Порядок расчета ректификационной тарельчатой колонны.

Основными величинами, определяемыми на основе расчета тарельчатых колонн, являются расстояние между тарелками, диаметр колонны и число тарелок.

Принимая во внимание, что обычно известны состав разделяемой смеси и условия разделения, выбирают тип тарелки, наиболее подходящий к рабочим условиям процесса, и межтарельчатое расстояние. Зная эти величины, можно определить предельно допустимую скорость, при которой наступает резкий унос жидкости на выше расположенную тарелку (это явление граничит с явлением захлебывания насадочной колонны). Для ситчатых тарелок, например, можно использовать уравнение Киршбаума:

(13,11)

Скорость газа (пара) в свободном сечении колонны принимается равной 0,8—0,9 w_np.

На основе известной величины w_G проверяют правильность выбора межтарельчатого расстояния h_T .

минимальное расстояние между тарелками, или необходимый гидравлический затвор, определяется соотношением

(13-13)

где — высота столба жидкости в сливном патрубке, обеспечивающая заданную скорость стекания жидкости, в

м; h₃ — высота столба жидкости в сливном патрубка, служащем гидравлическим затвором, в м; h₀ — расстояние от тарелки до нижнего обреза сливного патрубка в м.

Работа колонны с колпачковыми тарелками в значительной мере аналогична работе колонны с ситчатыми тарелками. Колпачковая тарелка имеет газовые или паровые патрубки, накрытые колпачками.Нижний обрез колпачков имеет прорези в форме треугольников,окружностей и т. д. (рис. 13-23, о).

Взаимодействующий с жидкостью газ (пар) проходит с расположенной ниже тарелки на расположенную выше через патрубки и распределяется в жидкости через прорези колпачков. Жидкость стекает навстречу газу (пару), перемещаясь с тарелки на тарелку через сливные устройства.

При большом диаметре колонн часто применяют вместо круглых колпачков прямоугольные, называемые обычно туннельными или желобчатыми и др.

Гидродинамические соотношения, характеризующие работу колонн с колпачковыми тарелками, мало отличаются от соотношений для колонн с ситчатыми тарелками. Гидравлическое сопротивление колпачковои тарелни, определяющее минимальное расстояние между тарелками, может быть найдено из равенства

(13-22)

где р_к — потери давления газового (парового) потока при проходе через колпачок в кгс/м²; р_ир — потери давления при проходе газа (пара) через прорези в кгс/м²; р_ж — перепад давления, необходимый для преодоления сопротивления столба жидкости на тарелке, в кгс/м². Сопротивление колпачка р_к с достаточной точностью можно определить, суммируя потери давления при преодолении местных сопротивлений, обусловленных сужением газовой струи и ее поворотами внутри колпачка.

Для обеспечения минимальных гидравлических сопротивлений обычно диаметры и высоту колпачков и паропроводных патрубков выбирают по принципу равных скоростей во всех сечениях, чему соответствует

(13.23)

где dп — диаметр патрубка в м; d_K — диаметр колпачка в ж; h_K — высота расположения колпачка над патрубком в м.

Таким образом, сопротивление колпачка может быть вычислено по формуле

где w_n — скорость газа (пара) в патрубке в м/сек; £ — сумма всех сопротивлений. Сопротивление прорезей можно найти по уравнению

где = l,5 — коэффициент местного сопротивления при проходе газа через прорезь; w_np — скорость газа (пара) в прорези в м/сек; р_а — сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения. В данном случае

(13-26)

где d_r — гидравлический диаметр открытого отверстия прорези. Сопротивление прорезей обусловлено степенью их открывания во время барботажа. Эта зависимость выражается равенством

(13-27)

где I — высота открытия прорези.

Для определения диаметра колонны надо знать поток газа (пара) по колонне и скорость газа (пара) в свободном сечении колонны w_G При проведении процесса ректификации из материального баланса находят величину G_p

Количество пропускаемого пара через колонну равно G_p_* (R +1). При известных значениях w_G и количества газа (пара), - пропускаемого в колонне, диаметр колонны определяется из уравнения расхода:

где — линейная скорость газа (пара) в свободном сечении колонны в м/сек²; G — количество пропускаемого газа (пара) в кг/ч; p_G — плотность газа (пара) в кг/м³.

Чтобы определить число тарелок колонны, рассмотрим предварительно принцип работы тарелки. В отличие от насадочного аппарата, схема работы которого близка к модели полного вытеснения пара и жидкости, на тарелке наблюдается перекрестный ход тока газа (пара) к потоку жидкости

С верхней тарелки жидкость приходит концентрацией х_н, протекает по тарелке и за счет массообмена с паром уходит с тарелки, имея концентрацию х_к, отличающуюся от х_н. Газ (пар) приходит с ниже расположенной тарелки при концентрации у_н и уходит с тарелки при концентрации у_к

Схема изменения концентрации жидкости в координатах l-x (где I — длина пути жидкости на тарелке) представлена на рис. 13-24. Концентрация жидкости х_н меняется скачком до концентрации (смешение двух жидкостей с различными концентрациями легколетучего), и далее плавно от х'_а меняется до х_к. Если бы на тарелке вследствие барботажа пара происходило полное перемешивание жидкости, то концентрация жидкости на всем участке оставалась постоянной и равной х_к. Исключая отдельные частные случаи, можно принять с небольшой ошибкой, что на тарелке происходит полное перемешивание жидкости, ее концентрация по всей длине тарелок равных х_к. газ(пар) вдоль зоны контакта фаз(по высоте

Рис. 13-24. Схема распределения Рис. 13-25. Схема работы тарелок

концентраций жидкости на тарелке. в х — (/-диаграмме.

слоя жидкости) полностью вытесняется, а его концентрация меняется от у_н до у_к.

Рассмотрим на графике (рис. 13-25) схему работы тарелки. Для этого построим равновесную кривую 1 и рабочую линию процесса 2. Уравнение рабочей линии связывает концентрации газа (пара) и жидкости над и под тарелкой для любой тарелки.

Пар, барботируя через жидкость, не приходит в состояние равновесия с ней, поэтому у_к < у_р. Концентрация жидкости в случае полного ее перемешивания меняется скачком до х_к- этому изменению соответствует пунктирная линия BD. Концентрация пара изменяется от у_н до у_к- этому изменению соответствует линия А В.

Начальной движущей силой по пару будет являться разность Ур ~ Ун, конечной у_р — у_к, а средней движущей силой —

Соответственно число единиц переноса для тарелои:

Из исходного графика и равенства следует: или Зная величину е , можно найти положение точки В. Выше и ниже расположенные тарелки изобразятся на диаграмме аналогичными ступеньками, причем концентрация жидкости, стекающей с выше расположенной тарелки, будет величиной х_н, а концентрация жидкости, покидающей тарелку ABD, будет начальной концентрацией жидкости для ниже расположенной тарелки. Зная для двух соседних тарелок величины е , можно также найти положение точек В' и В". Линия, проходящая через эти точки, носит название кинетической кривой.

Следовательно, чтобы найти число тарелок колонны, достаточно между кинетической и рабочей линиями вписать ступенчатую ломаную линию в интервале рабочих концентраций; число ступеней этой ломаной равно искомому числу реальных тарелок нолонны.

Положение кинетической линии можно определить так. Из основного уравнения массопередачи, записанного для одной тарелки

Получим

Поверхность контанта фаз в случае барботажа определить труднее. Поэтому коэффициент массопередачи относят к площади барботажа тарелки F₆ и обозначают K_yf, а число единиц переноса как

Коэффициент массопередачи рассчитывают с учетом известных коэффициентов массоотдачи в паровой и жидкой фазах по уравнению аддитивности

где т — тангенс угла наклона равновесной линии для участка одной тарелки (участки кривой равновесных составов для одной тарелки спрямляются).Таким образом, положение кинетической линии можно найти,определив K_Yf для ряда проведенных линий АВ между рабочей и равновесной зависимостями, вычислив значение е^ту и величины СВ.

Эффективность тарелки по Мерфри представляет собой отношение действительного изменения концентраций в газовой (паровой) фазе к предельно возможному. Предельно возможное изменение концентраций будет в том случае, если пар, уходящий с тарелки, находится в равновесии с жидкостью, уходящей с тарелки.

Если на тарелке имеет место градиент концентраций жидкости по ходу ее движения, то газ (пар) непосредственно над жидкостью в различных точках тарелки будет разного состава. Из литературы известно, что вследствие высокой турбулизации газового (парового) потока газ (пар), подходя к следующей тарелке, практически полностью перемешан; его концентрация под тарелкой постоянна по сечению колонны:

где у_Т — концентрация пара в какой-либо точке тарелки непосредственно над жидкостью состава х_т; у_рт — концентрация пара, равновесного с жидкостью состава х_т.

Очевидно, что в случае полного перемешивания жидкости у_т = = у_K, х_т = х_к,

<17 18 192021 22 23 >

Дата добавления: 2015-01-24; просмотров: 2561;