Проектирование и автоматизированный расчёт ректификационной колонны непрерывного действия для разделения бинарной смеси ацетон – этан

Температурный коэффициент может  быть определён по эмпирической формуле

,                                           (3.45)

 

где - плотность жидкости при 20 ^оС, кг/м³.

Плотность жидкого ацетона при 20 ^оС .

Плотность жидкого этанола при 20 ^оС .

Плотность жидкости для верхней  части колонны при 20 ^оС по формуле (3.25) равна

 

.

 

 

 

Плотность жидкости для нижней части  колонны при 20 ^оС по формуле (3.25) равна

 

.

 

Температурный коэффициент для  верхней части колонны по формуле (3.45) равен

 

.

Температурный коэффициент для  нижней части колонны по формуле (3.45) равен

 

.

 

Коэффициент диффузии в жидкости для  верхней части колонны при  61,09 ^оС по формуле (3.44) равен

 

.

 

Коэффициент диффузии в жидкости для нижней части колонны при 71,15 ^оС по формуле (3.44) равен

 

.

 

 

 

Коэффициент диффузии в паровой  фазе может быть вычислен по уравнению

,                            (3.46)

 

где - температура, К;

 - абсолютное давление, Па.

Коэффициент диффузии в паровой  фазе для верхней части колонны  при 62,642 ^оС по формуле (3.46) равен

 

.

 

Коэффициент диффузии в паровой  фазе для нижней части колонны  при 73,555 ^оС по формуле (3.46) равен

 

.

 

Коэффициенты массоотдачи в  жидкой фазе определяются по соотношению

                          .           (3.47)

 

 

 

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе для верхней части колонны по формуле (3.47) равен

 

.

 

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе для нижней части колонны  по формуле (3.47) равен

 

.

Коэффициенты  массоотдачи в паровой фазе определяются по соотношению

 

.              (3.48)

 

Коэффициент массоотдачи в паровой  фазе для верхней части колонны  по формуле (3.48) равен

 

.

 

Коэффициент массоотдачи в паровой фазе для нижней части колонны по формуле (3.48) равен

 

.

Пересчитаем коэффициенты массоотдачи  на кмоль/(м²∙с) по соотношению

 

.                                             (3.49)

 

Для верхней части колонны коэффициенты массотдачи в жидкой и паровой фазах по формуле (3.49) равны

 

,

.

 

Для нижней части колонны коэффициенты массотдачи в жидкой и паровой фазах по формуле (3.49) равны

 

,

.

Коэффициенты  массоотдачи, рассчитанные по средним  значениям скоростей и физических свойств паровой и жидкой фаз, постоянны для верхней и нижней частей колонны. В то же время коэффициент массопередачи – величина переменная, зависящая от кривизны линии равновесия, т.е. от коэффициента распределения. Поэтому для определения данных, по которым строится кинетическая линия, необходимо вычислить несколько значений коэффициента массопередачи в интервале изменения состава жидкости от до .

Пусть . Коэффициент распределения компонента по фазам (тангенс угла наклона равновесной линии в этой точке) .

Коэффициент массопередачи вычисляется  по формуле

 

.                                        (3.50)

Коэффициент массопередачи  по формуле (3.50) равен

 

.

 

Общее число единиц переноса на тарелку  определяется по уравнению

 

,                                           (3.51)

.

 

Локальная эффективность определяется по уравнению

 

,                                         (3.52)

.

 

Фактор массопередачи для верхней  части колонны определяется по уравнению

.                                        (3.53)

Фактор массопередачи для  нижней части колонны определяется по уравнению

 

,                                       (3.54)

 

где - относительный мольный расход питания.

Относительный мольный расход питания определяется по соотношению

 

,                                          (3.55)

.

Фактор массопередачи по формуле (3.53) равен

 

.

 

Долю байпасирующей жидкости примем равной 0,1.

 

Число ячеек полного  перемешивания определяется по уравнению

 

,                                                (3.56)

 

где - длина пути жидкости на тарелке, м;

- длина пути, соответствующая  одной ячейке перемешивания, м.

Длину пути, соответствующую одной  ячейке перемешивания примем равной 0,35 м.

 

Длину пути жидкости на тарелке определим  по формуле 

 

,                                         (3.57)

.

 

Число ячеек полного перемешивания  по формуле (3.56) равно

 

.

Поверхностное натяжение  воды при 66,12 ^оС Н/м.

Поверхностное натяжение этанола при 66,12 ^оС Н/м.

Поверхностное натяжение ацетона  при 66,12 ^оС Н/м.

Т.к. поверхностные натяжения ацетона  и этанола практически равны, то можно найти среднее поверхностное  натяжение  =18,173 Н/м.

Относительный унос жидкости в тарельчатых колоннах определяется в основном скоростью пара, высотой сепарационного пространства и физическими свойствами жидкости и пара. В настоящее время нет надежных зависимостей, учитывающих влияние физических свойств потоков на унос, особенно для процессов ректификации.

Для этих процессов  унос можно оценить с помощью  графических данных /1, стр. 242/. По этим данным унос на тарелках является функцией комплекса Коэффициент m, учитывающий влияние на унос  физических свойств жидкости и пара определяют по уравнению:

 

                             

,                             (3.58)

,

.

 

Высота сепарационного пространства равна расстоянию между верхним уровнем барботажного слоя и плоскостью тарелки, расположенной выше:

 

.                             (3.59)

 

где - межтарельчатое расстояние, равное 0,4 м.

Высота барботажного слоя (пены)

                                                 .                                                   (3.60)

 

Определим высоту барботажного слоя по формуле (3.60)

 

,

.

 

Высота сепарационного пространства определяется по формуле (3.59):

 

,

.

 

 

 

 

Следовательно, комплекс будет равен:

 

,

.

 

При таком значении комплекса значения уноса равны 0,17 и 0,18, значит среднее значение уноса будет равно /1, стр. 242/.

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 байпасирующей жидкости приближенно определяется следующими уравнениями.

Коэффициент В определяется по формуле

 

,                                     (3.60)

.

 

Коэффициент определяется по формуле

 

,                                   (3.61)

.

 

Коэффициент определяется по формуле

 

,                                        (3.62)

.

 

Эффективность тарелки по Мэрфри определяется по соотношению

 

,                                      (3.63)

.

Концентрация  легкокипящего компонента в паре на выходе из тарелки определяется по соотношению

 

,                                    (3.64)

 

где - концентрация легкокипящего компонента в паре на входе в тарелку;

- концентрация легкокипящего  компонента в паре равновесная с жидкостью на тарелке.

Концентрация легкокипящего компонента в паре на входе в тарелку определяется из рабочей линии рисунка Г.1. При  .

Концентрация легкокипящего компонента в паре равновесная с жидкостью на тарелке определяется из равновесной линии рисунка Г.1. При .

Концентрация легкокипящего компонента в паре на выходе из тарелки по формуле (3.64) равна

 

.

 

Аналогичным образом подсчитаны и для других составов жидкости. Результаты расчётов параметров, необходимых для построения кинетической кривой приведены в таблице 3.2.

 

Таблица 3.2 - Результаты расчётов параметров

	Н.Ч. колонны		Верхняя часть колонны
	0,2	0,25	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	0,95	1
	1,21	1,068	0,965	0,822	0,726	0,655	0,601	0,558	0,523	0,507	0,493
	0,053	0,055	0,046	0,048	0,05	0,051	0,052	0,053	0,053	0,054	0,054
	2,279	2,347	2,023	2,116	2,184	2,236	2,278	2,312	2,342	2,355	2,367
	0,898	0,904	0,868	0,879	0,887	0,893	0,897	0,901	0,904	0,905	0,906
	0,738	0,667	1,325	1,175	1,072	0,995	0,936	0,887	0,847	0,83	0,814
	1,136	1,121	1,307	1,269	1,242	1,222	1,206	1,194	1,183	1,179	1,174
	1,044	1,04	1,082	1,083	1,081	1,08	1,078	1,076	1,074	1,073	1,072
	0,934	0,931	0,825	0,825	0,824	0,823	0,822	0,821	0,82	0,819	0,819
	0,411	0,474	0,515	0,594	0,662	0,728	0,791	0,855	0,92	0,955	0,99

Взяв из таблицы 3.2 значения и строим кинетическую линию в рисунке Е.1. Графическим построением ступеней изменения концентрации между рабочей и кинетической линиями определяем число действительных тарелок для нижней части колонны и верхней части колонны .

Общее число тарелок ректификационной колонны определится соотношением

 

,                                          (3.65)

.

 

Высоту тарельчатой ректификационной колонны определим по формуле

 

,                                  (3.66)

 

где - расстояние между верхней тарелкой и крышкой колонны, м;

- расстояние между днищем  колонны и нижней тарелкой, м.

В соответствии с диаметром колонны  расстояние между верхней тарелкой и крышкой колонны равно 1 м [1], расстояние между днищем колонны и нижней тарелкой равно 2 м [1].

Общая высота колонны по формуле (3.66) равна

 

.

 

3.1.5 Гидравлическое сопротивление  тарелок колонны

 

Гидравлическое сопротивление  тарелок колонны определяется по уравнению

 

,                                   (3.67)

 

где и - гидравлическое сопротивление тарелки соответственно верхней и нижней частей колонны, Па.

 

Гидравлическое сопротивление  тарелки определяется по формуле

 

,                                    (3.68)

 

где - гидравлическое сопротивление сухой тарелки, Па;

- гидравлическое сопротивление  газожидкостного слоя на тарелке, Па;

- гидравлическое сопротивление,  обусловленное силами поверхностного натяжения, Па.

 

Гидравлическое сопротивление  сухой тарелки определяется по формуле

 

,                                          (3.69)

где - коэффициент сопротивления сухой тарелки.

Для колпачковой тарелки типа ТСК-Р  примем коэффициент сопротивления равным 4,5.

Гидравлическое сопротивление  сухой тарелки для верхней части колонны по формуле (3.69) равно

 

.

 

Гидравлическое сопротивление  сухой тарелки для нижней части  колонны по формуле (3.69) равно

 

 

Гидравлическое сопротивление  газожидкостного слоя на тарелке  определяется по формуле

 

.                                           (3.70)

 

Гидравлическое сопротивление  газожидкостного слоя на тарелке  для верхней части колонны  по формуле (3.70) равно

 

.