Расчёт ректификационной колонны. Техническая характеристика колонны. Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число

средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны, кг/кмоль.

Мольные массы паров:

Для верхней части колонны:

(20)

Для нижней части колонны:

			(21)
	где	Ма и Мв - мольные массы ацетона и воды, кг/кмоль; yср.В. и yср.Н. - мольный состав пара, кмоль/кмоль.

Мольный состав пара:

Y_F=0,8196

Y_P=0,9200

Y_W=0,0500

Средний мольный состав пара в укрепляющей и исчерпывающей части пара:

		(22)
		(23)

0,8698 кмоль/кмоль

0,4348 кмоль/кмоль

52,8632 кг/кмоль

35,4349 кг/кмоль

1,3250 кг/с

0,8882 кг/с

3.2.2  Диаметр колонны и скорость пара

В насадочных колоннах скорость изменяется по высоте колонны в соответствии с изменением массовых скоростей пара и жидкости и их плотности. Для определения диаметра колонны необходимо найти минимальное значение оптимальной скорости. Обычно она имеет минимальное значение в нижней части исчерпывающей колонны. Однако при большой молекулярной массе низкокипящего компонента, а также при ректификации в вакууме, оптимальная скорость может иметь минимальное значение в укрепляющей колонне или в верхней части исчерпывающей колонны. Поэтому следует определять оптимальную скорость в нескольких точках по высоте колонны. Выбор рабочей скорости паров обусловлен многими факторами и обычно осуществляется путём технико-экономического расчёта для каждого конкретного процесса. Рабочую скорость при ректификации колонны можно принять на 20-30% ниже скорости захлёбывания.

Скорость пара при захлёбывании колонны:

			(24)
	где	ρx и ρy - средние плотности жидкости и пара, кг/м3; μx – вязкость, МПа∙с.

Определяем скорость захлёбывания для верхней и нижней части ректификационной колонны, так как физические свойства фаз в разных частях колонны различны.

 Найдём плотности жидкости и пара в укрепляющей и исчерпывающей частях колонны:

		(25)
		(26)

Плотность физических смесей жидкости подчиняется закону аддитивности:

			(27)
	где	xоб – объёмная доля компонента в смеси.

Объёмная доля компонента смеси:

Для верхней части ректификационной колонны:

		(28)
		(29)

Табличные значения плотности ацетона и воды при средних температурах находим по справочному материалу [4]:

=746 кг/м³

=958 кг/м³

      =0,6147

=793,4192 кг/м³ 

=827,6875 кг/м³

Вязкость жидких смесей:

			(30)
	где	μx.к и μx.в – вязкости ацетона и воды при температуре смеси, мПа∙с.

      Значения вязкостей жидких смесей при температуре верхней и нижней частей ректификационной колонны определяем по справочному материалу [4]:

 

      

      

      

      Отсюда вязкость жидкости в верхней и нижней частях колонны равна:

 

 

Скорость пара при захлёбывании колонны:

.в=2,8294 м/с

=2,1812 м/с

Рабочую скорость при ректификации колонны можно принять на 20-30% ниже скорости захлёбывания.

		(31)
		(32)

Wв=1,9806 м/с

Wн=1,5269 м/с

Диаметр ректификационной колонны:

(33)

0,6627 м

0,7562 м

Рационально принять стандартный диаметр обечайки d=0,8м одинаковым для обеих частей ректификационной колонны. При этом действительные рабочие скорости паров в колонне равны:

 

что составляет соответственно 48,03 % и 62,55 % от предельных скоростей.

3.2.3  Высота насадки

Высоту насадки H рассчитываем по уравнению массопередачи:

			(34)
	где	noy – общее число единиц переноса по паровой фазе; hoy – общая высота единицы переноса, м

Общее число единиц переноса по паровой фазе вычисляют по уравнению:

(35)

Определим этот интеграл  методом графического интегрирования:

			(36)
	где	S- площадь, ограниченная кривой, ординатами yw и yp и осью абцисс; Мх, Му- масштабы осей координат

Данные для графического изображения функции 1/()=f(y)

Таблица 2 – график функции  1/()=f(y)

X	Y	Y*	Y* - Y	1/Y* - Y
0,0638	0,0814	0,6490	0,5677	1,7616
0,1164	0,2009	0,7916	0,5907	1,6929
0,1727	0,3288	0,8361	0,5073	1,9710
0,3085	0,6373	0,8203	0,1830	5,4643
0,3400	0,7089	0,8196	0,1107	9,0368
0,4439	0,7467	0,8386	0,0919	10,8861
0,5096	0,7706	0,8565	0,0859	11,6435
0,5228	0,7754	0,8596	0,0842	11,8769
0,6232	0,8120	0,8727	0,0607	16,4682
0,6829	0,8337	0,8736	0,0399	25,0467
0,7257	0,8493	0,8751	0,0258	38,7864
0,7629	0,8628	0,8795	0,0167	60,0089
0,8208	0,8839	0,8964	0,0125	79,8590
0,8655	0,9002	0,9191	0,0189	52,9047
0,9004	0,9129	0,9408	0,0279	35,8096
0,9237	0,9213	0,9554	0,0340	29,3860
0,9383	0,9266	0,9636	0,0370	27,0355
0,9638	0,9359	0,9745	0,0385	25,9565
0,9747	0,9399	0,9769	0,0370	27,0394
0,9840	0,9433	0,9775	0,0342	29,2153

Рисунок 11 - График функции  1/()=f(y)

По графику находим числа единиц переноса, замеряя площадь под кривыми паровой фазы для верхней (укрепляющей) части колонны и для нижней (исчерпывающей):

n_оyВ=2,1

n_oyН=3,4

Общую высоту единиц переноса h_oy определим по  уравнения аддитивности:

			(37)
	где	hx и hy – частные высоты единиц переноса соответственно в жидкости и паре; m – средний коэффициент распределения в условиях равновесия для соответствующей части колонны.

Отношение нагрузок по пару и жидкости:

		(38)
		(39)
		(40)

f=5,5075

На основании анализа известных уравнений и проведённых по ним сопоставительных расчётов для определения hx и hy используем зависимости, результаты вычислений по которым хорошо согласуются с данными, полученными на практике для колонн диаметром до 800 мм.

Высота единиц переноса в жидкой фазе:

			(41)
	где	Ф и с – коэффициенты; Prx – критерий Прандтля для жидкости; Z – высота слоя насадки одной секции;

       Приму высоту слоя насадки Z равной 1,8 м.

Определяем по рисунку 12 для керамических колец Рашига размером