Ректификационная установка непрерывного действия для разделения смеси: ацетон - изопропиловый спирт

Диаметр колонны по условиям верха и низа

Температура t и скорость пара wп изменяются по высоте колонны. Поэтому диаметр колонны dк рассчитывают для ряда сечений колонны (в нашем случае для укрепляющей и отгонной частей). Если при расчете величины dк получаются близкими, то колонну делают одного диаметра (ориентируясь на большее значение dк). Если различие в значениях dк велико, то в этом случае укрепляющая часть колонны имеет один диаметр, а отгонная другой.

Диаметр колонны по условиям верха

Находим по уравнению Менделеева - Клайперона плотность пара в укрепляющей части колонны

Находим среднюю плотность жидкости в колонне. Для этого находим плотности ацетона и воды по температуре в верху колонны (t2) и в кубе - испарителе (t0).

Плотность жидкого ацетона при температуре t2 = 560С равна rацет. = 746 кг/м3 (см. [1] стр.489, табл. IV), воды - 983 кг/м3.

Плотность воды при температуре t0 = 830C равна rвод = 972 кг/м3 (см. [1] стр.512, табл. XXXIX), ацетона - 719 кг/м3, спирта - 735 кг/м3.

Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне

а2 =

.1/

= 0,95.58.1/56 = 0,98

= 752 кг/м3

где С - коэффициент, зависящий от конструкции тарелок, расстоянии между ними, рабочего давления в колонне, нагрузки колонны по жидкости и др.

Принимаем расстояние между тарелками h = 0,4м, тогда С = 0,059 (см. [1], стр.301, рис.7-2).

Скорость пара в верхней части колонны

Диаметр укрепляющей части колонны вычисляем по формуле

где Dм - массовый поток пара.

Массовый поток пара Dм изменяется по высоте колонны, его значение определяется по мольному потоку пара D и значению молярной массы М паровой смеси:

Dм =D× М2,

где D = П(R + l) = 0,009 (3,75 + l) = 0,043

Мольный поток пара D постоянен по высоте колонны.

Тогда

Dм =D× М2 = 0,043× 56 = 2,41 кг/c

Диаметр укрепляющей части колонны равен

диаметр колонны по условиям низа

Находим плотность пара в отгонной части колонны

Скорость пара в отгонной части колонны

Массовый поток пара Dм в отгонной части колонны

Dм =D× М0 = 0,043×52,4 = 2,25 кг/ c.

Тогда диаметр отгонной части колонны будет равен

Диаметр укрепляющей и отгонной частей колонны принимаем одинаковыми и равными dк = 1600 мм (см. [3] стр.9-10).

Определение числа тарелок и высоты колонны

По способу работы массообменные тарелки делятся на ситчатые, колпачковые, провальные и струйно-направленные. Диапазон тарелок, применяемых в колонной аппаратуре, составляет 200-8000 мм - в соответствии с диаметрами колонн, для которых они предназначаются. Количество тарелок в колонне бывает обычно не менее 20 - 30, а в отдельных случаях доходит до 80 штук и более. Расстояние между тарелками зависит в основном от физико-химических свойств разделяемой смеси и бывает от 60 до 600 мм и более. Тарелки малых размеров выполняются цельными, тарелки больших размеров - большей частью составными (разборными) из отдельных секций, соединенных между собой болтами и другими крепежными приспособлениями. Тарелки характеризуются нагрузками по пару и жидкости, относительная величина которых, в зависимости от разделяемой смеси, может значительно отличаться друг от друга.

Определение числа тарелок

Для определения теоретического числа тарелок необходимо на диаграмме х - y построить рабочие линии укрепляющей и отгонной частей колонны так, как это указано в разделе 1.5.

В итоге получаем

Число реальных тарелок рассчитывается по уравнению

где

- КПД тарелок, учитывающий реальные условия массообмена на тарелках.

Высота тарельчатой части

Нт = (n - 1) ×h = (14 - 1) ×0,4 = 5,2м

Высота колонны.

Н = Нт + Нс + Нк

где Нс = 0,5 м - высота сепарационной части,

Нк = 1,5 м - высота кубовой части колонны

Н = 5,2 + 0,5 + 1,5 = 7,2 м.

Гидравлический расчет тарелок

Принимаем следующие размеры колпачковой тарелки: диаметр отверстий d0=4мм высота сливной перегородки hп=50мм. Свободное сечение тарелки11% от общей площади тарелки. Рассчитаем гидравлическое сопротивление тарелки в нижней и верхней части колонны по уравнению

где - сопротивление сухой тарелки,

- сопротивление, вызываемое силами поверхностного натяжения,

пж - сопротивление парожидкостного слоя на тарелке

верхняя часть колонны.

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки

где

- скорость пара в прорезях колпачка (из расчета верха колонны);

- коэффициент сопротивления, равный для колпачковых тарелок …4,8 (см. [1] стр.28).

= 0,935

- средняя плотность пара в верхней части колонны

Fc = 0,109

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки равно

= 4,8.0,69.0,935/ 2.0,1092 = 130,3 Па

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения

где s = 21,5×10-3 Н/м - поверхностное натяжение жидкости при

(см. [1] стр.526)

= 4fпр. /П (где fпр. и П – площадь и периметр прорези).

fпр. = 3,14. dк. h

= 2h (h – высота подъема колпачка) h = 0.01м(см. [7] стр.214)

=2.0,01 = 0,02 м.

Статическое сопротивление слоя жидкости на тарелке

(см. [1] стр.28)

где

= 0,5 – относит. Плотность пены (см. [1] стр.28)

h = hж - hпер - высота уровня жидкости над сливным порогом

hпер = 0,06м - высота сливной перегородки (см. [7] стр.214)

hж = hw + how - высота слоя жидкости на тарелке.

Примем hw = 0,06 м, h0w = 0,029

Wв – плотность орошения через сливную планку. Wв = Wч/В

Часовой расход в верхней части колонны

Wч = ПR/

.3600 =(0,5.3,75/ 752).3600 = 9,0 м3/ч

В = 1,238 м – периметр слива (см. [7] стр.214)

Wв = 9,0/1,238 = 7,27 м3/ч

h0w = 0,029.

= 0,011м

h =0,011м

1,3.0,5.752(0,02 + 0,015 +0,011) 9,81 = 220,6Па

130,3 +4,3 +220,6 = 355,2Па

нижняя часть колонны.