Курсовая работа: Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол

Рис. 2.17. Графическое определение числа теоретических тарелок:

ОE – равновесная кривая, АВ и ВС – рабочие линии для укрепляющей в исчерпывающей частей колонны, 1–6 – тарелки.

Число тарелок рассчитывается по уравнению:

                                                   (2.24)

Для определения среднего к.п.д. тарелок  находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов при средних температурах для верхней и нижней частей колонны:

Для верхней части:

                                                 (2.25)

Для нижней части:

                                               (2.26)

Величина среднего к.п.д. тарелок , который зависит от многих переменных величин (конструкция и размеры тарелки, гидродинамические факторы, физико-химические свойства пара и жидкости). На рис. 2.18 приведены значения среднего к.п.д. тарелок, полученные по опытным данным для промышленных ректификационных колонн сравнительно небольшого диаметра. По оси абсцисс на этом графике отложены произведения коэффициента относительной летучести разделяемых компонентов α на динамический коэффициент вязкости жидкости питания μ (в мПа·с) при средней температуре в колонне.

Рис. 2.18. Диаграмма для приближенного определения среднего к.п.д. тарелок.

Определение вязкости жидкости (смеси) в верхней и нижней частях колонны а) в верхней части колонны:

                       (2.27)

б) в нижней части колонны:

                              (2.28)

Определение вязкости пара:

а) в верхней части колонны:

                                             (2.29)

б) в нижней части колонны:

                                 (2.30)

Число действительных тарелок:

а) в верхней части колонны:

                                     (2.31)

б) в нижней части колонны:

                                                      (2.32)

Высота тарельчатой колонны:

                                               (2.33)

где h – расстояние между тарелками,

ZВ – расстояние между верхней тарелкой и крышкой колонны,

ZН – расстояние между нижней тарелкой и днищем колонны,

N – число действительных тарелок.

2.5. Определение средних массовых расходов пара и жидкости в верхней и нижней частях колонны

Ø  Определение среднего мольного состава жидкости в верхней и нижней частях колонны:

а) в верхней части колонны:

                                                           (2.34)

б) в нижней части колонны:

                                                           (2.35)

Ø  Определение среднего мольного состава пара в верхней и нижней частях колонны:

а) в верхней части колонны:

                                                              (2.36)

б) в нижней части колонны:

                                                    (2.37)

Ø  Средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны:

а) в верхней части колонны:

                                        (2.38)

б) в нижней части колонны:

                                       (2.39)

Ø  Определение средних мольных масс пара в верхней и нижней частях колонны: а) в верхней части колонны:

                                      (2.40)

б) в нижней части колонны:

                                     (2.41)

Ø  Определение средней плотности пара в верхней и нижней частях колонны:

                                             (2.42)

                                  (2.43)

Ø  Средняя плотность пара в колонне:

Ø 

                                                            (2.44)

Ø  Средняя плотность жидкости в колонне:

Ø 

                                                              (2.45)

Ø  Определение средней плотности жидкости в верхней и нижней частях колонны:

                                        (2.46)

                                       (2.47)

Ø  Определение мольной массы исходной смеси и дистиллята:

                                             (2.48)

                                            (2.49)

Ø  Расчет средних массовых расходов по жидкости для верхней и нижней частей колонны:

Ø 

                                                                (2.50)

                                              (2.51)

Ø  Расчет средних массовых расходов пара для верхней и нижней частей колонны:

                                                       (2.52)

                                                       (2.53)

2.6. Определение скорости пара и диаметра колонны

Эффективность работы тарельчатых колонн в значительной степени зависит от скорости пара в свободном сечении колонны. Эта скорость зависит от физико-химических свойств взаимодействующих фаз (плотность, вязкость, поверхностное натяжение и др.) и конструктивных особенностей колонны. Оптимальная величина скорости может быть установлена в каждом отдельном случае только опытным путем. В общем случае предельно допустимая скорость пара в колонне должна быть несколько меньше скорости, соответствующей явлению «захлебывания» колонны, когда восходящий поток пара начинает препятствовать стеканию жидкости по тарелкам. В колоннах, работающих при атмосферном давлении, скорость пара обычно принимают 0.3–0.6 м/с; эта скорость непосредственно связана со скоростью в отверстиях тарелок, которую следует выбирать в пределах 2–6 м/с.

Скорость паров в колоннах может быть повышена при увеличении расстояния между тарелками или применении специальных устройств в виде отбойников, позволяющие уменьшить сепарационный объем между тарелками.

При больших скоростях происходит увеличение потоком пара жидкости с нижележащих тарелок на тарелки, лежащие выше, т.е. механический унос жидкости, и слияние отдельных пузырьков пара в струю, и в результате этого уменьшается поверхность контакта фаз и длительность контакта.

Расчет рабочей скорости пара в верхней и нижней частях колонны по уравнению:

а) в верхней части колонны:

                                                                (2.54)

б) в нижней части колонны:

                                                               (2.55)

где С – коэффициент, зависящий от конструкции тарелок, расстояния между тарелками, рабочего давления в колонне, нагрузки колонны по жидкости.

Рис. 2.19. Значения коэффициента С: А, Б – колпачковые тарелки с круглыми колпачками;В – ситчатые тарелки.

Диаметр колонны определяется по уравнению:

а) в верхней части колонны:

                                               (2.56)

 б) в нижней части колонны:

                                             (2.57)

Скорость пара в колонне при стандартном диаметре:

а) в верхней части колонны:

                                                        (2.58)

б) в нижней части колонны:

                                                      (2.59)

Средняя скорость пара рассчитывается по формуле:

                                                            (2.60)

2.7. Гидравлическое сопротивление тарельчатых колонн

При конструировании тарельчатых колонн следует учитывать гидравлическое сопротивление, в результате которого возникает значительная разность давлений у основания и вершины колонны. Перепад давлений будет тем больше, чем больше число тарелок в колонне и чем выше уровень жидкости на каждой тарелке. Основные сопротивления прохождения паров возникают на входе и на выходе из паровых патрубков и через прорези колпачков (местные сопротивления). Следует также учитывать потери на преодоление гидростатического давления столба жидкости на каждой тарелке. Обычно сопротивление колпачковой тарелки составляет 25–50 мм водного столба в условиях работы при атмосферном давлении и несколько ниже при работе под вакуумом.

Гидравлическое сопротивление тарелок:

                                                   (2.61)

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки в верхней и нижней частях колонны: а) в верхней части колонны:

                                                        (2.62)

б) в нижней части колонны:

, где                                      (2.63)

ζ – коэффициент сопротивления, числовое значение которого можно принимать равным от 1.1 до 2.0;

ω0 – скорость пара в отверстиях тарелки в .

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

 , где                                                                           (2.64)

σ – поверхностное натяжение в ;

d0 – диаметр отверстий тарелки в .

Объемный расход жидкости в верхней и нижней частях колонны:

а) в верхней части колонны:

                                                       (2.65)

б) в нижней части колонны:

                                     (2.66)

Высота слоя над сливной перегородкой в верхней и нижней частях колонны:

а) в верхней части колонны:

                                                (2.67)

б) в нижней части колонны:

         , где                                                           (2.68)

Lc – периметр слива;

κ=ρпж/ρЖ – отношение парожидкостного слоя к плотности жидкости, принимается равным 0.5

Высота парожидкостного слоя на тарелке в верхней и нижней частях колонны:

а) в верхней части колонны:

                                                      (2.69)

б) в нижней части колонны:

, где                                             (2.70)

hпер – высота переливного порога

Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке в верхней и нижней частях колонны:

а) в верхней части колонны:

                          (2.71)

б) в нижней части колонны:

                         (2.72)

2.8. Расчет числа действительных тарелок графоаналитическим методом (построением кинетических линий)

Эффективность тарелки по Мэрфи:

                                (2.73)

                                     (2.74)

                                (2.75)

, где                                                        (2.76)

Ey – локальная эффективность по пару;

e – межтарельчатый унос жидкости;

θ – доля байпасирующей жидкости;

S – число ячеек полного перемешивания;

m – коэффициент распределения компонента по фазам в условиях равновесия;

λ=m(R+1)R – фактор массопередачи для укрепляющей части;

λ=m(R+1)/(R+f) – фактор массопередачи для исчерпывающей части.

Локальная эффективность по пару:

, где                                                       (2.77)

 – число единиц переноса по паровой фазе на тарелке        (2.78)

 – скорость пара в рабочем сечении тарелки            (2.79)

 – рабочее сечение тарелки

 – коэффициент массопередачи    (2.80)

βxf, βyf – коэффициенты массоотдачи, отнесенные к единице рабочей площади тарелки для жидкой и паровой фаз

       (2.81)

  (2.82)

Критерий Фруда:

а) в верхней части колонны:

                                                           (2.83)

б) в нижней части колонны:

                                                           (2.84)

Паросодержание барботажного слоя:

а) в верхней части колонны:

                                                          (2.85)

б) в нижней части колонны:

                                                         (2.86)

Высота светлого слоя жидкости:

(2.87)

Удельный расход жидкости на 1м ширины переливной перегородки для верхней и нижней частей колонны:

а) в верхней части колонны:

                                 (2.88)

б) в нижней части колонны:

, где                                            (2.89)

b – ширина переливного порога

Коэффициент диффузии в жидкости при средней температуре в верхней и нижней частях колонны:

а) в верхней части колонны:

                          (2.90)

б) в нижней части колонны:

                        (2.91)

Коэффициент диффузии в жидкости при температуре t=200C в верхней и нижней частях колонны:

а) в верхней части колонны:

                     (2.92)

б) в нижней части колонны:

                     (2.93)

υБ, υТ – мольные объемы бензола и толуола, A=B=1 – коэффициенты.

Вязкость жидкости при t=200С в верхней и нижней частей колонны:

а) в верхней части колонны:

                             (2.94)

б) в нижней части колонны:

                             (2.95)

Температурный коэффициент b для верхней и нижней частей колонны:

а) в верхней части колонны:

                                                        (2.96)

б) в нижней части колонны:

                                                       (2.97)

Коэффициент диффузии в паровой фазе при средней температуре в верхней и нижней частях колонны:

а) в верхней части колонны:

                         (2.98)

б) в нижней части колонны:

, где                 (2.99)

Р – давление в колонне

Плотность орошения для верхней и нижней частей колонны:

а) в верхней части колонны:

                                                            (2.100)

б) в нижней части колонны:

, где                                                    (2.101)

S – число ячеек полного перемешивания. При Dст=1.8 м и b=0.289 м принимаем, что 1 ячейка перемешивания соответствует длине пути жидкости l0=300–400 мм. Пусть l0=350 мм, тогда длина пути жидкости:

  (2.102)

Разделяемая смесь: бензол–толуол (ХF=0.40). Нагрузка колонны по сырью – 10 т/час. Содержание низкокипящего компонента в дистилляте (ХD=0.97), в кубовом остатке (ХW=0.029). Контактный элемент – тарелка.

3.1. Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число

Согласно уравнениям материального баланса (2.14, 2.15, 2.16) выразим и рассчитаем расход дистиллята и кубового остатка:

;         

Определим концентрации питания, дистиллята и кубового остатка в мольных долях в соответствии с формулами (2.17, 2.18, 2.19):

Питание:

Дистиллят:

Кубовый остаток:

Вычислим равновесные составы фаз для бензольно-толуольной смеси при атмосферном давлении, считая, что смесь характеризуется законом Рауля. Расчет представлен в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Парожидкостное равновесие системы бензол–толуол

Полученные данные наносим в виде кривых в координатах t–x,y и y*–x (см. рис. 3.20, 3.21).

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6