1 Расчет материального баланса и рабочего флегмового числа

флегмовый пар тераска колонна тепловой

Содержание легколетучего компонента:

- в исходной смеси;

- в дистилляте;

- в кубовом остатке;

т/ч - производительность по исходной смеси.

Производительность колонны по дистилляту D кубовому остатку W определим из уравнений материального баланса колонны:

Отсюда находим:

т/ч

т/ч

Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются рабочим флегмовым числом R; его оптимальное значение R_опт можно найти путём технико-экономического расчета. Используют приближенные вычисления, основанные на определении коэффициента избытка флегмы (орошения)

=RR_{min ,} Здесь R_min- минимальное флегмовое число:

,

где - минимальное флегмовое число

,

где x_F и x_D- 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.

Определим R . Пересчитаем составы фаз из массовых долей в мольные по соотношению

кмоль/кмоль см.

где M_м и М_в - молекулярные массы соответственно метанола и воды, кг/кмоль.

Аналогично найдем:

кмоль/кмоль см.

кмоль/кмоль см.

- определяем по графику 1.

Тогда минимальное флегмовое число равно:

Тогда оптимальное флегмовое число равно:

Пересчитаем массовые расходы в мольные

2. ПОСТРОЕНИЕ РАВНОВЕСНОЙ И РАБОЧЕЙ ЛИНИИ (y-x) И ДИАГРАММЫ (t, x,y)

Таблица 1 – Равновесное состояние парп и жидкости для смеси метонол- вода

Смесь	x	0	2	4	6	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Метанол- вода	y	0	13.4	23.0	30.4	41.8	57.9	66.5	72.9	77.9	82.5	87.0	91.5	95.8	100
	t	100	96.4	93.5	91.2	87.7	81.7	78.0	75.3	73.1	71.2	69.3	67.5	66.0	64.5

По данным таблицы 1 строим график зависимости y=f(x) - рис.1

Определим уравнения рабочих линий:

1)верхней части колонны

2)нижней части колонны

Относительный мольный расход питания:

По данным таблицы 1 строим график t=f(x,y) - рис.2.

3. Определение скорости пара и диаметра колонны

Средние концентрации жидкости:

а) в верхней части колонны

б) в нижней части колонны

Средние концентрации пара находим по уравнению рабочих линий:

а) в верхней части колонны

б) в нижней части колонны

Средние температуры пара определяем по диаграмме t-x,y (рис.2)

а) при

б) при

Средние мольные массы и плотности пара:

а) в верхней части колонны

кг/кмоль;

кг/м³.

б) в нижней части колонны

кг/кмоль;

кг/м³.

Средняя плотность пара в колонне

кг/м³.

Найдем по справочнику [2] плотности жидких метанола и воды. Температура вверху колонны при y_D=0.88 равняется 69˚С, а в кубе-испарителе при x_w=0.03 равняется 95˚С.

Плотность жидкого метанола при 69˚С ρ_м=747 кг/м³, а воды при 69˚С ρ_в=978 кг/м³.

Средняя плотность жидкости вверху колонны:

Плотность жидкого метанола при 95˚С ρ_м=719.5кг/м³, а воды при 95˚С ρ_в=961.5кг/м³.

Средняя плотность жидкости внизу колонны:

Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне:

кг/м³.

Определяем скорость пара в колонне по уравнению:

,

где C-коэффициент, зависящий от конструкции тарелок, расстояния между тарелками, рабочего давления в колонне, нагрузки колонны по жидкости;

ρ_ж и ρ_п-плотности жидкости и пара,кг/м³.

По рис.7.2 [стр.314, 2] определяем коэффициент С в зависимости от расстояния между ситчатыми тарелками h (примем h=400мм) для ректификационной колонны , работающей под атмосферном давлении и средних нагрузках по жидкости. С=0.058.

Тогда м/с.

Объемный расход проходящего через колонну пара при средней температуре в колонне:

.

,

Где -расход дистиллята, ;

R- флегмовое число;

T_ср- средняя температура в колонне, К;

P₀- давление при н.у;

T₀- температура при н.у.

P- рабочее давление.

м³/с.

Диаметр колонны:

м.

По каталогу [1] берем D=1400 мм. Тогда скорость пара в колонне будет равна:

м/с.

Для колонны диаметром D=1400 мм выбираем ситчатую тарелку типа ТС-Р со следующими конструктивными размерами, [1, стр.217]:

Свободное сечение колонны, - 1.54; Рабочее сечение тарелки – 1.368; Сечение перелива, - 0.087; Относительная площадь перелива, % - 5.65; Периметр слива , м – 0.86; Масса, кг – 72

4. РАСЧЕТ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРАТИВЛЕНИЯ ТАРЕЛОК

Принимаем следующие размеры ситчатой тарелки: диаметр отверстий d₀=4мм, высота сливной перегородки h_п=40мм. Свободное сечение тарелки(суммарная площадь отверстий) 8% от общей площади тарелки. Площадь, занимаемая двумя сегментными переливными стаканами, составляет 5.65% от общей площади тарелки.

Рассчитаем гидравлическое сопротивление тарелки в верхней и нижней части колонны по уравнению:

,

где - гидравлическое сопративление сухой тарелки;

- сопративление, обусловленое силами поверхностного натяжения;

- сопративление парожидкостного слоя.

1. Верхняя часть колонны.

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

,

где ζ=1.82-коэффициент сопротивления неорошаемых ситчатых тарелок со свободным сечением 8%;

ω₀= ω/0.08=1.36/0.08=17 м/с - скорость пара в отверстиях тарелки;

ρ_п- плотность пара.

Па.

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

,

где σ- поверхностное натяжение жидкости при средней температуре в верхней части колонны 73˚С:

для метанола σ_м=18.16·10^-3Н/м;

для воды σ_в=63.86·10^-3Н/м.

Тогда

Н/м.

Па.

Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:

,

где h_пж- высота парожидкостного слоя:

,

где - высота сливной перегородки;

Δh- высота слоя над сливной перегородкой:

,

где V_ж- объемный расход жидкости, м³/с;

П- периметр сливной перегородки, м;

k=ρ_пж/ρ_ж- отношение плотности парожидкостного слоя к плотности жидкости, принимаем равным 0.5.

Объемный расход жидкости в верхней части колонны:

,

где - мольный расход дистилята, кмоль/с;

R- флегмовое число;

М_ср- средняя мольная масса жидкости, кг/кмоль.

кг/кмоль.

м³/с.

Находим Δh:

м.

Высота парожидкостного слоя на тарелке:

м.

Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:

Па.

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части колонны:

Па.

2. Нижняя часть колонны.

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

,

где ζ=1.82-коэффициент сопротивления неорошаемых ситчатых тарелок со свободным сечением 8%;

ω₀= ω/0.08=1.36/0.08=17 м/с- скорость пара в отверстиях тарелки;

ρ_п- плотность пара.

Па.

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

,

где σ- поверхностное натяжение жидкости при средней температуре в нижней части колонны 75˚С:

для метана σ_м=18·10^-3Н/м;

для воды σ_в=63.5·10^-3Н/м.

Тогда

Н/м.

Па.

Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:

,

где h_пж- высота парожидкостного слоя:

,

где Δh- высота слоя над сливной перегородкой:

,

где V_ж- объемный расход жидкости, м³/с;

П- периметр сливной перегородки, м;

k=ρ_пж/ρ_ж- отношение плотности парожидкостного слоя к плотности жидкости, принимаем равным 0.5.

Объемный расход жидкости в нижней части колонны:

,

где - мольный расход дистилята, кмоль/с;

R- флегмовое число;

М_ср- средняя мольная масса жидкости, кг/кмоль.

кг/кмоль..

м³/с.

Находим Δh:

м.

Высота парожидкостного слоя на тарелке:

м.

Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:

Па.

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в ниженей части колонны:

Па.

Проверим, соблюдается ли при расстоянии между тарелками h=0.4м необходимое для нормальной работы тарелок условие:

.

Для тарелок нижней части колонны, у которых гидравлическое сопротивление Δp больше, чем у тарелок верхней части:

, .

Следовательно, условие соблюдается.

Проверим равномерность работы тарелок - рассчитаем минимальную скорость пара в отверстиях ω_0мин, достаточную для того, чтобы ситчатая тарелка работала всеми отверстиями:

м/с.;

Следовательно, тарелки будут работать всеми отверстиями.