Курсовая работа: Расчет и проектирование тарельчатой ректификационной колонны непрерывного действия

(3.30)

где d - рассчитанный диаметр колонны, м;

Действительная рабочая скорость паров верха и низа колонны по формуле (3.30) равна:

Для колонны диаметром 2,0 м выбираем ситчатую тарелку ТС-Р со следующими конструктивными размерами [1]:

Диаметр отверстий в тарелке d₀, м 0,005

Шаг между отверстиями t, м 0,012

Свободное сечение тарелки F_c 0,158

Высота переливного порога h_пер, м 0,03

Ширина переливного порога b, м 1,19

² 2,822

Рабочее сечение тарелки S_t, м

Скорость пара в рабочем сечении тарелки найдем по формуле (3.31):

Скорость пара в рабочем сечении тарелки верхней части колонны:

Скорость пара в рабочем сечении тарелки нижней части колонны:

Высота светлого слоя жидкости на тарелке и паросодержание барботажного слоя

Высота светлого слоя жидкости для ситчатых тарелок находят по уравнению (3.32):

где - удельный расход жидкости на 1 м ширины словной перегородки, м²/с;

b - ширина сливной перегородки, м;

h_пер - высота переливной перегородки, м;

у_х.н,у_х.в - поверхностное натяжение соответственно жидкостей при средней температуре в колонне, Н/м;

µ_х - вязкость жидкости, мПа с;

m = 0,05 - 4,6h_пер = 0,05 - 4,6 0,03 = -0,088

Удельный расход жидкости на 1 м ширины сливной перегородки:

- для верхней части колонны:

- для нижней части колонны:

Поверхностное натяжения при t_в = 91,4 ? бензола составляет 20,3 ·10^-3 Н/м [1, с. 526-527] и для толуола 20,6·10^-3 Н/м [1, с. 526-527] в верхней части колонны. В нижней части колонны при t_н = 104,2 ? бензола составляет 18,6·10^-3 Н/м [1, с. 526-527] и для толуола 19,2·10^-3 Н/м [1, с. 526-527].

Для расчетов в качестве возьмем значение поверхностного натяжения смеси бензола и толуола по формуле (3.33):

(3.33)

- для верхней части колонны:

- для нижней части колонны:

При t_в = 91,4 ? вязкость жидкого бензола вверху колонны м_в.х.б. равна 0,293 мПа•с [1, с. 516], а жидкого толуола м_в.х.т. соответственно 0,299 мПа•с [1, с. 516]. При t_н = 104,2 ? вязкость жидкого бензола внизу колонны м_н.х.б. равна 0,257 мПа•с [1, с. 516], а жидкого толуола м_н.х.т. соответственно 0,267 мПа•с [1, с. 516].

Вязкость жидких смесей определим по формуле (3.34):

где вязкость жидкой смеси, мПа с;

вязкость жидкого бензола, мПас; вязкость жидкого толуола, мПа с.

Подставляя все необходимые значения в формулу (3.34) получим:

для верхней части колонны:

- для нижней части колонны:

Выразим вязкости жидких смесей в верхней и нижней частях колонны из полученных соотношений:

Подставим все полученные значения в формулу (3.32):

- для верхней части колонны:

- для нижней части колонны:

Паросодержание барботажного слоя определяем по формуле (3.35):

где критерий Фруда

- для верхней части колонны:

- для нижней части колонны:

Вычислим по формуле (3.35) паросодержание барботажного слоя:

- для верхней части колонны:

- для нижней части колонны:

Коэффициенты массопередачи и высота колонны

Динамический коэффициент вязкости жидкого бензола при 20 ^оС 20

м_б = 0,65 мПа·с.

Динамический коэффициент вязкости жидкого толуола при 20 ^оС 0

Динамический коэффициент вязкости жидкой смеси для верхней части колонны при 20 ^оС равен:

Динамический коэффициент вязкости жидкой смеси для нижней части колонны при 20 ^оС равен:

Коэффициент диффузии в жидкости при 20 ^оС определяется по соотношению:

(3.36)

где н_б и н_т - мольные объёмы компонентов бинарной смеси, см³/моль;

А и В - коэффициенты, зависящие от свойств компонентов бинарной смеси.

Для бензола коэффициент А = 1 [3]. Для толуола коэффициент B = 1 [3].

Мольный объём бензола н_б =14,8 · 6 + 3,7 · 6 - 15 = 96 см³/моль [3].

Мольный объём толуола н_т = 14,8 · 7 + 3,7 · 8 - 15 = 118,2 см³/моль [3].

Коэффициент диффузии в жидкости при 20 ^оС для верхней части колонны по формуле (3.37) равен:

Коэффициент диффузии в жидкости при 20 ^оС для нижней части колонны по формуле (3.36) равен:

Коэффициент диффузии в жидкости при температуре отличной от 20 ^оС связан с коэффициентом диффузии в жидкости при 20 ^оС следующим соотношением:

(3.37)

где b - температурный коэффициент.

Температурный коэффициент может быть определён по эмпирической формуле: ректификация колонна масоотдача смесь

(3.38)

20 о 3

где с_x - плотность жидкости при 20 С, кг/м.

20 3

Плотность жидкого бензола при 20 ^оС с_б = 879 кг/м.

20 3

Плотность жидкого толуола при 20 ^оС с_т = 879 кг/м.

Плотность жидкости для верхней части колонны при 20 ^оС по формуле (3.26) равна:

Плотность жидкости для нижней части колонны при 20 ^оС по формуле (3.26) равна:

Температурный коэффициент для верхней части колонны по формуле (3.38) равен:

Температурный коэффициент для нижней части колонны по формуле (3.38) равен:

Коэффициент диффузии в жидкости для верхней части колонны при ^оС по формуле (3.37) равен:

Коэффициент диффузии в жидкости для нижней части колонны при ^оС по формуле (3.37) равен:

Коэффициент диффузии в паровой фазе может быть вычислен по уравнению (3.39):

(3.39)

где T - температура, К;

P - абсолютное давление, Па.

Коэффициент диффузии в паровой фазе для верхней части колонны при ^оС по формуле (3.39) равен:

Коэффициент диффузии в паровой фазе для нижней части колонны при ^оС по формуле (3.39) равен:

Вязкость паров чистого бензола при ^оС м_y.б.в = 9,282 мкПа·с [4]. Вязкость паров чистого толуола при ^оС м_y.т.в = 8,689 мкПа·с [4]. Вязкость паров чистого бензола при ^оС м_y.б.н = 9,602 мкПа·с [4]. Вязкость паров чистого толуола при ^оС м_y.т.н = 9,004 мкПа·с [4]. Вязкость газообразной смеси определяется по формуле:

(3.40)

Для нижней части колонны:

Коэффициенты массоотдачи в жидкой фазе определяются по соотношению:

(3.41)

Вязкость чистого толуола при 88,235 ^оС м_т.в = 0,299 мПа·с [4]. Вязкость чистого бензола при 101,971 ^оС м_б.н = 0,257 мПа·с [4]. Вязкость чистого толуола при 101,971 ^оС м_т.н = 0,267 мПа·с [4]. Вязкость жидкой смеси для верха колонны равна:

Вязкость жидкой смеси для низа колонны равна:

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе для верхней части колонны по формуле (3.42) равен:

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе для нижней части колонны по формуле (3.42) равен:

Коэффициенты массоотдачи в паровой фазе определяются по соотношению:

(3.43)

Коэффициент массоотдачи в паровой фазе для верхней части колонны по формуле (3.43) равен:

Коэффициент массоотдачи в паровой фазе для нижней части колонны по формуле (3.43) равен:

Пересчитаем коэффициенты массоотдачи на кмоль/(м²•с) по соотношению:

(3.44)

Для верхней части колонны коэффициенты массотдачи в жидкой и паровой фазах по формуле (3.44) равны:

Для нижней части колонны коэффициенты массотдачи в жидкой и паровой фазах по формуле (3.44) равны:

Коэффициенты массоотдачи, рассчитанные по средним значениям скоростей и физических свойств паровой и жидкой фаз, постоянны для верхней и нижней частей колонны. В то же время коэффициент массопередачи - величина переменная, зависящая от кривизны линии равновесия, т.е. от коэффициента распределения. Поэтому для определения данных, по которым строится кинетическая линия, необходимо вычислить несколько значений коэффициента массопередачи в интервале изменения состава жидкости от x_щ до x_p.

Пусть x = 0,16. Коэффициент распределения компонента по фазам (тангенс угла наклона равновесной линии в этой точке) m = 1,754.

Коэффициент массопередачи вычисляется по формуле:

(3.45)

Содержание низкокипящего компонента x = 0,16 соответствует нижней части колонны, поэтому коэффициент массопередачи необходимо рассчитывать по коэффициентам массоотдачи для нижней части колонны.

Коэффициент массопередачи по формуле (3.45) равен:

Общее число единиц переноса на тарелку определяется по уравнению:

(3.46)

Локальная эффективность определяется по уравнению:

(3.47)

Фактор массопередачи для нижней части колонны определяется по уравнению:

(3.48)

Фактор массопередачи для верхней части колонны определяется по уравнению:

(3.49)

Фактор массопередачи по формуле (3.48) равен:

Долю байпасирующей жидкости и примем равной 0,1 [1].

Число ячеек полного перемешивания определяется по уравнению:

(3.50)

где l_T - длина пути жидкости на тарелке, м;

l - длина пути, соответствующая одной ячейке перемешивания, м.

Длину пути, соответствующую одной ячейке перемешивания примем равной 0,35 м [1].

Длину пути жидкости на тарелке определим по формуле:

(3.51)

Число ячеек полного перемешивания по формуле (3.50) равно:

Относительный унос жидкости в тарельчатых колоннах определяется в основном скоростью пара, высотой сепарационного пространства и физическими свойствами жидкости и пара. В настоящее время нет надежных зависимостей, учитывающих влияние физических свойств потоков на унос, особенно для процессов ректификации.

По графическим данным [2, с. 242] унос на тарелках является функцией комплекса Коэффициент m, учитывающий влияние на унос физических свойств жидкости и пара определяют по уравнению:

(3.52)

Для верней части колонны:

Для нижней части колонны:

Высота сепарационного пространства равна:

(3.53)

где H межтарельчатое расстояние, равное 0,5 м;

высота барботажного слоя (пены), м.

Определим высоту барботажного слоя для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

Высота сепарационного пространства для верхней части колонны равна:

Для нижней части колонны:

Следовательно, комплекс для верхней части колонны будет равен:

Для нижней части колонны:

При таком значении комплекса унос для верхней части колонны e = 0,142, для нижней части колонны e = 0,144 [1]. Примем среднее значение e = 0,143.

Коэффициент В определяется по формуле:

(3.54)

Коэффициент E_My” определяется по формуле:

(3.55)

Коэффициент E_My' определяется по формуле:

(3.56)

Эффективность тарелки по Мэрфри определяется по соотношению:

(3.57)

Концентрация легкокипящего компонента в паре на выходе из тарелки определяется по соотношению:

(3.58)

где y_н - концентрация ацетона в паре на входе в тарелку;

y* - концентрация легкокипящего компонента в паре равновесная с жидкостью на тарелке.

Концентрация легкокипящего компонента в паре на входе в тарелку определяется из рабочей линии (рисунок Г.1). При x = 0,16 y_н= 0,224.

Концентрация легкокипящего компонента в паре равновесная с жидкостью на тарелке определяется из равновесной линии (рисунок Г.1). При x = 0,16 y*= 0,306.

Концентрация легкокипящего компонента в паре на выходе из тарелки по формуле (3.58) равна:

Аналогичным образом подсчитаны y_к и для других составов жидкости. Результаты расчётов параметров, необходимых для построения кинетической кривой приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2

Расчет параметров