Конструктивный расчет аппарата

1 2 3 4 5 6

2.4.1 Определение скорости пара и диаметра колонны

Средние концентрации жидкости:

а) в верхней части колонны:

б) в нижней части колонны:

Средние концентрации пара находим по уравнениям рабочих линий:

а) в верхней части колонны:

б) в нижней части колонны:

Средние температуры пара определяем по диаграмме t- x, y (приложение Б):

а) при °C

б) при °C

Средние мольные массы и плотности пара:

а) кг/кмоль

кг/м³

б) кг/кмоль

кг/м³

Средняя плотность пара в колонне :

кг/м³

Температура в верху колонны при равняется 95 , а в кубе-испарителе при она равна 167 по диаграмме (приложение Б).

Плотность воды при 95°С , а плотность этиленгликоля при 167°С

Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне:

кг/м³

Определяем скорость пара в колонне. По данным каталога- справочника «Колонные аппараты» [5] принимаем расстояние между тарелками h = 350 мм. Для ситчатых тарелок С= 0,057.

Скорость газа в колонне находят по формуле:

(4)

Где ρ_ж и ρ_п – плотности жидкости и газа, кг/м³.

Скорость газа равна:

м/с

Объемный расход проходящего через колонну пара при средней температуре в колонне °С:

м³/с

где - мольная масса дистиллята

кг/кмоль

Диаметр колонны:

По каталогу-справочнику примем D=1800 мм, тогда скорость пара в колонне будет

м/с.

2.4.2 Определение числа тарелок и высоты колонны

а) наносим на диаграмму у-х рабочие линии верхней и нижней части колонны (приложение А) и находим число изменений концентрации n_т.

В верхней части колонны =2, в нижней =2, всего 4 ступеней.

Число тарелок рассчитываем по уравнению:

(5)

Для определения среднего кпд тарелок η находим коэффициент летучести разделяемых компонентов:

(6)

При средней температуре 152,5°С давление насыщенного пара этиленгликоля и воды равны:

Р_эг= 157 мм.рт.ст.

Р_в= 3000 мм.рт.ст.

Тогда

По номограмме [5, стр.538, рис V] находим динамический коэффициент вязкости воды и этиленгликоля:

Динамический коэффициент вязкости исходной смеси определим по формуле:

;

Тогда:

По графику [5, стр. 323, рисунок 7.4]находим

Длинна пути жидкости на тарелки равна:

По графику находимзначение поправки на длину пути .

Найдем средний к.п.д. тарелок по уравнению:

Для сравнения среднего к.п.д. тарелки вычислим по критериальной формуле, полученной путем статистической обработки многочисленных опытных данных:

(7)

В этой формуле безразмерные коэффициенты:

; (8)

. (9)

где коэффициент диффузии легколетучего компонента в исходной смеси.

В нашем случае: параметр учитывающий ассоциацию молекул растворителя, Па∙с; М= 52,76 кг/кмоль;

- мольный объем диффундирующего вещества; К.

м²/с

Число действительных тарелок в колонне равно:

а) в верхней части колонны

;

б) в нижней части колонны

;

Общее количество n=20, с запасом n=24.

Общее гидравлическое сопротивление тарелок:

Па

Высота тарельчатой части колонны:

Примем расстояние от верхней тарелки до крышки колонны равное 1000 мм, а от днища до нижней тарелки – 2000 мм.

Высота колонны равна:

2.4.3 Расчет гидравлического сопротивления тарелок колонны

Принимаем следующие размеры ситчатой тарелки: диаметр отверстий d₀= 4 мм, высота сливной перегородки h_п= 40 мм. Свободное сечение тарелки (суммарная площадь отверстий) 8% от общей площади тарелки. Площадь занимаемая двумя сегментами переливными стаканами, составляет 20% от общей площади тарелки.

Рассчитаем гидравлическое сопротивление тарелки в верхней и нижней частях колонны по формуле:

(10)

а) для верхней части колонны:

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

448,7 Па

где - коэффициент сопротивления неорошаемых ситчатых тарелок со свободным сечением 7-10%; - скорость пара в отверстиях тарелки.

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

36,7 Па

Где - поверхностное натяжение жидкости при средней температуре в верхней части колонны 152,2⁰С с учетом мольных долей состава жидкости; d_o=0,004- диаметр отверстий тарелки [3].

Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:

(11)

Высота парожидкостного слоя:

(12)

где - высота сливной перегородки.

Величину - высоту слоя над сливной перегородкой рассчитываем по формуле:

(13)

Где V_ж – объемный расход жидкости, ; П- периметр сливной перегородки, м; - отношение плотности парожидкостного слоя к плотности жидкости, принимаемое приближенно равным 0,5.

Объемный расход жидкости в верхней части колонны:

где - средняя мольная масса жидкости.

Периметр сливной перегородки П находим при радиусе тарелки , решая систему уравнений:

откуда , ;

Высота парожидкостного слоя на тарелке:

м,

Сопротивление парожидкостного слоя:

Па

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части колонны:

Dр' = Dр_сух + Dр_σ +Dр_пж= 448,7 + 36,7 + 321,32= 806,72 Па

б) для нижней части колонны:

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

Па,

где σ = 40∙10^-3Н/м - поверхностное натяжение жидкости при средней температуре в нижней части колонны 170,0 ⁰С

Объемный расход жидкости в нижней части колонны равен:

(14)

где

Тогда,

Высота слоя над сливной перегородкой:

м.

Высота парожидкостного слоя:

Сопротивление парожидкостного слоя:

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в нижней части колонны равно:

Проверим, соблюдается ли при расстоянии между тарелками h=350мм необходимое условие для нормальной работы тарелок:

(15)

Следовательно, условие соблюдается.

Проверим равномерность работы тарелок – рассчитаем минимальную скорость пара в отверстиях ω₀,_мин, достаточную для того, чтобы тарелка работала всеми отверстиями: