Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол

Таблица 3.3 Технические характеристики тарелки типа ТС–Р

диаметр отверстий d0, мм	5
шаг между отверстиями  при d0=5 мм t, мм	10–17
относительное свободное  сечение тарелки при t в пределах 10–17 мм FC, %	18.8–5.8
свободное сечение колонны S, м2	2.54
рабочее сечение тарелки  Sт, м2	2.294
высота переливного порога hПЕР, мм	40
периметр слива LC, м	1,32
ширина переливного порога b, м	0.289
расстояние между тарелками h, мм	300
коэффициент сопротивления  ξ	1.1–2.0
Примечание: t принимаем равным 15 мм FC рассчитан интерполяцией и равен 9,5% LC рассчитан и равен 1,32 м b рассчитан и равен 0.289 м ξ принимаем равным 1,85

Рассчитаем гидравлическое сопротивление тарелок для верхней  части колонны: 1. Найдем скорость пара в отверстиях тарелки:

2. Определим гидравлическое  сопротивление сухой тарелки  по формуле (2.62) при  =5.47 м/с:

3. Рассчитаем поверхностное  натяжение жидкости (бензол и  толуол) при средней температуре  в верхней части колонны t_ср.в.=89⁰С интерполяцией с использованием справочной информации по поверхностному натяжению веществ [8]:

·  Поверхностное натяжение бензола:

· 

При t=80⁰С→σ_Б=21.3·10^-3 Н/м, при t=100⁰С→σ_Б=18.8·10^-3 Н/м

·  Поверхностное натяжение толуола:

При t=80⁰С→σ_Т=21.5·10^-3 Н/м, при t=100⁰С→σ_Т=19.4·10^-3 Н/м

Тогда:

4. Определим сопротивление,  обусловленное силами поверхностного  натяжения по формуле (2.64):

5. Определим объемный  расход жидкости в верхней  части колонны по формуле (2.65):

 

6. Периметр сливной перегородки  (слива) L_C и ширину переливного порога b находим, решая систему уравнений:

Решение дает: L_C=1.32 м; b=0.289 м

7. Находим высоту слоя  над сливной перегородкой по  формуле (2.67):

8. Рассчитаем высоту парожидкостного  слоя на тарелке по формуле  (2.69):

 

9. Определим сопротивление  парожидкостного слоя по формуле  (2.71):

Итак, гидравлическое сопротивление  тарелки в верхней части колонны  составит по (2.61):

Рассчитаем гидравлическое сопротивление тарелок для нижней части колонны:

1. Определим гидравлическое  сопротивление сухой тарелки  по формуле (2.63) при  =5.47 м/с:

2. Рассчитаем поверхностное  натяжение жидкости (бензол и  толуол) при средней температуре  в нижней части колонны t_ср.н.=103⁰С интерполяцией с использованием справочной информации по поверхностному натяжению веществ [8]:

·  Поверхностное натяжение бензола:

При t=100⁰С→σ_Б=18.8·10^-3 Н/м; при t=120⁰С→σ_Б=16.4·10^-3 Н/м

·  Поверхностное натяжение толуола:

 

При t=100⁰С→σ_Т=19.4·10^-3 Н/м; при t=120⁰С→σ_Т=17.3·10^-3 Н/м

Тогда:

3. Определим сопротивление,  обусловленное силами поверхностного  натяжения по формуле (2.64):

5.Определим объемный расход  жидкости в нижней части колонны  по формуле (2.66):

 

5. Находим высоту слоя  над сливной перегородкой по  формуле (2.68):

6. Рассчитаем высоту парожидкостного  слоя на тарелке по формуле  (2.70):

 

7. Определим сопротивление  парожидкостного слоя по формуле  (2.72):

Итак, гидравлическое сопротивление  тарелки в нижней части колонны  составит по (2.61):

Проверим, соблюдается ли при расстоянии между тарелками h=0.3 м необходимое для нормальной работы тарелок условие:

,

следовательно, условие выполняется.

Проверим равномерность  работы тарелок – рассчитаем минимальную  скорость пара в отверстиях ω_о,min достаточную для того, чтобы ситчатая тарелка работала всеми отверстиями.

ω_о<ω_о,min→5.47<6.94, следовательно, тарелки будут работать не всеми отверстиями.

 

3.7. Расчет числа  действительных тарелок графоаналитическим  методом (построение кинетических  кривых)

Определим вязкость жидкости (бензол и толуол) при температуре t=20⁰C в верхней и нижней частях колонны по формулам (2.94, 2.95):

а) в верхней части колонны  при ; :

б) в нижней части колонны:

Рассчитаем коэффициент  диффузии в жидкости при температуре t=20⁰С в верхней и нижней частях колонны по формулам(2.92,2.93):

а) в верхней части колонны  при ;

б) в нижней части колонны:

Определим плотность жидкости (смеси) при t=20⁰C в верхней и нижней частях колонны по формулам (2.46, 2.47):

а) в верхней части колонны:

при ;

б) в нижней части колонны:

при ;

Рассчитаем температурный  коэффициент b для верхней и нижней частей колонны по формулам (2.96, 2.97):

а) в верхней части колонны:

б) в нижней части колонны:

Рассчитаем коэффициент  диффузии в жидкости при средней  температуре в верхней и нижней частях колонны по формулам (2.90, 2.91):

а) в верхней части колонны:

 

б) в нижней части колонны:

Определим коэффициент диффузии в паровой фазе при средней  температуре в верхней и нижней частях колонны по формулам (2.98, 2.99):

а) в верхней части колонны  при t_ср.в.=89⁰С:

б) в нижней части колонны  при t_ср.н.=103⁰С:

Определим плотность орошения для верхней и нижней частей колонны  по формулам (2.100, 2.101): а) в верхней  части колонны:

б) в нижней части колонны:

 

Определим удельный расход жидкости на 1м ширины переливной перегородки  для верхней и нижней частей колонны  по формулам (2.88, 2.89):

а) в верхней части колонны:

б) в нижней части колонны:

Рассчитаем скорость пара в рабочем сечении тарелки  по формуле (2.79):

Рассчитаем показатель степени  в формуле расчета высоты светлого слоя жидкости по формуле:

Рассчитаем поверхностное  натяжение воды при t_ср.в.=89⁰С и t_ср.н.=103⁰С интерполяцией с использованием справочной информации по поверхностному натяжению воды [11]:

·  Поверхностное натяжение воды при t_ср.в.=89⁰С:

При t=80⁰С→σ_в=62.6·10^-3 Н/м; при t=100⁰С→σ_в=58.9·10^-3 Н/м

·  Поверхностное натяжение воды при t_ср.н.=103⁰С:

При t=100⁰С→σ_в=58.9·10^-3 Н/м; при t=120⁰С→σ_в=54.9·10^-3 Н/м

Определим высоту светлого слоя жидкости для верхней и нижней частей колонны по формуле (2.87):

а) в верхней части колонны:

б) в нижней части колонны:

Критерий Фруда определим  по формулам (2.83,2.84)

а) в верхней части колонны:

б) в нижней части колонны:

Определим паросодержание барботажного слоя по формулам (2.85, 2.86):

а) в верхней части колонны:

б) в нижней части колонны:

Рассчитаем коэффициенты массоотдачи, отнесенные к единице рабочей площади тарелки для жидкой и паровой фаз по формулам (2.81, 2.82):

а) в верхней части колонны:

б) в нижней части колонны:

Осуществим пересчет коэффициента массоотдачи из в :

а) в верхней части колонны:

б) в нижней части колонны:

 

 

При х=0,05 в нижней части колонны коэффициент распределения m (тангенс угла наклона равновесной линии в этой точке) равен 2,60.

По формуле (2.80) вычислим коэффициент массопередачи К_уf:

Определим число единиц переноса по формуле (2.78):

Рассчитаем локальную  эффективность по пару по формуле (2.77):

Фактор массопередачи для нижней части колонны:

, где

Тогда:

Рассчитаем В по формуле (2.76):

Далее определим значение Е′′_mу по формуле (2.75):

Определим Е′_mу по формуле (2.74):

Эффективность по Мэрфи находим по формуле (2.73), принимая e, равным 1:

При х=0,60 в верхней  части колонны коэффициент распределения m (тангенс угла наклона равновесной линии в этой точке) равен 0.82.

По формуле (2.80) вычислим коэффициент массопередачи К_уf:

Определим число единиц переноса по формуле (2.78):

Рассчитаем локальную  эффективность по пару по формуле (2.77)

Фактор массопередачи для верхней части колонны:

Рассчитаем В по формуле (2.76):

Далее определим Е′′_mу по формуле (2.75):

Определим величину Е′_mу по формуле (2.74):

Эффективность по Мэрфи находим по формуле (2.73), принимая e, равным 1:

Интерполяцией определим Y*, необходимое для нахождения Y_вых. Для расчета используем данные табл. 3.1.

В верхней части колонны:

при х=0.60:

при х=0.75:

при х=0.90:

В нижней части колонны:

при х=0.05:

при х=0.15:

при х=0.30:

По уравнениям рабочих  линий находим Y_вх:

В верхней части колонны:

При х=0.60→

При х=0.75→

При х=0.90→

В нижней части колонны:

При х=0.05→

При х=0.15→

При х=0.30→

Используя, ранее рассчитанные Y*, Y_вх и Е_my, определим Y_вых:

 

В верхней части колонны:

В нижней части колонны:

Результаты расчета параметров, необходимых для построения кинетической линии, приведены в табл. 3.4:

Таблица 3.4 Данные для построения кинетической линии

параметр	Нижняя часть			Верхняя часть
x	0.05	0.15	0.30	0.60	0.75	0.90
m	2.60	1.87	1.34	0.82	0.65	0.51
Kyf	0.09	0.10	0.11	0.10	0.10	0.11
noy	4.79	5.32	5.85	5.11	5.11	5.62
Ey	0.99	0.99	0.99	0.99	0.99	0.99
λ	1.83	1.31	0.94	1.21	0.96	0.75
В	2.01	1.44	1.03	1.32	1.06	0.83
E''my	2.17	1.75	1.49	1.67	1.51	1.38
E'my	1.51	1.40	1.28	1.37	1.30	1.23
Emy	0.69	0.67	0.64	0.42	0.42	0.41
Y*	0.11	0.29	0.51	0.79	0.88	0.96
Yвх	0.06	0.21	0.43	0.72	0.82	0.92
Yвых	0.09	0.26	0.48	0.75	0.85	0.94

 

 

Используя данные табл. 3.4, наносим  на диаграмму равновесия между паром и жидкостью в системе бензол–толуол при флегмовом числе R=2.12 точки, по которым проводим кинетическую линию (см. рис. 3.23).

Рис. 3.23. Определение числа  действительных тарелок бензольно-толуольной смеси при флегмовом числе R=2.12

Построением ступеней между  рабочей и кинетической линиями  определим число действительных тарелок для верхней (укрепляющей) и нижней (исчерпывающей) частей колонны.

Общее число действительных тарелок:

 
4. Выбор конструкционного  материала аппарата и опор

Оборудование современных  процессов нефтепереработки и нефтехимии должно работать при низких и высоких  температурах, значительных механических напряжениях, в агрессивных рабочих  средах. Поэтому материалы, применяемые  в нефтезаводском, нефтехимическом  машиностроении, должны непременно обладать радом свойств:

•  высокой механической прочностью;

•  высокой жаропрочностью, т.е. способностью сохранять необходимую прочность при работе в условиях высоких температур;

•  сохранением свойств после резких теплосъемов;

•  высокими вязкостью и усталостными свойствами (циклической прочностью) – устойчивостью против знакопеременных или повторных однозначных нагрузок;

•  малой склонностью к старению, т.е. к неблагоприятному изменению с течением времени механических свойств, выражающемуся в снижении вязкости и повышении твердости и прочности.

•  высокой коррозионной стойкостью в агрессивных средах, а также жаростойкостью – устойчивостью против химического разрушения при высоких температурах.

Следовательно, конструкционный  материал подбирается в зависимости  от таких важных факторов как тепловая нагрузка аппарата, температурные условия  процесса, физико-химические параметры  рабочих сред, условия теплообмена, характер гидравлических сопротивлений, вид материала и его коррозийную  стойкость, простота устройства и компактность, расположение аппарата, взаимное направление  движения рабочих сред, возможность  очистки поверхности теплообмена  от загрязнений, расход металла на единицу  переданной теплоты и другие технико-экономические  показатели. Для изготовления оборудования применяют углеродистые и легированные стали, серый, модифицированный и легированные чугуны, цветные металлы и сплавы, а также неметаллические материалы.

Химические продукты в  той или иной мере всегда вызывают коррозию материала аппарата, поэтому  для изготовления их применяют различные  металлы (железо, чугун, алюминий) и  их сплавы. Наибольшее применение находят  стали. Стали с низким содержанием  углерода хорошо штампуются, но плохо  обрабатываются резанием. Добавки легирующих элементов улучшают качество сталей и придают им особые свойство (например, хром улучшает механические свойства, износостойкость и коррозионную стойкость; никель повышает прочность, пластичность; кремний увеличивает  жаростойкость).