 |
АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция
Порядок расчета ректификационной тарельчатой колонны
Основными величинами, определяемыми на основе расчета тарельчатых колонн, являются расстояние между тарелками, диаметр колонны и число тарелок.
Принимая во внимание, что обычно известны состав разделяемой смеси и условия разделения, выбирают тип тарелки, наиболее подходящий к рабочим условиям процесса, и межтарельчатое расстояние. Зная эти величины, можно определить предельно допустимую скорость, при которой наступает резкий унос жидкости на выше расположенную тарелку (это явление граничит с явлением захлебывания насадочной колонны). Для ситчатых тарелок, например, можно использовать уравнение Киршбаума:
(13,11)
Скорость газа (пара) в свободном сечении колонны принимается равной 0,8—0,9 wnp.
На основе известной величины wG проверяют правильность выбора межтарельчатого расстояния hT.
минимальное расстояние между тарелками, или необходимый гидравлический затвор, определяется соотношением
(13-13)
где 
— высота столба жидкости в сливном патрубке, обеспечивающая заданную скорость стекания жидкости, в
м; h3 — высота столба жидкости в сливном патрубка, служащем гидравлическим затвором, в м; h0 — расстояние от тарелки до нижнего обреза сливного патрубка в м.
Работа колонны с колпачковыми тарелками в значительной мере аналогична работе колонны с ситчатыми тарелками. Колпачковая тарелка имеет газовые или паровые патрубки, накрытые колпачками.Нижний обрез колпачков имеет прорези в форме треугольников,окружностей и т. д. (рис. 13-23, о).
Взаимодействующий с жидкостью газ (пар) проходит с расположенной ниже тарелки на расположенную выше через патрубки и распределяется в жидкости через прорези колпачков. Жидкость стекает навстречу газу (пару), перемещаясь с тарелки на тарелку через сливные устройства.
При большом диаметре колонн часто применяют вместо круглых колпачков прямоугольные, называемые обычно туннельными или желобчатыми и др.
Гидродинамические соотношения, характеризующие работу колонн с колпачковыми тарелками, мало отличаются от соотношений для колонн с ситчатыми тарелками. Гидравлическое сопротивление колпачковои тарелни, определяющее минимальное расстояние между тарелками, может быть найдено из равенства
(13-22)
где рк — потери давления газового (парового) потока при проходе через колпачок в кгс/м2; рир — потери давления при проходе газа (пара) через прорези в кгс/м2; рж — перепад давления, необходимый для преодоления сопротивления столба жидкости на тарелке, в кгс/м2. Сопротивление колпачка рк с достаточной точностью можно определить, суммируя потери давления при преодолении местных сопротивлений, обусловленных сужением газовой струи и ее поворотами внутри колпачка.
Для обеспечения минимальных гидравлических сопротивлений обычно диаметры и высоту колпачков и паропроводных патрубков выбирают по принципу равных скоростей во всех сечениях, чему соответствует
(13.23)
где d п — диаметр патрубка в м; dK — диаметр колпачка в ж; hK — высота расположения колпачка над патрубком в м.
Таким образом, сопротивление колпачка может быть вычислено по формуле
где wn — скорость газа (пара) в патрубке в м/сек; £ — сумма всех сопротивлений. Сопротивление прорезей можно найти по уравнению
где 
= l,5 — коэффициент местного сопротивления при проходе газа через прорезь; wnp — скорость газа (пара) в прорези в м/сек; ра — сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения. В данном случае
(13-26)
где dr — гидравлический диаметр открытого отверстия прорези. Сопротивление прорезей обусловлено степенью их открывания во время барботажа. Эта зависимость выражается равенством
(13-27)
где I — высота открытия прорези.
Для определения диаметра колонны надо знать поток газа (пара) по колонне и скорость газа (пара) в свободном сечении колонны wG При проведении процесса ректификации из материального баланса находят величину Gp
Количество пропускаемого пара через колонну равно Gp* (R +1). При известных значениях wG и количества газа (пара), - пропускаемого в колонне, диаметр колонны определяется из уравнения расхода:
где 
— линейная скорость газа (пара) в свободном сечении колонны в м/сек2; G — количество пропускаемого газа (пара) в кг/ч; pG — плотность газа (пара) в кг/м3.
Чтобы определить число тарелок колонны, рассмотрим предварительно принцип работы тарелки. В отличие от насадочного аппарата, схема работы которого близка к модели полного вытеснения пара и жидкости, на тарелке наблюдается перекрестный ход тока газа (пара) к потоку жидкости
С верхней тарелки жидкость приходит концентрацией хн, протекает по тарелке и за счет массообмена с паром уходит с тарелки, имея концентрацию хк, отличающуюся от хн. Газ (пар) приходит с ниже расположенной тарелки при концентрации ун и уходит с тарелки при концентрации ук
Схема изменения концентрации жидкости в координатах l-x (где I — длина пути жидкости на тарелке) представлена на рис. 13-24. Концентрация жидкости хн меняется скачком до концентрации (смешение двух жидкостей с различными концентрациями легколетучего), и далее плавно от х'а меняется до хк. Если бы на тарелке вследствие барботажа пара происходило полное перемешивание жидкости, то концентрация жидкости на всем участке оставалась постоянной и равной хк. Исключая отдельные частные случаи, можно принять с небольшой ошибкой, что на тарелке происходит полное перемешивание жидкости, ее концентрация по всей длине тарелок равных хк. газ(пар) вдоль зоны контакта фаз(по высоте
Рис. 13-24. Схема распределения Рис. 13-25. Схема работы тарелок
концентраций жидкости на тарелке. в х — (/-диаграмме.
слоя жидкости) полностью вытесняется, а его концентрация меняется от ун до ук.
Рассмотрим на графике (рис. 13-25) схему работы тарелки. Для этого построим равновесную кривую 1 и рабочую линию процесса 2. Уравнение рабочей линии связывает концентрации газа (пара) и жидкости над и под тарелкой для любой тарелки.
Пар, барботируя через жидкость, не приходит в состояние равновесия с ней, поэтому ук < ур. Концентрация жидкости в случае полного ее перемешивания меняется скачком до хк- этому изменению соответствует пунктирная линия BD. Концентрация пара изменяется от ун до ук- этому изменению соответствует линия А В.
Начальной движущей силой по пару будет являться разность Ур ~ Ун, конечной ур — ук, а средней движущей силой — 
Соответственно число единиц переноса для тарелои: 
Из исходного графика и равенства следует: 
или 
Зная величину е, можно найти положение точки В. Выше и ниже расположенные тарелки изобразятся на диаграмме аналогичными ступеньками, причем концентрация жидкости, стекающей с выше расположенной тарелки, будет величиной хн, а концентрация жидкости, покидающей тарелку ABD, будет начальной концентрацией жидкости для ниже расположенной тарелки. Зная для двух соседних тарелок величины е, можно также найти положение точек В' и В". Линия, проходящая через эти точки, носит название кинетической кривой.
Следовательно, чтобы найти число тарелок колонны, достаточно между кинетической и рабочей линиями вписать ступенчатую ломаную линию в интервале рабочих концентраций; число ступеней этой ломаной равно искомому числу реальных тарелок нолонны.
Положение кинетической линии можно определить так. Из основного уравнения массопередачи, записанного для одной тарелки
Получим
Поверхность контанта фаз в случае барботажа определить труднее. Поэтому коэффициент массопередачи относят к площади барботажа тарелки F6 и обозначают Kyf, а число единиц переноса как
Коэффициент массопередачи рассчитывают с учетом известных коэффициентов массоотдачи в паровой 
и жидкой 
фазах по уравнению аддитивности
где т — тангенс угла наклона равновесной линии для участка одной тарелки (участки кривой равновесных составов для одной тарелки спрямляются).Таким образом, положение кинетической линии можно найти,определив KYf для ряда проведенных линий АВ между рабочей и равновесной зависимостями, вычислив значение ету и величины СВ.
Эффективность тарелки по Мерфри представляет собой отношение действительного изменения концентраций в газовой (паровой) фазе к предельно возможному. Предельно возможное изменение концентраций будет в том случае, если пар, уходящий с тарелки, находится в равновесии с жидкостью, уходящей с тарелки.
Если на тарелке имеет место градиент концентраций жидкости по ходу ее движения, то газ (пар) непосредственно над жидкостью в различных точках тарелки будет разного состава. Из литературы известно, что вследствие высокой турбулизации газового (парового) потока газ (пар), подходя к следующей тарелке, практически полностью перемешан; его концентрация под тарелкой постоянна по сечению колонны:
где уТ — концентрация пара в какой-либо точке тарелки непосредственно над жидкостью состава хт; урт — концентрация пара, равновесного с жидкостью состава хт.
Очевидно, что в случае полного перемешивания жидкости ут = = уK, хт = хк, 
Поиск по сайту: