Ректификационная установка для разделения бензол -толуол

б).в  нижней  части колонны: х''_ср= (x_F + x _w)/2 =(0,4+0,06)/2= 0,23 

Средние  концентрации  пара  находим  по  уравнениям  рабочих  линий:

а). в  верхней части колонны: y'_ср = 0,69*0,65+0,28=0,73

б).в  нижней  части колонны: y''_ср = 1,45*0,23 – 0,07=0,26

Находим : t'_ср=96°C   t''_ср= 105°C

t_ср=( t'_ср+ t''_ср)/2= (96+105)/2= 100,5°С

Средние  мольные  массы  и  плотности  пара:

а).М'_ср= 0,73*78,1+0,27*92,1=81,9 кг/кмоль

ρ'_ср =  М'_ср*Т_о/22,4Т'_ср = 81,9*273/(22,4*373,5)= 2,67 кг/м³

б). М''_ср= 0,23*78,1+0,77*92,1= 88,9 кг/кмоль;

ρ''_ср =  М''_ср*Т_о/22,4Т''_ср= 88,9*273/(22,4*373,5)= 2,90 кг/м³;

Средняя  плотность  пара  в  колонне:

ρ_п=(ρ'_ср+ρ''_ср)/2=(2,67+2,90)/2= 2,79 кг/м³;

V= = 0,17 м³/с;

Массовый  расход  пара  в  колонне:

G_п=ρ_п*V=2,79*0,17= 0,47 кг/с

Массовый  расход жидкости в верхней части колонны:

L= G_D * R =490*2,25= 1103 кг/ч

в нижней части колонны:

L_низ= L + G_F = 1103+ 1200=2303 кг/ч 

3.4.Определение диаметра колонны и основных характеристик контактного устройства.

   Предельная  скорость пара для колпачковых тарелок:

       W_пр =   ,где

   где:  Н = 300 мм – принятое расстояние между тарелками;

            r_х = 797,5 кг/м³ – средняя плотность жидкости по колонне;

            r_у = 2,79 кг/м³ – средняя плотность пара по колонне

            d_к = 80 мм – диаметр колпачка;

   Температура вверху колонны при x_D = 0.9 равняется ~83°C,а в кубе-испарителе при x_W = 0.06 она равна ~103°C.

   Плотность жидкого  толуола при температуре 103°С в колонне ρ_тол. = 785кг/м³, плотность бензола вверху колонны ρ_б = 810 кг/м³.

   Принимаем среднюю плотность в колонне  ρ_x = ( 785+810)/2= 797,5 кг/м³.

          W_пр = = 0,50 м/с 

   Рабочая скорость пара в свободном сечении колонны:

   W_раб = 0.75…0.9W_пр.

   Принимаем: W_раб = 0.75* W_пр =0,8*0,50= 0,4 м/с

   Диаметр ректификационной колонны:

       D= = =0,73 м

   Принимаем D = 0,8 мм.

3.5.Выбор типа и гидравлический расчет контактного устройства 

   Контактное  устройство по заданию – колпачковая тарелка. Выбираем тарелку Т_I для диаметра 800 мм(данный тип тарелок применяют при диаметрах колонн от 600 до 1000мм). Количество колпачков– 24, периметр слива L = 570 мм, диаметр колпачка d_к =80 мм, расстояние между колпачками – 110 мм; свободное сечение колонны 0,503м²; площадь слива 0,021м².

   Общее гидравлическое сопротивление тарелки  определяется по формуле:

   ΔР_тар= ΔР_сух + ΔР_δ + ΔР_ст

   где: DP_сух – сопротивление сухой тарелки, Па;

       DР_s - сопротивление, вызванное силами поверхностного натяжения, Па;

       ΔР_сух =ζ (W_раб/0,1)² ρ_y /2 = 5.5 (0.4/0,1)² 2,79 /2 =122,8 Па

   где: x - коэффициент сопротивления, для колпачковой тарелки принимается 5.5

       rу – средняя плотность пара в колонне;

       ΔР_δ = 4*δ /d_экв =4*19,5*10^-3/8,57*10^-3 = 9,1 Па;

       d_экв = 4*f_пр /П= 4*0,005*0,03/(2*(0,03+0,005)=8,57*10^-3 мм

       f_пр = 0,005*0,03 =1,5*10^-4 м²

       П = 2(0,005*0,03) м

       W_раб – скорость пара в колонне;

   где: s - поверхностное натяжение жидкости при средней температуре в верхней части колонны;

   δ=19,5*10^-3 Н/м;

       d_э – эквивалентный диаметр прорези колпачка,

       П – периметр и f_пр – площадь прорези колпачка,

       DР_ст – статическое сопротивление слоя жидкости на тарелке, Па;

       ΔР_ст = h_ст * ρ_п * 9,81=0,0425*399*9,81=166,2 Па;

       ρ_п = 0,5*ρ_х = 0,5*797,5=399 кг/м³

     где: r_п – плотность парожидкостного слоя на тарелке,

   h_ст= h_отк + h_погр/2 + Δh = 0.025/2+0.030=0.0425 м

       h_ст – высота барботажа на тарелке,

       h_отк – высота открытия прорезей, принимается равной высоте прорезей 0.03м,

       h_погр – высота погружения прорезей, принимается равной 0.025м,

       Dh – величина превышения уровня жидкости над сливной перегородкой, при средних диаметрах колонн можно не учитывать. 

   Следовательно, общее гидравлическое сопротивление  тарелки:

   ΔР_тар= 166,2 +9,1 + 122,8 =298,1 Па;

   Проверяем выбранное расстояние между тарелками: минимальное расстояние между ними должно быть равным

   H_мин= 2* = 2* = 0.04 м

   Выбранное ранее расстояние между тарелками  H = 300 мм подходит. 

                         3.6.Расчёт высоты колонны.

   Высота  рабочей части колонны определяется по уравнению:

   Н = Н_т n_т, где

   n_т – действительное число тарелок в колоне при при постоянном H_т между терелками.

   Действительное  число тарелок определяется графическим  методом, как число ступеней изменения  концентраций между рабочими и кинетической линией процесса.

   Сумммарное число единиц переноса по газовой фазе:

     n_oy = K_yf S_т / G = 22.4P_o T K_yf φ /(PT_o W_п),где

   G- расход паровой (газовой) фазы;

   φ= S_т/ S_a – отношение рабочего сечения тарелки к площади поперечного сечения колоны;

   K_yf – коэффициент массопередачи  по газовой фазе, отнесенной к единице поверхности фазового контакта;

   Р и Р_о – абсолютное давление в аппарате и нормальное атмосферное давление;

   Т – температура паровой фазы;

   1/ K_yf = 1/β_пf +m/ β_жf ,

   β_пf и β_;f – коэффициенты массоотдачи, отнесённые к единице контакта фаз по газовой (паровой) и жидкой фазам, определяемые из уравнений:

   β_пf = (0,79R_еп + 1,1*10⁴)

   β_жf = (3,8*10⁴ρ_жD_ж Р_rg^0.62 )/M_ж

   D_п и D_ж – коэффициенты молекулярной диффузии распределяемого компонента в веществе паровой (газовой) фазы;

   R_еп = W_п l ρ_п /μ_п – критерий Рейнольдса для паровой фазы;

   W_п - средняя скорость пара в сечении аппарата;

   ρ_п – средняя плотность пара;

   ρ_ж – средняя плотность жидкой фазы в колонне;

   M_ж – средняя молекулярная масса жидкости;

   Р_rg = υ_ж / D_ж – диффузионный критерий Прандтля для жидкой фазы;

   υ_ж – кинематический коэффициент вязкости жидкости в среднем сечении аппарата;

   m- коэффициент распределения, численно равный тангенсу угла наклона касательной к равновесной линии;

   Поскольку скорости пара в верхней и нижней части колоннах практически одинаковы, то расчёт коэффициента массопередачи производится для всей колонны по усреднённым характеристикам пара и жидкости, взятым для условий на питающей тарелке;

   υ_а , υ_b – мольные объёмы паров, определяемых как сумма атомных объёмов элементов, входящих в состав пара каждого вещества;

   υ_а = υ_бенз = 6υ_C + 6υ_H – υ_бенз кольц =6* 14.8+6*3.7-15,0=96,0 см³/моль

   υ_b = υ_толуол = 7υ_C + 8υ_H - υ _бенз кольц = 7*14.8 + 8*3.7 - 15 = 118.2 см³/моль [2;258]

   D_п = 2   = 2 = 5,3*10^-6 м² / с;

   Коэффициент молекулярной диффузии для жидкой фазы при температуре 20°С можно рассчитать по уравнению:

   D_ж =   2

   А и В – коэффициенты, учитывающие отклонение от нормы (склонность к ассоциации) растворов компонента А в В или наоборот;

   μ – динамический коэффициент вязкости растворителя при 20°С. Для этанола μ =0,7 мПа*с [ 2; 556] 

   D_ж20 =   2 = 19,7*10^-9 м²/с;

   Коэффициент диффузии при температуре t определяется по формуле:

   D_ж = D_ж20 [1+b( t -20)]

   Коэффициент b рассчитывается по уравнению: