Ректификационная установка непрерывного действия

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

                                                           (1.9)

                                         (1.10)

где и - мольные массы дистиллята и исходной смеси;

       и - средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны.

               Мольную массу дистиллята в  данном случае можно принять  равной мольной массе легколетучего  компонента – этилацетат. Средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равны:

                                              (1.11)

                                              (1.12)

где и - мольные массы этилацетата и толуола;

       и - средний мольный состав жидкости соответственно в верхней и нижней частях колонны:

Тогда

Мольная масса исходной смеси:

Подставим рассчитанные величины в  уравнения (1.9) и (1.10), получим:

Средние массовые потоки пара в верхней  и нижней частях колоны соответственно равны:

                                                 (1.13)

                                                (1.14)

где и - средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны:

 

                                          (1.15)

                                              (1.16)

где и - мольные массы этилацетата и толуола, [3 c.36];

       и - средний мольный состав пара соответственно в верхней и нижней частях колонны:

 

Тогда

Подставим численные значения в уравнение , получим:

 

1.2 Определение плотности и вязкости

                   Найдём плотности жидкости , и пара , в верхних и нижних час-тях колонны, при средних температурах в них .

Средние температуры паров  определим по диаграмме по средним составам фаз: [3 c.36].

Тогда

                                                      (1.17)

                                                         (1.18)

Отсюда получим:

Плотность физических смесей жидкостей подчиняется закону аддитивности:

                                             (1.19)

где - объёмная доля компонента в смеси;

       , - плотности компонентов, при средней температуре жидкости вверху и внизу колонны, кг/м³.

               Произведём пересчёт из мольных долей в объёмные доли для этилацетата вверху колонны:

                                          (1.20)

где - мольная доля этилацетата в дистилляте;

       , , , - плотности и мольные массы этилацетата и толуола при 20 ⁰С соответственно,[3 c.36].

             Произведём пересчёт из мольных  долей в объёмные доли для  этилацетата в кубовой части колонны:

  

где - мольная доля этилацетата в кубовой части колонны;

     , , ,   - плотности и мольные массы этилацетата и толуола при 20 ⁰С соответственно, [3 c.36].

Подставим в уравнение (1.20), получим:

Вязкость жидких смесей находим по уравнению:

                                         (1.21)

где и - вязкости жидких этилацетата и толуола при температуре смеси, Па∙с

[2 рис. V c. 556].

         

 

                                                    (1.22)

Подставив численные значения, получим:

 

         Необходимо определить вязкость паров и коэффициенты диффузии в жидкой и паровой фазах. Вязкость паров для верхней части колонны:

 

                                       (1.23)

где и - вязкость паров этилацетата и толуола при средней температуре верхней части колонны, [3 c.36], мПа с;

Примечание: так как нет  надёжных данных для определения  вязкости паров этилацетата, поэтому берём вязкость паров для диэтилового эфира.

      - средняя концентрация паров:

Подставив, получим:

Аналогично расчётом для нижней части колонны находим

                                      (1.24)

                 

 Коэффициент диффузии в жидкости  при средней температуре t (в ⁰С) равен:

                                                   (1.25)

         Коэффициенты диффузии в жидкости при 20 ⁰С можно вычислить по приближён-ной формуле:

                                                 (1.26)

где А, В – коэффициенты, зависящие  от свойств растворённого вещества и растворителя;

      - мольные объёмы компонентов в жидком состоянии при температуре кипения, см³/моль;

       - вязкость жидкости при 20 ⁰С, мПа∙с,[2 табл. V c.556].

         Вычислим вязкость жидкости для верхней части колонны при температуре 20 ⁰С:

         Вычислим  вязкость жидкости для нижней  части колонны при температуре  20 ⁰С:

         Тогда коэффициент диффузии в жидкости для верхней части колонны при 20 ⁰С равен:

         Температурный коэффициент b определяют по формуле:

                                                       (1.27)

где и принимают при температуре 20 ⁰С, [2 табл. V c.556 и 3 с.36].

         Плотность жидкости при 20 ⁰С в верхней и нижней частей колонны найдём по формуле:

Тогда

Тогда

Подставим полученные численные значения для определения температурного коэффициен-та:

         Отсюда

         Аналогично для нижней части колонны находим:

Коэффициент диффузии в жидкости для  нижней части колонны при 20 ⁰С равен:

Температурный коэффициент b определяют по формуле:

Тогда коэффициент диффузии в жидкости для нижней части колонны:

 

1.3 Скорость пара и диаметр колонны

Допустимая скорость в  верхней и нижней частях колонны соответственно равна:

                                                         (2.29)                                        

                                                          (2.30)                                        

                          

Ориентировочный диаметр колонны  определяют из уравнения расхода:

                                                           (2.31)

Как правило, несмотря на разницу в  рассчитанных диаметрах укрепляющих  и исчерпывающей частей колонны (вследствие различия скоростей и расходов паров), изготовляют колонну единого диаметра, равного большему из рассчитанных.

         В данном  случае скорости  и мало отличаются друг от друга; используем в расчете среднюю скорость паров:

 

Принимаем средний массовый поток пара в колонне равным полусумме :

Средняя плотность паров:

Диаметр колонны

Выберем стандартный диаметр обечайки колонны [1 разд. 5.1.4 c.197].

При этом рабочая скорость пара:

По каталогу для колонны диаметром 1600 мм выбираем ситчатую однопоточную тарелку    ТСР со следующими конструктивными размерами [1 c.216]:

                                Диаметр отверстий в тарелке                          

                                Шаг между отверстиями                                       t=16 мм

                                Относительное свободное сечение тарелки

                                Высота переливного порога                          

                                Ширина переливного порога                           

                                Рабочее сечение тарелки                               

Скорость пара в рабочем сечении  тарелки 

                                                      (2.32)

где - рабочее сечение тарелки, м²;

        - диаметр колонны, м;

       - рабочая скорость пара, м/с.

 

1.4 Высота колонны.

Число действительных тарелок в колонне может быть определено графоаналитическим методом (построением кинетической линии). Для этого необходимо рассчитать общую эффективность массопередачи на тарелке (к. п. д. по Мэрфри). Эффективность тарелки по Мэрфри с учетом продольного перемешивания, межтарельчатого уноса и доли байпаси-рующей жидкости приближенно определяется следующими уравнениями:

                                                    (2.33)

                                                     (2.34)

                                                (2.35)

                                                 (2.36)

где − фактор массопередачи для укрепляющей части колонны;

       − фактор массопередачи для исчерпывающей части колонны;

       − локальная эффективность по пару;

        е − межтарельчатый унос жидкости, кг жидкости/кг пара;

       − доля байпасирующей жидкости;

        S— число ячеек полного перемешивания;

        т — коэффициент распределения компонента по фазам в условиях равновесия.

          Локальная эффективность Е_у связана с общим числом единиц переноса по паровой фазе на тарелке п_оу следующим соотношением:

                                                          (2.37)

где

                                                          (2.38)

где K_yf — в кмоль/(м²∙с);

      М' — средняя мольная масса паров, кг/кмоль.

В настоящее время нет достаточно надежных данных для определения  поверхности контакта фаз, особенно эффективной поверхности массопередачи при барботаже на тарелках. Поэтому обычно в расчетах тарельчатых колонн используют коэффициенты массопередачи, отнесенные к единице рабочей площади тарелки (K_yf). Коэффициент определяют по урав-нению аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений: