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

Расчет рабочей скорости пара в верхней и нижней частях колонны по уравнению:

а) в верхней части колонны:

(2.54)

б) в нижней части колонны:

(2.55)

где С - коэффициент, зависящий от конструкции тарелок, расстояния между тарелками, рабочего давления в колонне, нагрузки колонны по жидкости.



Рис. 2.19. Значения коэффициента С: А, Б - колпачковые тарелки с круглыми колпачками; В - ситчатые тарелки

Диаметр колонны определяется по уравнению:

а) в верхней части колонны:

(2.56)

б) в нижней части колонны:

(2.57)

Скорость пара в колонне при стандартном диаметре:

а) в верхней части колонны:

(2.58)



б) в нижней части колонны:

(2.59)

Средняя скорость пара рассчитывается по формуле:

(2.60)

2.7 Гидравлическое сопротивление тарельчатых колонн

При конструировании тарельчатых колонн следует учитывать гидравлическое сопротивление, в результате которого возникает значительная разность давлений у основания и вершины колонны. Перепад давлений будет тем больше, чем больше число тарелок в колонне и чем выше уровень жидкости на каждой тарелке. Основные сопротивления прохождения паров возникают на входе и на выходе из паровых патрубков и через прорези колпачков (местные сопротивления). Следует также учитывать потери на преодоление гидростатического давления столба жидкости на каждой тарелке. Обычно сопротивление колпачковой тарелки составляет 25-50 мм водного столба в условиях работы при атмосферном давлении и несколько ниже при работе под вакуумом.

Гидравлическое сопротивление тарелок:

(2.61)

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки в верхней и нижней частях колонны:

а) в верхней части колонны:

(2.62)

б) в нижней части колонны:

, (2.63)

где ж - коэффициент сопротивления, числовое значение которого можно принимать равным от 1.1 до 2.0;

щ₀ - скорость пара в отверстиях тарелки в .

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

, (2.64)

где у - поверхностное натяжение в ;

d₀ - диаметр отверстий тарелки в .

Объемный расход жидкости в верхней и нижней частях колонны:

а) в верхней части колонны:

(2.65)

б) в нижней части колонны:



(2.66)

Высота слоя над сливной перегородкой в верхней и нижней частях колонны:

а) в верхней части колонны:

(2.67)

б) в нижней части колонны:

, (2.68)

где L_c - периметр слива;

к=с_пж/с_Ж - отношение парожидкостного слоя к плотности жидкости, принимается равным 0.5.

Высота парожидкостного слоя на тарелке в верхней и нижней частях колонны:

а) в верхней части колонны:

(2.69)

б) в нижней части колонны:

, (2.70)



где h_пер - высота переливного порога.

Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке в верхней и нижней частях колонны:

а) в верхней части колонны:

(2.71)

б) в нижней части колонны:

(2.72)

2.8 Расчет числа действительных тарелок графоаналитическим методом (построением кинетических линий)

Эффективность тарелки по Мэрфи:

(2.73)

(2.74)

(2.75)

, (2.76)

где E_y - локальная эффективность по пару;

e - межтарельчатый унос жидкости;

и - доля байпасирующей жидкости;

S - число ячеек полного перемешивания;

m - коэффициент распределения компонента по фазам в условиях равновесия;

л=m(R+1)R - фактор массопередачи для укрепляющей части;

л=m(R+1)/(R+f) - фактор массопередачи для исчерпывающей части.

Локальная эффективность по пару:

, (2.77)

где:

- число единиц переноса по паровой фазе на тарелке (2.78);

- скорость пара в рабочем сечении тарелки (2.79);

- коэффициент массопередачи (2.80)

- рабочее сечение тарелки;

в_xf, в_yf - коэффициенты массоотдачи, отнесенные к единице рабочей площади тарелки для жидкой и паровой фаз:



(2.81)

(2.82)

Критерий Фруда:

а) в верхней части колонны:

(2.83)

б) в нижней части колонны:

(2.84)

Паросодержание барботажного слоя:

а) в верхней части колонны:

(2.85)

б) в нижней части колонны:

(2.86)



Высота светлого слоя жидкости:

(2.87)

Удельный расход жидкости на 1м ширины переливной перегородки для верхней и нижней частей колонны:

а) в верхней части колонны:

(2.88)

б) в нижней части колонны:

, (2.89)

где b - ширина переливного порога.

Коэффициент диффузии в жидкости при средней температуре в верхней и нижней частях колонны:

а) в верхней части колонны:

(2.90)

б) в нижней части колонны:

(2.91)



Коэффициент диффузии в жидкости при температуре t=20⁰C в верхней и нижней частях колонны:

а) в верхней части колонны:

(2.92)

б) в нижней части колонны:

(2.93)

х_Б, х_Т - мольные объемы бензола и толуола, A=B=1 - коэффициенты.

Вязкость жидкости при t=20⁰С в верхней и нижней частей колонны:

а) в верхней части колонны:

(2.94)

б) в нижней части колонны:

(2.95)

Температурный коэффициент b для верхней и нижней частей колонны:

а) в верхней части колонны:



(2.96)

б) в нижней части колонны:

(2.97)

Коэффициент диффузии в паровой фазе при средней температуре в верхней и нижней частях колонны:

а) в верхней части колонны:

(2.98)

б) в нижней части колонны:

, (2.99)

где Р - давление в колонне.

Плотность орошения для верхней и нижней частей колонны:

а) в верхней части колонны:

(2.100)

б) в нижней части колонны:



, (2.101)

Где S - число ячеек полного перемешивания.

При D_ст=1.8 м и b=0.289 м принимаем, что 1 ячейка перемешивания соответствует длине пути жидкости l₀=300-400 мм.

Пусть l₀=350 мм, тогда длина пути жидкости:

(2.102)



3. Расчетная часть

Разделяемая смесь: бензол-толуол (Х_F=0.40). Нагрузка колонны по сырью - 10 т/час. Содержание низкокипящего компонента в дистилляте (Х_D=0.97), в кубовом остатке (Х_W=0.029). Контактный элемент - тарелка.

3.1 Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число

Согласно уравнениям материального баланса (2.14, 2.15, 2.16) выразим и рассчитаем расход дистиллята и кубового остатка:

;

Определим концентрации питания, дистиллята и кубового остатка в мольных долях в соответствии с формулами (2.17, 2.18, 2.19):

Питание:

Дистиллят:



Кубовый остаток:

Вычислим равновесные составы фаз для бензольно-толуольной смеси при атмосферном давлении, считая, что смесь характеризуется законом Рауля. Расчет представлен в табл. 3.1.

Таблица 3.1. Парожидкостное равновесие системы бензол-толуол

T,0С	Pб, мм.рт.ст. ¤	Рт, мм.рт.ст. ¤	П, мм.рт.ст.	x=(П-Рт)/(Рб-Рт)	y*=(Р*б/П)x
80	760,0	300,0	760	1	1
84	852,0	333,0	760	0,823	0,922
88	957,0	379,5	760	0,659	0,830
92	1078,0	432,0	760	0,508	0,720
96	1204,0	492,5	760	0,376	0,596
100	1344,0	559,0	760	0,256	0,453
104	1495,0	625,5	760	0,155	0,304
108	1659,0	704,5	760	0,058	0,128
110	1748,0	760,0	760	0	0
Примечание: ¤ - [8]

Полученные данные наносим в виде кривых в координатах t-x,y и y*-x (см. рис. 3.20, 3.21).

Рис.3.20. Фазовая диаграмма t-x,y системы бензол-толуол



Рис. 3.21. Диаграмма равновесия между паром и жидкостью в системе бензол-толуол

По диаграмме y*-x находим y*_F при x_F=0.44: y*_F=0.66.

По формуле (2.20) определим минимальное флегмовое число:

Далее, задав различные значения коэффициента избытка флегмы Z, определим флегмовые числа. Затем рассчитаем b (длина отрезка, отсекаемого на оси ординат верхней рабочей линией). Графическим построением определим число ступеней изменения концентраций для каждого флегмового числа (см. приложение 1).

Расчеты и результаты графических построений приведены в табл. 3.2.

Таблица 3.2. Данные для расчета рабочего флегмового числа

Z=R/Rmin	1	1.1	1.2	1.4	1.5	1.7	1.9	2.5
R	1.41	1.55	1.69	1.97	2.12	2.40	2.68	3.53
b=XD/(R+1)	0.40	0.38	0.36	0.33	0.31	0.29	0.26	0.21
N	27	20	18	16	14	13	12	11
N(R+1)	65.07	51	48.42	47.52	43.68	44.20	44.16	49.83

Минимальное значение N(R+1) соответствует числу ступеней изменения концентраций, равному 14, и рабочему флегмовому числу R=2.12.



Данный вывод графически интерпретирует рис. 3.22.

Рис. 3.22. Диаграмма равновесия между паром и жидкостью в системе бензол-толуол при флегмовом числе R=2.12

Расчет рабочего флегмового числа возможен также с применением эмпирической зависимости (2.21):

3.2 Число теоретических тарелок

Рассчитаем уравнение рабочей линии верхней части колонны по формуле (2.22) при X_D=0.97; R=2.12:

y=

Интерполяцией определим составы жидкости и пара, покидающих тарелки верхней (укрепляющей) части колонны. Для расчета используем данные табл. 3.1.

x₀=y₁=X_D=0.970

1) y₂=0.947

2) y₃=0.913

3) y₄=0.863

4) y₅=0.797

5) y₆=0.729

6) y₇=0.667

С 7-ой ступени стекает жидкость, близкая по составу к исходной смеси (Х_F=0.44). Примем 7-ую ступень за ступень питания.

Далее для определения составов жидкости и пара будем пользоваться уравнением рабочей линии для нижней (исчерпывающей) части колонны.

Уравнение рабочей линии нижней части колонны определим по формуле (2.23) при Х_W=0.03; R=2.12; F=10 т/час; D=3.94 т/час:

y=



1) y₈=0.618

2) y₉=0.585

3) y₁₀=0.538

4) y₁₁=0.475

5) y₁₂=0.392

6) y₁₃=0.305

7) y₁₄=0.214

8) y₁₅=0.137

9) y₁₆=0.079

.

Итак, с 16-ой ступени стекает жидкость, содержание бензола в которой близко к содержанию его в кубовом остатке (Х_W=0.03). Следовательно, при подаче исходной смеси на 7-ую ступень для осуществления процесса необходим аппарат, эквивалентный 16 теоретическим ступеням.

На практике данный алгоритм часто выполняют графически, строя ступенчатую линию между кривой равновесия и рабочей линией (см. приложение 1).

3.3 Средние массовые расходы пара и жидкости в верхней и нижней частях колонны

Рассчитаем средний мольный состав жидкости в верхней и нижней частях колонны, используя формулы (2.34, 2.35):

а) в верхней части колонны:

б) в нижней части колонны:

Рассчитаем средний мольный состав пара в верхней и нижней частях колонны.

1 способ с использованием формул (2.36, 2.37):

а) в верхней части колонны при y_D=x_D=0.97; y*_F=0.66:



б) в нижней части колонны при y_W=x_W=0.03; y*_F=0.66:

2 способ с использованием уравнений рабочих линий (2.22, 2.23):

а) в верхней части колонны:

б) в нижней части колонны:

Определим средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны по формулам (2.38, 2.39):

а) в верхней части колонны:

б) в нижней части колонны:

Определим средние мольные массы пара в верхней и нижней частях колонны по формулам (2.40, 2.41):

а) в верхней части колонны при Y_ср.В.=0.790 кмоль/кмоль смеси:

б) в нижней части колонны при Y_ср.Н.=0.336 кмоль/кмоль смеси:

Определим мольные массы исходной смеси и дистиллята по формулам (2.48, 2.49):

Рассчитаем средние массовые расходы по жидкости для верхней и нижней частей колонны по формулам (2.50, 2.51):

а) в верхней части колонны:

б) в нижней части колонны:

Рассчитаем средние массовые расходы пара для верхней и нижней частей колонны по формулам (2.52, 2.53):

а) в верхней части колонны:

б) в нижней части колонны:

3.4 Скорость пара и диаметр колонны

Средние температуры пара определим по диаграмме t-x,y (см. рис. 3.20):

1 способ:

при y_ср.В=0.790>t_ср.В.=89⁰С

при y_ср.Н=0.336>t_ср.Н.=103⁰С

Определим среднюю температуру в колонне при t_ср.В.=89⁰С, t_ср.Н.=103⁰С:

2 способ:

при x_D=0.97>t_D=83⁰С

при x_W=0.03>t_W=109⁰С

при x_F=0.44>t_F=90⁰С

Далее рассчитаем средние температуры в верхней и нижней частях колонны:

Определим среднюю температуру в колонне при t_D=83⁰С; t_W=109⁰С; t_F=90⁰С

Средние плотности пара находим по формулам (2.42, 2.43):

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

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

Среднюю плотность пара в колонне определим по уравнению (2.44):

Рассчитаем среднюю плотность жидкости (смеси) в колонне:

1 способ.

Сначала определим плотность жидкого бензола при t_D=83⁰С и жидкого толуола при t_W=109⁰С интерполяцией с использованием справочной информации по плотности веществ [11]:

Плотность жидкого бензола при t_D=83⁰С:

При t=80⁰С>с_Б=815 кг/м³; при t=100⁰С>с_Б=793 кг/м³



Плотность жидкого толуола при t_W=109⁰С:

При t=100⁰С>с_T=788 кг/м³; при t=120⁰С>с_T=766 кг/м³

Затем рассчитаем среднюю плотность жидкости (смеси) в колонне по формуле (2.45):

2 способ.

Сначала определим плотность жидкого бензола и толуола при t_{ср в}=89⁰С и при t_{ср н}=103⁰С интерполяцией с использованием справочной информации по плотности веществ [11]:

Плотность жидкого бензола при t_{ср в}=89⁰С:

При t=80⁰С>с_Б=815 кг/м³; при t=100⁰С>с_Б=793 кг/м³

Плотность жидкого толуола при t_{ср в}=89⁰С:

При t=80⁰С>с_Т=808 кг/м³; при t=100⁰С>с_Т=788 кг/м³

Плотность жидкого бензола при t_{ср н}=103⁰С:

При t=100⁰С>с_б=793 кг/м³; при t=120⁰С>с_б=769 кг/м³

Плотность жидкого толуола при t_{ср н}=103⁰С:

При t=100⁰С>с_T=788 кг/м³; при t=120⁰С>с_T=766 кг/м³

Затем рассчитаем среднюю плотность жидкости в верхней и нижней частях колонны по формуле (2.46, 2.47):

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

б) в нижней части колонны при t_{ср н}=103⁰С:

Затем рассчитаем среднюю плотность жидкости в колонне:

Определим скорость пара в верхней и нижней частях колонны по формулам (2.54, 2.55), принимая расстояние между тарелками h=300 мм. Для ситчатых тарелок находим по графику С-h коэффициент С=0.032 (см. рис. 2.19):

а) в верхней части колонны:

б) в нижней части колонны:

Диаметр колонны определим по уравнениям (2.56, 2.57):

а) в верхней части колонны (G_В=3.53 кг/с; щ_B=0.55 м/с; с_y,B=2.73 кг/м³):

б) в нижней части колонны (G_Н=3.80 кг/с; щ_Н=0.54 м/с; с_y,Н=2.83 кг/м³):

Рассчитаем скорость пара в колонне при стандартном диаметре D=1800 мм по формулам (2.58, 2.59):

а) в верхней части колонны:

б) в нижней части колонны:

Рассчитаем среднюю скорость пара по формуле (2.60):

3.5 Высота колонны

По диаграмме t-x,y (см. рис. 3.20) определим составы фаз при средних температурах верхней и нижней частей колонны:

при t_ср.В.=89⁰С>x_В=0.480; y_В=0.790

при t_ср.Н.=103⁰С>x_Н=0.140; y_Н=0.336

Определим вязкости бензола и толуола при средних температурах верхней и нижней частей колонны интерполяцией с использованием справочной информации по вязкости веществ [8]:

- Вязкость бензола при t_ср.В.=89⁰С:

µ⁸⁰_Б=0.316 мПа·с; µ¹⁰⁰_Б=0.261 мПа·с

- Вязкость бензола при t_ср.Н.=103⁰С:

µ¹⁰⁰_Б=0.261 мПа·с; µ¹²⁰_Б=0.219 мПа·с

- Вязкость толуола при t_ср.В.=89⁰С:

µ⁸⁰_Т=0.319 мПа·с; µ¹⁰⁰_Т=0.271 мПа·с

- Вязкость толуола при t_ср.Н.=103⁰С:

µ¹⁰⁰_Т=0.271 мПа·с; µ¹²⁰_Т=0.231 мПа·с

Рассчитаем среднемолярные вязкости жидкости (смеси) в колонне по формулам (2.27, 2.28):

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

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

Рассчитаем вязкости пара в колонне по формулам (2.29, 2.30):

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

а) в нижней части колонны при t_ср.Н.=103⁰С:

Находим коэффициент относительной летучести по составам фаз при средних температурах для верхней и нижней частей колонны по формулам (2.25, 2.26):

а) для верхней части:

б) для нижней части:

Определим:

Далее по графику (см. рис. 2.18) определим значения средней эффективности тарелок:

Рассчитаем число действительных тарелок для верхней и нижней частей колонны:

а) для верхней части (2.31):

б) для нижней части (2.32):

Тогда общее число действительных тарелок:

Далее значения Z_В и Z_Н выбираем в соответствии с рекомендациями:

Диаметр колонны, мм	ZВ, мм	ZН, мм
400-1000	600	1500
1200-2200	1000	2000
2400 и более	1400	2500

Рассчитаем высоту колонны по формуле (2.33):

3.6 Расчет гидравлического сопротивления тарелок колонны

Технические характеристики ситчатой тарелки типа ТС-Р при диаметре колонны, равном 1800 мм, представлены в табл. 3.3.

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 о	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 о 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>у_Б=21.3·10^-3 Н/м, при t=100⁰С>у_Б=18.8·10^-3 Н/м

- Поверхностное натяжение толуола:

При t=80⁰С>у_Т=21.5·10^-3 Н/м, при t=100⁰С>у_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>у_Б=18.8·10^-3 Н/м; при t=120⁰С>у_Б=16.4·10^-3 Н/м

- Поверхностное натяжение толуола:

При t=100⁰С>у_Т=19.4·10^-3 Н/м; при t=120⁰С>у_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 щ_о,min достаточную для того, чтобы ситчатая тарелка работала всеми отверстиями.

щ_о<щ_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>у_в=62.6·10^-3 Н/м; при t=100⁰С>у_в=58.9·10^-3 Н/м

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

При t=100⁰С>у_в=58.9·10^-3 Н/м; при t=120⁰С>у_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
л	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).

Хромоникелевые стали обладают коррозионной стойкостью в агрессивных средах, чем хромистые нержавеющие стали. Поэтому для проведения процесса ректификации смеси бензол - толуол подойдет аппарат, изготовленный из марок сталей 12Х18Н9Т, 08Х18Н10Т, 08Х17Н13М2Т.

Колонный аппарат имеет большую массу, приходящуюся на небольшую площадь опоры. Колонны, устанавливаемые под открытым небом, подвергаются действию ветровых нагрузок, поэтому они имеют массивные кольцевые опоры.

Опорную плиту укрепляют вертикально ребрами жесткости, которые в верхней части иногда дополнительно связываются кольцом. Высота кольцевой опоры определяется конструктивными соображениями. В некоторых случаях опора получается до 5-6 м. Для доступа внутрь опоры и вывода трубопроводов в обечайке делаются отверстия. Края отверстий обязательно укрепляются кольцами жесткости. Если колонна монтируется между перекрытиями, ее устанавливают на боковую кольцевую опору, приваривают к боковой стенке колонны. Стенки колонны в месте установки опоры делают утолщенными или укрепляют кольцевой накладкой. Для процесса ректификации подойдет опора, изготовленная из СтЗ.



Заключение

В процессе проделанной работы была рассчитана ректификационная колонна для разделения смеси бензол-толуол.

В результате расчета получены данные:

1) Расход дистиллята - 3.94 т/час;

2) Расход кубового остатка - 6.06 т/час;

3) Рабочее флегмовое число - 2.12;

4) Число теоретических тарелок:

Всего - 23, из них верхних - 7, нижних - 16;

5) Диаметр колонны - 1,8 м;

6) Высота колонны - 14.1 м;

7) Средняя эффективность тарелки:

В верхней части колонны - 0.45,

В нижней части колонны - 0.41;

8) Число действительных тарелок:

Всего - 38, из них верхних - 16, нижних - 22;

9) Гидравлическое сопротивление тарелок:

В верхней части колонны - 385.9 Па,

В нижней части колонны - 485.3 Па.



Список литературы

1. Александров И.А. Ректификационные и адсорбционные аппараты. - М.:Химия,1981.

2. Карманный справочник переработчика под ред. Рудина Н.И. - С-П.: Химия, 2000 г.

3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1973.

4. Коган В.Б., Фридман В.М., Кафаров В.В. Равновесие между жидкостью и паром. - М-Л: Наука, 1986.

5. Колонные аппараты. Каталог. - М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1978 г.

6. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчёта химической аппаратуры. - Л.: Машиностроение, 1970.

7. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию под ред. Дытнерского Ю.И. - М.: Химия, 1991 г.

8. Павлов К.Ф., Романков П.Т., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия,1987.

9. Скобло А.И. Процессы и аппараты нефтепереработки и нефтехимической промышленности. М.: Химия, 1982.

10. Справочник химика. Т2. - М-Л: Госхимиздат, 1963

11. Справочник химика под ред. Никольского Б.П. - Л.: Химия,1962 г, т. I.

12. Справочник химика под ред. Никольского Б.П.- Л.: Химия,1963 г, т. II.

13. Стабников В.Н. Расчет и конструирование контактных устройств ректификационных и абсорбционных аппаратов. Киев: Техника,1970.

Размещено на Allbest.ru

...