Проект ректификационной установки с тарельчатой колонной непрерывного действия производительностью 6 кг/с для разделения исходной смеси

 

2.4 Определение минимального флегмового числа (рис.2)

 

Нагрузки  ректификационной колонны по пару и  жидкости определяются определением рабочего флегмового числа R; его оптимальное значение R_опт можно найти путем технико-экономического расчета. Ввиду отсутствия надежной методики оценки R _опт используют  приближенные  вычисления, основанные на определении коэффициента избытка флегмы (орошения) β, равного отношению R/R_min, где минимальное флегмовое число:

где: х_F и х_P —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.

    Обычно коэффициент  избытка флегмы, при котором достигается оптимальное флегмовое число, не превышает 1,3 [2]. Рекомендуется находить R  по минимальному значению N (R + 1), полагая, что это произведение пропорционально объёму ректификационной колонны (N — число ступеней изменения концентрации, или теоретических тарелок, определяющее высоту колонны, а R+1- расход паров и, следовательно сечение колонны ) [3]. Определим R рекомендуемым способом.

На диаграмме проводим прямую линию из точки X_p через X_f до пересечения с осью ординат. Полученный отрезок β=0,5

Тогда минимальное флегмовое число равно:

 

  y* - (по рис. 1)

 

2.5 Определение рабочего флегмового числа

 

Задавшись различными коэффициентами избытка флегмы β . Определим соответствующие флегмовые числа. Графически построение ступеней изменения концентрации между рабочей и равновесной лини на диаграмме состава пара – y и состава жидкости – x (рисунок 2) находим N [1]. Равновесные данные для различных систем приведены в справочнике [4]. Результаты расчетов рабочих флегмового числа представленные на     (рис. 1) и переведены в таблице 2.

Таблица 2.

 

R	1.0	1.1	1.25	1.35	1.4	1.56	1.65	1.75
β	0.5	0.48	0.46	0.44	0.42	0.40	0.38	0.36
N	∞	15	12	12	11	9	9	8
N(R+1)	∞	31.5	26.4	27.6	26.4	22.5	23.4	21.6

 

Отрезки В откладываем  на диаграмме Y-X. Соединяем верхние точки отрезков В на диаграмме с точкой 2 и получаем ряд рабочих линий верхней части колонны. Соединяя точки 3 пересечения рабочих линий верхней части колонны с линией X_f с точкой 1, получим ряд рабочих линий нижней части колонны. Для каждого выбранного флегмового числа и значений X в пределах заданных концентраций жидкости от Xw=0.012 до Xp=0.947 по диаграмме находим движущие силы процесса 1/(Х-Х*), как величины отрезков по горизонтали между кривой равновесия и соответствующими линиями рабочих концентраций и вычисляем величины. Результаты приведены в таблице:

Таблица 3.

 

X	R = 1.8	R = 1.9	R = 2.0	R = 2.1	R = 2.2	R = 2.3	R = 2.4	R = 2.6
0.012	151.63	151.63	151.63	151.63	151.63	151.63	151.63	151.63
0.1	36.49	35.27	34.22	33.24	32.39	31.67	30.98	29.89
0.2	27.15	25.47	24.1	22.88	21.87	21.05	20.28	19.13
0.3	38.88	32.91	28.88	25.76	23.47	21.74	20.26	18.21
0.367	533.62	114.92	67.19	47.63	37.75	31.86	27.6	22.61
0.4	66.59	46.04	35.98	29.59	25.51	22.75	20.5	17.66
0.5	20.03	17.8	16.17	14.83	13.79	12.99	12.26	11.26
0.6	13.14	12.24	11.28	10.88	10.37	9.95	9.56	8.99
0.7	10.98	10.43	9.98	9.56	9.22	8.93	8.66	8.25
0.8	10.93	10.51	10.16	9.84	9.56	9.32	9.1	8.75
0.9	13.86	13.51	13.21	12.92	12.67	12.45	12.24	11.9
0.974	24.81	24.81	24.81	24.81	24.81	24.81	24.81	24.81

 

Для каждого значения R методом графического интегрирования находим число единиц переноса (рис.3,4,5,6 и таблица 3).

Минимальное произведение N (R + 1) соответствует флегмовому числу R=1,9. При этом коэффициент избытка флегмы β = 1.09/1.9=1,74. На диаграмме (1) изображены рабочие линии и ступени изменения концентраций для верхней (укрепляющей), и нижней (исчерпывающей) частей колонны в соответствии с найденным значением R.

Уравнения рабочих  линий:

а)верхней части колонны

Y=

b)нижней части колонны

Y=

 

2.6 Средние массовые расходы

2.6.1 Средние  массовые расходы по жидкости верхней и нижней части колонны

Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости для верхней и нижней частей колонны определяются из соотношений:

         

;                (1)                                                                                   ,              (2)

где:  М_Р и М_F — мольные массы дистиллята и исходной смеси;

        М_В и М_Н — средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны.

     Мольную массу дистиллята в данном случае можно принять равной мольной массе легколетучего компонента - сероуглерод.

Средние мольные массы  жидкости верхней и нижней частях колоны соответственно равны:

где: - мольные массы сероуглерода и четыреххлористого углерода;

       - средний мольный состав жидкости верхней и нижней части колоны;

 кмоль/кмоль смеси;

 кмоль/кмоль смеси;

Тогда мольные массы верхней и нижней части колоны: 

М_В = 76·0,706 + 154 (1 — 0,706) = 99 кг/кмоль;

М_Н  = 76·0,262 + 154 (1 — 0,262) = 133,6 кг/кмоль.

 

 

Мольная масса исходной смеси равна:

M_F = 76·0,465 + 154 (1 — 0,465) = 117,73 кг/кмоль.

Подставив полученные величины в уравнения (1) и (2), получим:

L_В = 0,86·1,9·99/76= 2,13 кг/с;

L_H= 0,86·1,9·113,6/76 + 6·113,6/117,73 = 5,12 кг/с.

 

     2.6.2 Средние массовые потоки пара верхней и нижней частях колоны

Средние массовые потоки пара в верхней G_B и нижней G_H частях колонны соответственно равны:

                         ;            .    (3)                            

Здесь М'_В и М'_Н -средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны:

 

М'_В = M_б ·y_СР.В +М_Т(1- y_СР.В);

    М'_Н = M_б ·y_СР.Н +М_Т(1- y_СР.Н),                                  

где

 кмоль/кмоль смеси;

                                    кмоль/кмоль смеси.

Тогда

М'_В = 76·0,84 + 154(1 - 0,84) = 88,48 кг/кмоль;

М'_Н = 76·0,42 + 154(1 - 0,42) = 121,24 кг/кмоль.

     Подставив  численные значения в уравнение  (3), получим:

кг/с;

кг/с.

 

2.7. Расчет скорости  пара и диаметра колонны

 

Для дальнейшего расчета  необходимо выбрать характеристики типа тарелки и рассчитать скорости потоков в ректификационной колонне. При выборе характеристик тарелки для проведения массообменных процессов руководствуются следующими соображениями:

во-первых, конкретными  условиями проведения процесса —  нагрузками

по газу и жидкости, различиями в физических свойствах  систем, наличием в потоках механических примесей, поверхностью контакта фаз  в единице объема  аппарата.

во-вторых, требованиями к технологическому процессу, широкий интервал изменения устойчивости работы.

Большое разнообразие тарельчатых  контактных устройств затрудняет выбор  оптимальной конструкции тарелки. Тарельчатые контактные устройства можно классифицировать по многим признакам: например по способу передачи жидкости с тарелки на тарелку различают тарелки с переточными устройствами и тарелки без переточных устройств (провальные). На провальных тарелках нет переливных устройств, и жидкость, и газ проходят через одни и те же отверстия или прорези в полотне тарелки, что в нашем случае совершенно не подходят. Эти прорези работают периодически: в определенный момент времени одни прорези пропускают пар, другие – жидкость; затем их роли меняются. К недостаткам относятся узкий диапазон устойчивой работы и сложность обеспечения равномерного распределения орошения по поверхности тарелок в начале процесса. Для данного процесса разделения смеси выбираем колпачковые тарелки.

 

Средняя скорость пара для  колпачковых тарелок верхней и нижней части колоны:

м/с;

      r_х = 1428.5 кг/м³ – средняя плотность жидкости по колонне;

r_у = 3.262 кг/м³ – средняя плотность пара по колонне;

dк = 100 мм – диаметр колпачка;

Н = 600 мм – принятое расстояние между тарелками;

 

Принимаем средний массовый поток пара в колоне G:

 кг/с;

2.7.1 Диаметр ректификационной колонны

 

м

По каталогу ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШа, 1991г., «Ректификационные и Абсорбционные  колонны» для колонны диаметром 2000 мм ОСТ 26-805-73 выбираем колпачковую тарелку ТСК- Р со следующими конструктивными размерами:

Свободное сечение колоны Fc	м2	3.14
Рабочие сечение тарелки Sт	м2	1.14
Относительное свободное сечение  тарелки	%	11,1
Диаметр отверстия dо	мм	4
Шаг между отверстиями t	мм	8
Сечение перелива  Sп	м2	0.06
Относительная площадь  перелива	%	12,2
Периметр слива Lсл	м	0.980
Масса	кг	179,3

 

 

 

 

 

 

2.7.2 Скорость пара в рабочем сечение тарелки

 

Скорость пара в рабочем сечение  тарелки:

 м/с

2.8. Определение высоты светлого слоя жидкости на тарелке и паросодержания барботажного слоя

Высоту светлого слоя жидкости h₀ для колпачковых тарелок находят по уравнению:

                             ,                      

где   q = L / ρ_xb — удельный расход жидкости на 1 м ширины переливной перегородки, м²/с;

        b — ширина переливной перегородки, м;

        h_П — высота переливной перегородки, м;

        σ_{x ,} σ_В -поверхностное натяжение жидкости и воды соответственно при средней температуре в колонне;

        μ_х— в  мПа·с;

        т = 0,05 — 4,6

h_ПЕР = 0,05-4,6·0,04= -0,0144.

 

Для верхней части  колонны:

 

Для нижней части  колонны:

     Паросодержание барботажного слоя ε находят по формуле:

                                                               ,                                                 

где .

     Для верхней части колонны:

                        

     Для нижней части колонны: