Определение основных конструктивных размеров ректификационной колонны
Основными конструктивными размерами являются ее диаметр и высота H . Эти величины взаимосвязаны, так как обе зависят от скорости пара в свободном сечении колонны.
Диаметр колонны определяется в зависимости от скорости и количества поднимающихся в колонне паров
, (10.3)
где – скорость пара, отнесенная к полному поперечному сечению колонны, м/с; – секундный объем поднимающихся паров, м3/с .
, (10.4)
где – количество поднимающихся по колонне паров, кмоль/ч; средняя температура пара, град; – масса получаемого дистиллята из колонны; R– флегмовое число.
Если масса дистиллята выражена в кг/с, то объемный расход проходящего через колонну пара (м3 /с)
, (10.5)
Допустимая оптимальная скорость пара (м/с) в колонне
, (10.6)
где G– коэффициент, зависящий от конструкции тарелок, расстояния между ними, давления и нагрузки колонны по жидкости (определяется по графику); – плотность жидкости, кг/м3; – плотность пара, кг/м3 .
Если ,то .
Скорость пара в колонне можно также определить по другим формулам, приведенным в литературе. Подсчитав диаметр колонны, подбирают по нормалям и определяют конструктивные размеры основных элементов колонны и тарелки, количество паровых патрубков, размеры колпачка, диаметр и количество сливных труб.
Диаметр парового патрубка d = 50, 75, 100, 125, 150 мм. Задавшись диаметром d , определяют количество колпачков на тарелке. Сечение всех патрубков должно составлять 10 % сечения колонны. Тогда количество колпачков патрубков определяется из уравнения
.
Откуда
, (10.7)
Возвышение колпачка над паровым патрубком . Диаметр колпачка определяется из условия равенства скорости пара в паровом патрубке и кольцевом зазоре между колпачком и патрубком (м):
, (10.8)
где d – толщина стенки патрубка, м. Возвышение уровня жидкости над верхним уровнем прорезей колпачков мм.
Площадь сечения прорезей колпачка составляет 75 % площади сечения парового патрубка, т.е.
Принимают следующие размеры прямоугольных прорезей: ширина мм, высота мм, расстояние между прорезями мм. Минимальный зазор между колпачками равен 35 мм.
Диаметр сливного патрубка (м)
, (10.9)
где – среднее количество стекающей жидкости, кг/с; – скорость жидкости в сливном патрубке, м/с; – плотность стекающей жидкости, кг/м3 ; z = 1, 2, 4, 6, 8 – число сливных патрубков (зависит от и ).
Высота колонны зависит от скорости процесса массопередачи и определяется несколькими способами. Для барботажных колонн применяются в основном два способа.
Первый способ. Число тарелок определяется путем построения ступенчатой линии между кинетической кривой и рабочей линией.
Высота тарельчатой колонны зависит от числа тарелок и расстояния между ними h , которое выбирается на основании опытных данных
, (10.10)
Второй способ. Число действительных тарелок.
, (10.11)
где – число ступеней изменения концентраций ( теоретических тарелок, которое определяется графическим построением ломаной (ступенчатой) линии между кривой равновесия и рабочими линиями по диаграмме Y–X; - средний к.п.д. тарелки. Тогда
, (10.12)
где h – расстояние между тарелками ( в зависимости от скорости пара и давления в колонне принимается таким, чтобы свести к минимуму механический унос части жидкости парами), м.
Для выбора h в зависимости от диаметра колонны можно использовать следующие данные: диаметр колонны, м – 0 - 0,6; 0,6 - 1,2; 1,2 - 1,8; 1,8 и более; расстояние между тарелками h, мм– 152, 305, 46О, 610.
В ректификационных колоннах с круглыми колпачками, работающих под атмосферным давлением, расстояние между тарелками h = 250, 300, 350, 400, 450 мм. Обычно значение h находится в пределах 0,1 - 0,6 м.
Для насадочных колонн высота насадки H также определяется двумя способами.
Первый способ. Требуемая высота слоя насадки
или , (10.13)
где , – число единиц переноса ( определяется графическим построением ступеней, соответствующих единице переноса, если линия равновесия является прямой или близка к ней, то определяется аналитически:
(10.14)
где и – начальная и конечная концентрации низкокипящего компонента в паровой фазе; –равновесная концентрация низкокипящего компонента в паровой фазе (определяется по графику кривой равновесия).
Движущую силу можно выразить в единицах давления (упругости паров).
Высота единицы переноса (м)
, (10.15)
где: – расход пара, кг/с; – средний коэффициент массопередачи, кг/(м2 с); S – поперечное сечение колонны, м2; s н – удельная смоченная поверхность насадки, м2/м3.
Для определения коэффициента массопередачи используют диффузионный критерий Нуссельта
, (10.16)
где , - диффузионный критерий Прандтля; ; –плотность и коэффициент динамической вязкости пара, Н с/м2; – коэффициент диффузии пара, м2/с.
Если , то
, (10.17)
где и – коэффициенты массоотдачи; – эквивалентный диаметр насадки, м; – свободный объем насадки, м3 /м2 .
Второй способ. Высота насадки
, (10.18)
где – число теоретических тарелок (ступеней изменения концентраций); – высота слоя насадки, эквивалентного одной ступени изменения концентрации или одной теоретической тарелке.
Практически высота, эквивалентная одной теоретической тарелке, зависит от вида насадки и скорости пара (табл. 10.1).
Таблица 10.1 - Зависимость высоты от вида насадки и скорости пара.
Вид насадки | скорость пара, м/с | ,м |
Кольца Рашига керамические 25- 25 мм | 0.2 - 0.5 | 0.12 - 0.21 |
Кольца Рашига стеклянные 5.0 - 5.0 мм | 0.1 - 0.3 | 0.11 - 0.17 |
Спирали стальные 4 мм | 0.1 - 0.4 | 0.1 - 0.14 |
Спирали стальные 2.5 мм | 0.05 - 0.3 | 0.03 - 0.06 |
Зерна карборунда 4 мм | 0.03 - 0.1 | 0.04 - 0.13 |
Дата добавления: 2015-09-11; просмотров: 1472;