Ректификационная колонна

  

 

2.4 Коэффициенты диффузии  и  вязкости паров

 

Коэффициенты диффузии в жидкости для верхней части  колонны:

 

, здесь

 

            

                     

Тут μХВ = μ₁^xсрв · μ₂ ^(1-xсрв) =0,649^0,61 · 0,584^(1-0,61)= 0,623мПа·с

μХН = μ₁^xсрн · μ₂ ^(1-xсрн) = 0,649^0,117 · 0,584^(1-0,117)= 0,591мПа·с

 

, здесь вязкости бензола  μ₁ и толуола  μ₂ взяты при 20ºС [2, С.526].

здесь плотности бензола  и    толуола взяты при 20ºС [2, с.495].

 

 

 

 

здесь

 

А = 1, В = 1, v1 , v2  -мольные обьемы компонентов в жидком состоянии при температуре кипения, см³/моль. ;[2,с.288]

 

           Тогда

 

Аналогично коэффициент  диффузии в жидкости для нижней части  колонны:

 

      

 

Коэффициент диффузии паров  в верхней части колонны:

                                                                                                                                                                 

 

 

 

Коэффициент диффузии паров  в нижней части колонны:

 

 

 

 

 

 

2.5 Коэффициенты массопередачи и высота колонны

 

Коэффициент массопередачи в жидкости для верхней части колонны:

 

          

     

    Коэффициент  массопередачи в жидкости для нижней части колонны:

 

 

Коэффициент массопередачи в паровой фазе для верхней части колонны:

                    

 

 

Коэффициент массопередачи в паровой фазе для нижней части колонны:

 

          

Коэффициент вязкости паров  в верхней части колонны:

            

 

             Коэффициент вязкости паров в  нижней части колонны:

            

здесь взяты вязкости паров  бензола и толуола  при средней         температуре нижней части колонны. (94ºС и 107ºС)

 

Переводим полученные коэффициенты массопередачи в нужную размерность на кмоль/м²·с:

 

β_xв = 0,015 · ρ _x / М_в= 0,015 · 794,5/ 83,456 = 0,144кмоль/м²·с

 

β_xн = 0,027 · ρ _x / М_н = 0,027 · 794,5/ 90,37 = 0,235кмоль/м²·с

 

β_yв = 1,441 · ρ _y / М_в^' = 2,8 · 3,882/ 82,768= 0,048 кмоль/м²·с

 

β_yн = 1,527 · ρ _y / М_н^' = 2,8 · 2,992/ 89,398= 0,049 кмоль/м²·с

 

Расчет КПД методом  Мерфи.

 

Пусть х = 0,6. Коэффициент  распределения компонента по фазам (тангенс угла наклона равновесной  линии в этой точке) m = 0,77

Коэффициент массопередачи:

 

Общее число единиц переноса на тарелку:

 

 

Локальная эффективность:

 

 

Фактор массопередачи:

λ = m·(R+1)/R =0,77(4,45+1)/4,45 = 0,943

 

 

Доля байпасирующей жидкости: 

                                                       

Для ситчатых тарелок θ = 0,1

Число ячеек полного  перемешивания:

          _____            _________

S = (√d² - b²)/L = (√1,8² - 1,05²)/0,35 = 4,177, здесь L = 0,35м - длина пути жидкости соответствующая одной ячейке перемешивания.

Коэффициент m, который влияет на унос жидкости с тарелки определяется

 

Комплекс, по которому определяем унос жидкости с тарелки при H = 0,5м - расстояние между тарелками:

, унос  по [1, с. 242]: е_в=0,11кг/кг

 

 

 

 

 

 

Так как  , то

 

 

Аналогичные расчеты проводим и для других точек результаты сводим в таблицу.

 

№ п/п	Параметр	Нижняя  часть колонны		Верхняя часть колонны
1	х	0,05	0,15	0,3	0,5	0,6	0,75	0,9
2	m	2,25	1,73	1,3	0,87	0,77	0,6	0,47
3	Ку	0,027	0,03	0,033	0,037	0,038	0,04	0,041
4	nоу	1,073	1,19	1,309	1,454	1,493	1,563	1,622
5	Еу	0,658	0,696	0,73	0,766	0,775	0,791	0,802
6	λ	2,756	2,119	1,592	1,066	0,943	0,735	0,576
7	В	1,899	1,571	1,268	0,934	0,851	0,705	0,59
8	Е"му	1,311	1,238	1,167	1,086	1,065	1,03	1,002
9	Е'му	0,851	0,958	0,967	0,962	0,958	0,95	0,941
10	Ему	0,935	0,829	0,835	0,831	0,829	0,822	0,816
11	yк	0,105	0,295	0,505	0,694	0,778	0,875	0,957

 

По данным таблицы строим кинетическую линию на рис.6(обновленный  рисунок представлен ниже) и определяем действительное число тарелок:

N_в=10 шт. – в верхней части колонны;

N_н=12 шт. – в нижней части колонны.

Всего 22 тарелок.

  Высота тарельчатой  части колонны определяется по  формуле:

H=h∙(n-1)+Zв+Zн=0,5∙(22-1)+1+2=13,5 м, здесь

 

Z_в=1 м – высота сепарационного пространства;

Z_н=2 м – высота кубовой части.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Конструктивный  расчет

 

Диаметр штуцера для  ввода исходной смеси:

         _________         ________________

dF = √4·F/(π·ρF·W) = √4·4.167/(3,14·788·1) = 0,082 м=100 мм,

 

здесь W=1м/с - скорость потока жидкости при подачи насосом [1, с.16],

ρF - плотность исходной смеси [2, с.495]:

 

 

Диаметр штуцера для  вывода паров из колонны:

         __________        ___________________

dn = √4·Gn/(π·ρу·W) = √4·4,5/(3,14·2,808·20) = 0,32 м, принимаем 400мм, здесь

 

ρу =2,992 кг/м³ - плотность паров в верхней части колонны;

 

Gn = Р·(R + 1) = 0,825·(4,45 + 1) =4,5 кг/с - расход паров;

 

W = 20 м/с - скорость потока насыщенных паров [1, с.16].

 

Диаметр штуцера для  ввода флегмы:

 

dф = √ 4·Ф/(π·ρф·W) = √4·3,678/805·3,14·1 = 0,076 м, принимаем 100 мм, здесь

 

Ф = Р·R = 0,825·4,45 =3,678 кг/с - расход флегмы;

 

W = 1 м/с - скорость при перекачивании насосом [1, с.16];

 

ρф - плотность смеси [2, с.495]:

 

 

Диаметр штуцера для  ввода паров из кипятильника:

 

         ___________        _________________

dк = √ 4·G_н/(π·ρун·W) = √4·5,144/2,867·3,14·20 = 0,338 м, принимаем 400 мм, здесь

 

 

 

W = 20 м/с - скорость насыщенных паров [1, с.16];

 

ρун =2,867 кг/м³ - плотность паров;

 

Диаметр штуцеров для слива  кубового остатка и жидкости из куба для подачи в кипятильник:

 

          ___________      _________________

dW = √ 4·W/(π·ρw·ω) = √4·3,342/(972·3,14·0,5) = 0,094 м, принимаем 100 мм, где

 

ω = 0,5 м/с - скорость потока при движении самотеком [1, с.16];

 

ρw =972 кг/м³  - плотность воды [2, с.495]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Гидравлический расчет

Гидравлическое сопротивление  тарелок колонны ΔРк определяют по формуле:

 

ΔРк = ΔРв · Nв + ΔРн · Nн, где ΔРв и ΔРн гидравлическое сопротивление тарелки соответственно верхней и нижней частей колонны, Па.

 

Полное гидравлическое сопротивление тарелки складывается из трех слагаемых:

 

1. Гидравлическое сопротивление сухой  тарелки [1, с.244]:

 

 здесь ζ = 1,5 - коэффициент  сопротивления сухой ситчатой тарелки [1, с.210]

 

2. Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя на тарелках различно для верхней и нижней частей колонны:

 

 ΔРnв = ρх · g·hов = 794,5·9,81·0,027 = 211,742 Па

 

ΔРnн = ρх· g·hон = 794,5·9,81·0,031 = 245,113 Па

 

3. Гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

 ΔРσ = 4σ/dэ = (4·0,01971)/0,008 = 30 Па

 

Тогда полное гидравлическое сопротивление одной тарелки  верхней и нижней частей колонны  равно:

 

ΔРв = 35,186 + 211,742 + 30 = 363,15 Па

ΔРн = 35,186 + 245,113  + 30 = 310,3 Па

 

Полное гидравлическое сопротивление ректификационной колонны:

 

ΔРк = 363,15 · 10 + 310,9 · 12 = 6493 Па

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Механический  расчет

 

Толщина стенки обечайки:

 

S ≥ , здесь

 

D = 1800 мм – диаметр обечайки;

 

р = 0,1 МПа – давление;

 

φ = 1,0 – коэффициент  сварного шва [1, с. 395];

 

с = П · Та = 0,1 · 10 = 1 мм – прибавка на коррозию, где

 

П = 0,1 мм/год – скорость коррозии;

 

Та = 10 лет – срок службы аппарата;

 

[σ] = η · σ   - допускаемое напряжение;

 

η = 1,0 – коэффициент [1, с. 394];

 

σ   = 152 МПа – допускаемое нормативное напряжение для стали 12х18Н10Т [7, с. 11], тогда

 

S ≥ , по [1, с. 211], принимаем S = 10 мм.

 

Толщина стенки днища:

 

Sg ≥ , принимаем Sg = 10 мм (см. выше); здесь R=D для исполнения днища эллиптическим.

 

Расчет фланцевого соединения

 

Выбираем прокладку  из паронита ПОН-1 [6, с. 521]: Dсп = 1914 мм

 

                                                                                                                      D1 = 1864 мм

 

                                                                                           S = 3,4 мм

 

Расчетная нагрузка, действующая  от внутреннего избыточного давления:

 

Qg = 0,789 · Dсп · Р = 0, так как избыточного давления нет.

 

Усилие, возникающее от разности температур фланца и болта  Qt:

 

 

Y=0,04                           [1, с.401]

 

n=75 - число болтов [6, с.557]

 

-площадь сечения болта.

 

- модуль упругости стали                       [1, с.395]

 

    -   коэффициент линейного  температурного расширения   для  стали    12Х18Н10Т  [5, с.286]; 

                   

- коэффициент линейного температурного  расширения     для  Сталь 20   [5, с.286]                

 

   

 

Расчетное осевое усилие для  болтов принимают большим из следующих трех значений:

 

РБ1 = π· Dсп · b0 · q

 

РБ2 = ζ (α · Qg + Rn)=0

 

РБ3 = Qg + Rn + Qt= Qt, здесь   Rn = 0 так как избыточного давления нет.

 

ζ = коэффициент [1, с.394].                

 

для прокладки из паронита ПОН-1 [1, с. 402]:

 

m = 2,5

q = 20 МПа

 

b – эффективная ширина прокладки;

 

b = - действительная ширина прокладки;

При b > 0,015 м

b 0 = 0,12·b^0,5= 0,12·0,025^0,5=0,018 м

 

Тогда

 

 

Условие прочности:

 

, где  МПа – для Ст 20 [1, с. 394];

 

 условие выполняется.

 

Расчет опоры

 

Расчет ведем по [6, с. 691]:

 

Для колонных аппаратов  используют цилиндрические опоры тип  I [6, с. 672]

 

Определим вес аппарата при гидроиспытании:

 

Gмах = g · (Mоб + Мж+N·M_Т), определяем ориентировочно.

 

Mоб = π · D · S · H · ρст = 3,14 · 1,8 · 0,01 · 13,5 · 7850 ≈ 6900 кг – масса обечайки.

Мж = 0,785 · · H · ρж = 0,785 · 1,8 ² · 13,5 · 10³ ≈  35000 кг  – масса жидкости при гидроиспытании;

 

 

 

N=22 шт – число тарелок;

M_Т=115 кг – масса тарелки;

 

Gмах = 9,81 · (6900 +35000+22·102) = 0,44 МН

 

Принимаем толщину стенки цилиндрической опоры S = 14 мм. Напряжение сжатия в этой стенке с учетом наличия в ней отверстия для лаза d = 0,5 м при максимальной нагрузке от силы тяжести аппарата:

 

 

Отношение:

 

 

Rc = 0,052 рис. 15.8 [3]

 

Кс = 875

 

Допускаемое напряжение на сжатие в обечайке опоры:

 

 

Условие σс < σсд выполняется.

 

Максимальное напряжение на сжатие в сварном шве, соединяющем  цилиндрическую опору с корпусом аппарата при коэффициенте сварного шва φш = 0,7:

 

, где

 

F = 0,785 · (D²1 - D²2) = 0,785 · (1,428² - 1,14²) = 0,681 м² - площадь опорного кольца;

 

D1 = D + 2 · S + 0,2 = 1,8 + 2 · 0,014 + 0,2 =2,028 м – наружный диаметр опорного кольца;

 

D2 = D – 0,06 = 1,8 – 0,06 = 1,74 м – внутренний диаметр опорного кольца;

 

 

 

Максимальное напряжение на сжатие опорной поверхности кольца:

 

 

Номинальная расчетная  толщина опорного кольца при L = 0,1 м:

 

Sк = 1,73 L · , с учетом прибавок Sк = 10 мм.

 

Расчетная нагрузка на один болт:

 

, где Z = 6 – число фундаментных  болтов принимаем.

 

Расчетный внутренний диаметр  резьбы болтов:

 

d'1 =

 

принимаем М20.