смесью, низкокипящим (низкокипящими) НК и высококипящим (высоко- кипящими) ВК компонентами. Продукт разделения, обогащенный НК, называют дистиллятом, а продукт, обогащенный ВК, – остатком (кубовым остатком). НК на- зывают еще легколетучим компонентом, а ВК – труднолетучим. Простая перегонка основана на однократном частичном испарении исходной смеси с последующей конденсацией полученного пара. Конденсат полученного при этом пара обогащен НК и представляет собой дистиллят.

Для получения дистиллята с высоким содержанием НК и кубового остатка с высоким содержанием ВК в промышленных условиях в основном используют рек- тификацию. При ректификации неравновесные паровая и жидкая фазы движутся, взаимодействуя, в аппарате противоточно. Жидкая фаза насыщается ВК за счет его конденсации из паровой, а паровая – обогащается НК за счет его испарения из жидкости.

Бинарной ректификацией называют ректификацию двухкомпонентных (бинарных) смесей. Состав исходного продукта, продуктов разделения – дистиллята и кубового остатка, а также фаз выражают через содержание

вних НК. Наиболее компактные и удобные в использовании расчетные зави- симости и уравнения при этом получаются, если содержание НК выражено

вмолярных долях.

Впоследующем материале подраздела представлены теоретические по- ложения, уравнения, указания, рекомендации и другие методические мате- риалы, которые применяются при расчетах непрерывной бинарной ректи- фикации.

4.18.2. Равновесие в системе жидкость – пар при перегонке и ректификации

При расчетах бинарной ректификации (перегонки) равновесие в системе жид- кость – пар описывают преимущественно x −y-диаграммой и t−x−y-диаграммой. Вид данных диаграмм для смеси двух неограниченно взаиморастворимых жидко- стей, не обладающих свойством образовывать азеотропную смесь, представлен

117

на рис. 4.15 и 4.16. Как правило, указанные диаграммы строят, используя справоч- ные данные по равновесию. При отсутствии данных по равновесию для заданной сме- си значения величин, необходимых для построения x−y- и t−x −y-диаграмм, получают расчетным путем, используя закон Рауля.

Рис. 4.15 x−y-диаграмма для двухкомпонентной смеси:

y* = f (x) – равновесная линия; y = x – линия равных концентраций. Ломаная ABC показывает определение состава пара yi* , находящегося в равновесии с жидкостью, содержание НК в которой составляет xi. Линия DEG иллюстрирует определение состава жидкости x*j , находящейся

в равновесии с паром, содержание НК в котором yj

На рис. 4.15 кривая y* = f (x ) представляет собой линию равновесия, описы- вающую взаимосвязь равновесной молярной доли НК в паре y* , кмоль НК/кмоль смеси, с действующей (рабочей) молярной долей НК в жидкости x, кмоль НК/кмоль смеси, при постоянном давлении. В рассматриваемом случае равновесная линия y* = f (x ) на всем своем протяжении, за исключением точек с координатами x = 0, y* = 0 и x = 1, y* = 1, лежит выше линии y = x, где y – текущая молярная доля НК в паровой фазе, кмоль НК/кмоль смеси. Вспомогательную линию y = x называ- ют линией равных концентраций (составов).

На рис. 4.16 кривая tx = f (x) характеризует зависимость температуры кипе- ния жидкости tx от содержания в ней НК x, кривая ty = f (y) – зависимость температуры конденсации пара ty от содержания в нем НК y при постоянном давлении.

118

Рис. 4.16 t−x−y -диаграмма для двухкомпонентной смеси:

tx = f (x) – зависимость температуры кипения жидкости от ее состава (линия кипения); ty = f (y) – зависимость температуры конденсации пара от его состава (линия конденсации); ABD – определение температуры кипения жидкости txi при содержании НК в ней xi ; ACE – определение температуры конденсации пара tyi при содержании НК в нем yi ; KLN – определение содержания НК в жидкости x j , кипящей при температуре t j ;

KMP – определение содержания НК в паре y j , конденсирующемся при температуре t j

Точка tВК отображает температуру насыщения (кипения и конденсации) чис- того ВК, а точка tНК – температуру насыщения чистого НК.

4.18.3. Уравнения материального баланса

4.18.3.1. Взаимосвязь молярного расхода исходной смеси F, кмоль/с, с расхо-

дами дистиллята и кубового остатка D и W,	кмоль/с, соответственно выражается
формулой	(4.417)
F = D + W.

4.18.3.2.Взаимосвязь молярных расходов НК с исходной смесью, дистиллятом

икубовым остатком определяется уравнением

FxF = DxD + WxW ,

(4.418)

где xF , xD , xW – молярные доли НК в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке соответственно, кмоль НК/кмоль смеси.

4.18.3.3. Жидкость, поступающая на орошение верхней части колонны, назы- вается флегмой. Флегма – это часть конденсата паров, выходящих из верхней части колонны, возвращаемая обратно в колонну. Состав флегмы принимают иден- тичным составу паров, выходящих из верхней части колонны, и, соответственно,

119

составу дистиллята. Отношение молярного расхода флегмы GR , кмоль/с, к моляр-
ному расходу дистиллята называют флегмовым числомR. Поэтому	(4.419)
GR = DR,

а молярный расход паров флегмы и дистиллята, покидающих колонну G, кмоль/с, равняется

G = D (R +1).

(4.420)

4.18.3.4. Для адиабатической ректификации молярный расход паров в любом сечении ректификационной колонны принимается постоянным и равным G. Для произвольного сечения колонны массовый расход пара GM , кг/с, может быть определен по уравнению

GM = M y D (R +1),

(4.421)

где M y – молярная масса пара в данном сечении колонны, кмоль/с.
Из уравнения (4.421) для произвольного сечения ректификационной колонны
объемный расход пара Vy , м3/с, рассчитывается
P	(ty +273)			D(R +1),			(4.422)
Vy = 22,4 0	273
P
где P – рабочее давление в колонне, Па;		P0	– нормальное барометрическое давле-
ние, Па; ty – температура пара в данном сечении колонны, °C.							зависимости
Для большинства случаев P ≈ P .		Значение t				определяют в
от состава пара по t−x−y-диаграмме.	0				y

4.18.3.5. Молярный расход жидкости в верхней (укрепляющей) части ректи- фикационной колонны Lв, кмоль/с, при адиабатической ректификации равен мо- лярному расходу флегмы GR . Поэтому массовый расход жидкости в любом сечении верхней части колонны LМв, кг/с, вычисляется по формуле

	LМв = MxвDR,				(4.423)
где Mxв	– молярная масса жидкости в данном сечении колонны, кг/кмоль.
Из формулы (4.423) объемный расход жидкости через данное сечение верхней
части колонны Vxв , м3/с, определяется следующим образом:
	V	=	MxвDR	,	(4.424)
	xв		ρxв

где ρxв – плотность жидкости в данном сечении колонны, кг/м3.

Величина ρxв определяется в зависимости от состава жидкости и ее темпера- туры txв,°C, в указанном сечении. Значение txв определяют по t−x −y-диаграмме для данного состава жидкости.

4.18.3.6. Молярный расход жидкости в нижней (исчерпывающей) части рек- тификационной колонны Lн, кмоль/с, равен сумме молярных расходов исходной смеси (питания) и флегмы:

Lн = GR + F,	(4.425)
или
Lн = D (R + f ),	(4.426)
120