Расчет тарельчатой колонны

где Н_n,N – энтальпия пара, уходящего с верхней тарелки колонны;

      l - скрытая теплота испарения дистиллята;

      Н_{ж, хол} – энтальпия холодного орошения (Н_{ж, D}).

  (3.26)

    (3.27)

 кДж/кг

 кДж/кг

 кг/с

Расход  водяного пара (при давлении 0,3 МПа) на нагрев низа колонны определяется по формуле 

,     (3.28)

где r=2140 кДж/кг.

 кг/с.

Расход  воды в конденсаторе-холодильнике при  разности температур охлаждающей воды на входе и выходе из конденсатора-холодильника DТ=20 К определим по формуле

    (3.29)

 кг/с.

3.1.6 Внутренние  материальные потоки

Определяем  внутренние материальные потоки в колонне.

В концентрационной (верхней) части колонны

L=R^.D     (3.30)

L=1,37^.1,49=2,04 кг/с. 

V=L+D     (3.31)

V=2,04+1,493=3,53 кг/с.

.

Объем паров  определим по формуле

,    (3.32)

где V_об – объем пара, м³/с;

      V – расход пара, кг/с;

      Z – коэффициент сжимаемости;

      Р₀ – атмосферное давление, Па;

      М_р – средняя мольная масса паров, уходящих с тарелки при Т=365 К.

,    (3.33)

где у¢ - концентрация бензола в парах при Т=365 К;

      (1-у¢) – концентрация толуола в парах при Т=365 К;

      М_б, М_т – молярный вес бензола и толуола соответственно.

 м³/с.

Плотность паров

     (3.34)

кг/м³.

Плотность жидкости [6] r_ж=834 кг/м³.

Объемный  расход жидкости

     (3.35)

 м³/с (8,8 м³/ч).

В отгонной (нижней) части колонны

    (3.36)

 кг/с.

    (3.37)

 кг/с.

.

Объем паров  при температуре Т=379 К

 м³/с,

где М_ср=0,39^.78+(1-0,39)^.92=86,5 – средняя мольная масса паров, уходящих с тарелки при Т=379 К.

Плотность паров

 кг/м³.

Плотность жидкости [6] r_ж=798 кг/м³.

Объемный  расход жидкости

 м³/с (17,35 м³/ч).

3.2 Гидравлический  расчет

Выполнить гидравлический расчет тарельчатой  ректификационной колонны с колпачковыми тарелками и определить число реальных тарелок в колонне.

 

3.2.1 Диаметр  колонны

Примем  расстояние между тарелками Н=400 мм; последующим расчетом проверим правильность принятого значения. Диаметр  колонны определим раздельно  для верхней и нижней частей колонны.

Диаметр колонны определяем по максимально  допустимой скорости пара W_max  и объему паров V_об (в м³/с) из уравнения

 

.     (3.38)

 

По расчетной  величине D и нормальному ряду диаметров колонн выбирается ближайшее значение, которое и используется в дальнейших расчетах.

Ниже  приведен принятый в нефтяной промышленности нормальный ряд диаметров колонн (в м), предусматривающий равномерное  увеличение площади поперечного  сечения колонны при переходе от одного диаметра к другому: 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2,0; 2,2; 2,4; 2,6; 2,8; 3,0; 3,2; 3,4; 3,6; 3,8; 4,0; 4,5; 5,0; 5,5; 6,0; 6,4; 7,0; 8,0; 9,0 [5].

В химической промышленности принят другой нормальный ряд диаметров колонн (в м): 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2,2; 2,6; 3,0 [5].

Максимально допустимая скорость пара должна быть несколько ниже предельной скорости, лимитирующей повышение производительности колонны. Опыт промышленной эксплуатации колонн и многочисленные исследования показали, что величина предельной нагрузки зависит от большого числа  факторов – типа и конструкции  тарелки, расстояния между тарелками, расхода жидкости и физических свойств  системы. В настоящее время в  практике проектирования наибольшее распространение  получила следующая зависимость  для расчета максимально допустимой скорости пара:

 

,    (3.39)

 

в которой вся сложность влияния указанных выше факторов переносится на коэффициент c_max.

В том  случае, когда предельные нагрузки по газу в значительной степени зависят  от удельных жидкостных нагрузок, имеется  в виду разделение под атмосферным  и повышенным давлением при L_V³20 м³/(м^.ч), значение коэффициента c_max можно определить по уравнению

.  (3.40)

.   (3.41)

При L_V>65 м³/(м^.ч) в уравнении (3.41) следует принимать, что l=65.

Для колонной тарелки (F_св=0,1) К₁=1,15 и С₂=4. Значение коэффициента С₁ определяется по рисунку 3.3.

Рисунок 3 - Зависимость коэффициента С₁ от расстояния между тарелками

При Н³350 мм К=1.

Для верхней  части колонны

,

где С₁=520 при Н=400 мм (см. рисунок .3).

.

 м.

Для нижней части колонны

 

 

 м/с

 

 м.

 

В соответствии с нормальным рядом диаметров  колонн примем D=1,8 м.

Близкие к оптимальным экономические показатели можно получить, если расстояние между тарелками выбирать в соответствии с данными, приведенными в таблице 3.4.

Таблица 3.4

D, м	до 0,8	0,8-1,6	1,6-2,0	2,0-2,4	св. 2,4
Н, мм	200-350	350-400	400-500	500-600	св. 600

 

Следовательно, при принятом нами расстоянии между  тарелками 400 мм полученное значение D=1,2 м соответствует оптимальным размерам колонны.

Фактические скорости паров вверху и внизу  колонны будут равны соответственно

 м/с

 

 м/с.

 

3.2.2 Конструкция  тарелок

Определим основные размеры тарелок и проверим диапазон их устойчивой работы.

Основные  размеры тарелок определяют равномерную, устойчивую и эффективную работу колонны в заданном диапазоне  изменения нагрузок. К ним относятся  такие конструктивные размеры тарелки, как соотношение рабочей площади  и площади переливов, периметр слива  жидкости, свободное сечение тарелки, основные размеры контактных элементов и расстояние между ними.

Тарелка работает устойчиво и равномерно всем сечением лишь в том случае, когда величина градиента жидкости значительно меньше сопротивления  сухой тарелки (например, при D/DР_сух<0,5) или когда градиент уровня стекающей жидкости 90-100 м³/(м^.ч). Указанные цифры предельных нагрузок по жидкости являются основой для выбора числа потоков и схемы движения жидкости на тарелке.

Однопоточные  тарелки применяются при небольших  расходах жидкости, при больших расходах применяются главным образом  двух- и четырехпоточные тарелки. При применении тарелок с большим числом потоков следует учитывать, что такие конструкции уменьшают длину пути жидкости и, следовательно, эффективность тарелок. Минимальная длина пути жидкости на каждом потоке должна быть не менее 0,5-0,6 м, т.е. на каждом потоке следует размещать не менее 3-4 S-образных элементов или столько же рядов колпачков и клапанов.

Вверху  и внизу колонны принимаем  однопоточные разборные тарелки (приложение 1). Для нашего случая (диаметр колонны 1,2 м) общая длина слива составляет В=0,936 м (В/Д=0,78); эффективная рабочая площадь тарелки e_эф=2,3 м²/м² (51,0 %); свободное сечение тарелки F_св=0,41 м²/м² (9,1 %); число колпачков на тарелке n_к=34; диаметр колпачка d_к=0,1 м; шаг колпачков L_ш=0,14 м; относительная длина пути жидкости z_ж/D=0,62 (рисунок 4) или z_ж=1,12 м; относительная рабочая площадь тарелки e=0,7 (рисунок 4); расстояние от нижнего обреза колпачка до основания тарелки h_з=10 мм; высоту прорезей принимаем равной h_отк=30 мм, затопление прорезей      (h_погр+Dh+D)=40 мм (рисунок 3.5).

Высоту  подпора жидкости на тарелке над  сливной планкой определяем по уравнению

 

,     (3.42)

 

где К₁ – коэффициент, зависящий от формы сливной планки;

      К₂ – учитывающий сжатие потока стенками корпуса колонны.

При прямой сливной планке К=2,8-3,2 [4].

Коэффициент К₂ определяется по рисунку 4.6.

Для большинства  колонн, за исключением абсорберов и десорберов сравнительно небольшого диаметра, К=1,01-1,02 [4].

 

 мм,  Dh»14 мм,

 

где м³/(м^.ч).

К₂=1,02 (рисунок 3.6) при .

 

Высота  сливной планки

 

h_п=h₃+h_откр+(h_погр-Dh-D)    (3.43)

 

h_п=10+31+(40-14-5)=62 мм.

 

Принимаем, что высота сливной планки 62 мм, тогда затопление прорезей составит 35 мм.

 

3.2.3 Диапазон  устойчивой работы тарелки

Для определения  диапазона устойчивой работы тарелок  построим линию минимально допустимых нагрузок. Линию минимально допустимых нагрузок для колпачковых тарелок можно построить, пользуясь графиком, приведенным на рисунке 3.7. На этом графике обозначает скорость пара в свободном сечении колонны, соответствующую началу равномерной работы тарелки.

Расчетная минимально допустимая скорость пара, при которой наблюдается устойчивая и эффективная работа колпачковой тарелки, должна быть несколько увеличена, а именно:

.  (3.44)

 

Координаты  линии минимально допустимых нагрузок определяем по рисунку 3.7 при h₃=10 мм и h_погр+Dh=25 мм:

при n_рL_V£80     ;

при n_рL_V=160    Y=0,12.

Для принятой конструкции тарелки число колпачков, приходящееся на    1 м² рабочей площади тарелки,

 

    (3.45)

 

.

 

I - (h_погр+Dh)=0; II - h₃=25 мм; 

1 - h₃=10 мм; 2 - (h_погр+Dh)=12 мм; 3 - (h_погр+Dh)=25 мм

 

Рисунок 3.7 - Линии минимально допустимых нагрузок по пару

для колпачковых тарелок с круглыми колпачками диаметром 10 мм

 

Число рядов  колпачков, перпендикулярных потоку жидкости, n_р=6.

Подставляя  значения , n_р и F_св в комплексы Y и n_pL_V и используя уравнение (3.44), получим при L_V£12,7 м³/(м^.ч)

 

    (3.46)

 

 м/с.

 

 м/с;

 

при L_V=23,7 м³/(м^.ч)

 

 м/с

 

 м/с.

 

На основании  полученных значений строим линию минимальных  нагрузок (рисунок 3.8); через точки, соответствующие  рабочим нагрузкам, проводим линию  АО.

Точка пересечения  этих прямых с линиями минимально допустимых нагрузок определяет минимально допустимые нагрузки. Диапазон устойчивой работы

 

.     (3.47)

.

 

Следовательно, производительность колонны может быть уменьшена в 3,84 раза без заметного понижения эффективности разделения.

 

1 - линия  минимальных нагрузок;

2 - линия  рабочих нагрузок

 

Рисунок 3.8 - Определение диапазона устойчивой работы тарелок 

вверху колонны

 

3.2.4 Гидравлическое  сопротивление тарелок

Сопротивление сухой тарелки обычно рассматривают  как потери скоростного напора газа (пара) вследствие преодоления ряда местных сопротивлений:

 

,    (3.48)

где x - коэффициент сопротивления сухой тарелки; с некоторым приближением коэффициент сопротивления колпачковых тарелок можно определить по рисунку 3.9 [4] в зависимости от отношения площади кольцевого зазора между колпачками и патрубком F_к к площади патрубка F_патр;

      w₀ – скорость паров в патрубках, м/с;

 

     (3.49)

 

.

 

По рисунку 3.9 x=2,6 при .

Тогда Па (40 мм вод. ст.).

Высота  погружения прорезей h_погр определяется как разность отметок верхней кромки сливной перегородки и верхнего обреза прорезей (см. рисунок 3.5). Высота открытия прямоугольных прорезей h_откр определяется по уравнению