Определение высоты светлого слоя жидкости на тарелке и паросодержания барботажного слоя

Высоту светлого слоя жидкости h₀ для ситчатых тарелок находят по уравнению:

где — удельный расход жидкости на 1 м ширины переливной перегородки, м²/с;

b — ширина переливной перегородки, м;

h_пер — высота переливной перегородки, м;

у_х, у_В — поверхностное натяжение жидкости и воды соответственно;

м_х — в мПа? с;

.

Определим вязкость смеси жидкости для нижней и верхней части колонны по формуле:

.

где вязкости бензола и толуола соответственно.

Для верхней части колонны.

м Для нижней части колонны.

м Паросодержание барботажного слоя е находим по формуле.

где Для верхней части колонны Для нижней части колонны.

Расчёт коэффициентов массопередачи и высоты колонны

Определим коэффициент диффузии газа для нижней и верней части колонны при средней температуре t (в ?С) по формуле:

Коэффициенты диффузии в жидкости Dx20 при 20? С можно вычислить по приближённой формуле:

.

где А, В-коэффициенты, зависящие от свойств растворённого вещества и растворителя;

v_Б, v_у — мольные объемы компонентов в жидком состоянии при температуре кипения, см³/моль;

м_х — вязкость жидкости при 20? С, мПа? с.

v_Б=96 м³/моль.

х_у = 14,8?2 + 3,7?6 + 7,4 = 59,2 см³/моль.

м_х=0,28.

А=1 Б=1,24.

Тогда коэффициент диффузии в жидкости для верхней части колонны при 20? С равен:

Температурный коэффициент b определяют по формуле.

Здесь м_х и с_х принимаются при температуре 20? С. Тогда Отсюда.

м²/с Аналогично для нижней части колонны находим: м²/с Определим коэффициент диффузии газа для нижней и верней части колонны по формуле:

.

где T — средняя температура в соответствующей части колонны, К;

p — давления газа, Па;

м²/с;

м²/с;

Рассчитав коэффициенты молекулярной диффузии в жидкой D_x и паровой D _y фазах, вычисляем коэффициенты массоотдачи, отнесённые к единице рабочей поверхности тарелки для жидкой и паровой фаз:

Вязкость паров для верхней части колонны.

где м_Б и м_у — вязкость паров бензола и уксусной кислоты при средней температуре верхней части колонны, мПа? с;

у_в — средняя концентрация паров:

Подставив, получим:

мПа?с.

Аналогичным расчётом для нижней части колонны находим:

мПа?с.

Для верхней части колонны:

коэффициент массоотдачи в жидкой фазе:

коэффициент массоотдачи в паровой фазе.

Для нижней части колонны:

коэффициент массоотдачи в жидкой фазе.

коэффициент массоотдачи в паровой фазе.

Пересчитаем коэффициенты массоотдачи на кмоль/(м²?с):

кмоль/(м²?с).

кмоль/(м²?с).

кмоль/(м²?с).

кмоль/(м²?с) Коэффициенты массоотдачи, рассчитанные по средним значениям скоростей и физических свойств паровой и жидкой фаз, постоянны для верхней и нижней частей колонны. В то же время коэффициент массопередачи — величина переменная, зависящая от кривизны линии равновесия, т. е. от коэффициента распределения. Поэтому для определения данных, по которым строится кинетическая линия необходимо вычислить несколько значений коэффициентов массопередачи в интервале изменения состава жидкости x_W и x_D.

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

Коэффициент массопередачи K_yf вычисляем по коэффициентам массоотдачи в верхней части колонны:

кмоль/(м²?с) Общее число единиц переноса на тарелку n_oy находим по уравнению:

Локальная эффективность Е_у связана с общим числом единиц переноса по паровой фазе на тарелке n_oy следующим соотношением:

Фактор массопередачи для верхней части колонны.

Далее определим величину В' из уравнения где и — доля байпасирующей жидкости, характеризующая степень поперечной неравномерности потоков.

Для ситчатых тарелок при факторе скорости принимают и = 0,1.

Тогда.

Для определения по уравнению.

необходимо предварительно рассчитать число ячеек полного перемешивания S. Для колонн диаметром более 600 мм с ситчатыми тарелками отсутствуют надёжные данные по продольному перемешиванию жидкости, поэтому с достаточной степенью приближения можно считать, что одна ячейка перемешивания соответствует длине пути жидкости l, равной 300 — 400 мм.

Примем l = 350 мм и определим число ячеек полного перемешивания S как отношение длины пути жидкости на тарелке l_T к длине l. Определим длину пути жидкости l_T как расстояние между переливными устройствами:

м Тогда число ячеек полного перемешивания на тарелке равно.

Эффективность по Мерфи с учётом перемешивания на тарелке находим по уравнению.

Эффективность по Мерфи с учётом байпасирующего потока жидкости находим по уравнению.

Зная эффективность по Мэрфри, можно определить концентрацию легколетучего компонента в паре на выходе из тарелке у_вых по соотношению:

где у_вх и у^* — концентрация соответственно легколетучего компонента в паре на входе на тарелку и равновесная с жидкостью на тарелке.

Однако действительная концентрация на выходе будет отличаться от у_вых, вычисленной по значениям, вследствие явления образования жидкости в колонне, вызванной брызгоуносом. Влияние брызгоуноса можно выразить соотношением:

где у_к — действительная концентрация пара на выходе из тарелки (ордината точки на кинетической линии), кмоль / кмоль смеси;

х — состав жидкости на тарелке, кмоль / кмоль смеси;

е — относительный унос жидкости, кмоль / кмоль пара.

По уравнению.

определим у_вых:

у_вых = 0,725 + 0,79?(0,79 — 0,725) = 0,56.

Относительный унос жидкости е в тарельчатых колоннах определяется в основном скоростью пара, высотой сепарационного пространства и физическими свойствами жидкости и пара. В настоящее время нет надежных зависимостей, учитывающих влияние физических свойств потоков на унос, особенно для процессов ректификации. Для этих процессов унос можно оценить с помощью графических данных, представленных на рис. 1. По этим данным унос на тарелках различных конструкций является функцией комплекса .

Рис. 2 — Зависимость относительного уноса жидкости е от комплекса w,/(тНс) для тарелок различных конструкций: 1 — колпачковой; 2 — ситчатой; 3 — провальной решетчатой; 4 — клапанной балластной.

Коэффициент, учитывающий влияние на унос физических свойств жидкости и пара, определяют по уравнению.

Высота сепарационного пространства Н_с равна расстоянию между верхним уровнем барботажного слоя и плоскостью тарелки, расположенной выше:

где Н — межтарельчатое расстояние, м;

— высота барботажного слоя (пены), м.

В соответствии с каталогом для колонны диаметром 1200 мм расстояние Н = 0,5 м. Высота сепарационного пространства в нижней части колонны меньше, чем в верхней поэтому определим h_п для низа колонны:

Тогда.

м и.

При таком значении комплекса унос е = 0,08 кмоль / кмоль. Таким образом, действительная концентрация пара у_к равна:

Аналогичным образом подсчитаны у_к для других составов жидкости. Результаты расчета параметров, необходимых для построения кинетической линии, приведены в таблице:

Результаты расчёта величин, необходимых для построения кинетической линии.

Взяв отсюда значения х и у_к, наносим на диаграмму х-у точки, по которым проводим кинетическую линию. Построением ступеней между рабочей и кинетической линиями в интервалах концентраций от х_D до x_F определяем число действительных тарелок N_В для верхней (укрепляющей) части и в интервалах от x_F до x_W — число действительных тарелок N_H для нижней (исчерпывающей) части колонны. Общее число действительных тарелок N равно:

N = N_B + N_H = 7 + 5 + 2 = 14 тарелок.

Высоту тарельчатой ректификационной колонны определим по формуле.

.

где Н — расстояние между тарелками, м;

z_B, z_H — расстояние соответственно между верхней тарелкой и крышкой колонны и между днищем колонны и нижней тарелкой, м.

Подставив, получим:

м.