Проектирование ректификационной установки для непрерывного разделения смеси: бензол-уксусная кислота под атмосферным давлением

Диаграмму см. в приложении 1

Из диаграммы получаем

 

 

По формуле (7) получаем:

 

 

Тогда и рабочее флегмовое  число 

Т.е. в этом случае дистиллят  из конденсатора полностью отбирается, и возврата флегмы обратно в колонну  не будет. Далее расчет ведем по нижней части колонны.

Относительный мольный расход питания:

 

                                           

                                                      (5)

 

где – относительный мольный расход кубового остатка:

 

 

Тогда

 

Уравнение нижней рабочей линии (3) примет вид:

 

 

 

2.3 Определение средних физических величин потоков

пара и жидкости

 

Для определения основных размеров колонны, расходов греющего пара и воды требуется найти средние  мольные, массовые составы, мольные, массовые и объемные расходы по жидкости и  пару, а также некоторые физические величины.

Обозначим легколетучий компонент, т.е. бензол за A, труднолетучий компонент за B.

а) Для жидкой фазы

- мольный состав :

 

- мольная масса смеси :

 

 

где мольные массы бензола и уксусной кислоты:

,

По формуле (8) определяем мольную массу смеси:

 

 

 

- массовый состав :

 

 

-среднюю температуру  определяем по диаграмме при соответствующем значении   [1, c. 511]

-плотность :

 

 

где плотности бензола и уксусной кислоты при температуре , [2, c. 4]

По формуле (13) определяем плотность :

 

 

 

-динамический коэффициент вязкости :

 

 

где динамические коэффициенты вязкости бензола и уксусной кислоты при температуре :

 

, [2, c. 5]

 

По формуле (12) определяем динамический коэффициент вязкости :

 

 

 

-коэффициент диффузии  :

 

 

где – коэффициент диффузии бинарной смеси при , ;

 – температурный коэффициент.

 

 

где – динамический коэффициент вязкости жидкости при , мПа

 плотность жидкости при  :

 

 

где плотности бензола и уксусной кислоты при , [2, c. 4]

По формуле (17) определяем плотность жидкости :

 

 

 

где динамические коэффициенты вязкости бензола и уксусной кислоты при ,

[2, c. 5]

По формуле (18) определяем динамический коэффициент вязкости :

 

 

По формуле (16) определяем температурный коэффициент :

 

 

где мольные объемы бензола и уксусной кислоты,

 A и B – коэффициенты, равные для смеси бензол-уксусная кислота 1 и 1,27 соответственно [6, c. 9].

 

 [6, c. 8]

 

По формуле (19) определяем коэффициент диффузии бинарной смеси :

 

 

По формуле (15) определяем коэффициент диффузии :

 

-поверхностное натяжение :

 

 

где поверхностные натяжения бензола и уксусной кислоты при [2, c. 10]

 

 

-массовый расход :

 

 

где мольная масса питания:

 

 

-объемный расход :

 

 

б) Для паровой фазы

-мольный состав определяем по уравнению нижней рабочей линии при подстановке в нее соответствующую мольную долю :

-мольная масса смеси :

 

 

-массовый состав :

 

 

-среднюю температуру определяем по диаграмме при соответствующем значении [1, c. 511]

-плотность :

 

 

где

 

 

-динамический коэффициент  вязкости  :

 

 

где динамические коэффициенты вязкости бензола и уксусной кислоты при :

 

, [2, c. 8]

 

 

 

-коэффициент диффузии  :

 

-массовый расход :

 

 

где мольная масса дистиллята:

 

 

-объемный расход :

 

 

 

4. Гидравлический расчет

 

1. Расчет скорости пара и диаметра колонны

Диаметр колонны D по объёмному расходу пара:

 

  (33)

 

где объемный расход пара,

скорость пара в колонне,

Зададимся и рассчитаем диаметр колонны D:

 

 

Результат округлим до ближайшего стандартного значения . Расстояние между тарелками

Гидравлический расчет колпачковых тарелок начинают с  определения скорости газа (пара). Однако сначала необходимо рассчитать максимальную скорость газа (пара) по соотношению:

 

, (34)

 

где максимальная (предельная) скорость газа (пара), отнесенная к единице площади поперечного сечения колонны,

расстояние между тарелками, м; линейная плотность орошения,

Коэффициент для тарелок с круглыми колпачками, при атмосферном давлении , .

Линейная плотность  орошения рассчитывается по уравнению:

 

  (35)

 

длина сливной перегородки (планки), м.

По каталогу для выбранного диаметра определим длину сливной перегородки .

Если линейная плотность  орошения или , то в уравнение (34) подставляют значения , равные соответственно или .

Определим по формуле (35) линейную плотность орошения для верхней и нижней частей колонны:

 

 – примем

 

 

Далее по формуле (34) определим  максимальную скорость пара:

 

 

 

Уточним скорость пара по формуле:

 

  (36)

 

Рассчитаем коэффициент  :

 

 

 

Коэффициенты  для верхней и нижней части колонны удовлетворяют условию .

 

2. Расчет высоты газожидкостного (барботажного) слоя жидкости

Скорость газа (пара) в  прорезях колпачка определяется по соотношению:

 

  (37)

 

где скорость газа (пара) в прорезях колпачка,

 объемный расход газа (пара),

 число колпачков на тарелке; 

площадь прорезей колпачка, .

По каталогу для выбранного диаметра определим диаметр колпачка и число колпачков на тарелке . Высота прорезей , следовательно .

По формуле (37) определим  : 

 

 

 

Значение  , рассчитанное по уравнению (37), должно удовлетворять условию:

 

; (38)

 

Минимально допустимая скорость газа (пара) в прорезях колпачка определяется по соотношению:

 

  (39)

 

где высота прорезей, м;

плотность жидкости и пара, ;

 коэффициент гидравлического  сопротивления.

Максимально допустимая скорость газа (пара) в прорезях колпачка соответствует полному открытию прорезей и определяется по соотношению:

 

  (40)

 

По уравнениям (39) и (40) рассчитаем минимально и максимально допустимые скорости пара в прорезях колпачка для верхней и нижней части колонны:

 

 

 

 

Т.к. , то следует либо увеличить высоту прорези колпачка , либо колпачки установить с зазором. В последнем случае дополнительное открытие прорезей определяется по соотношению:

 

  (41)

 

где диаметр колпачка, м;

 площадь прорезей колпачка, ;

 дополнительное открытие прорези, м;

  число колпачков.

Величина  не должна превышать величину зазора между тарелкой и колпачком .

Найдём  из уравнения (41):

 

 

 

Определение слоя жидкости на тарелке для исполнения колпачка 2 выполняется по соотношению:

 

,  (42)

 

 

Для выбранной тарелки стандартного диаметра рабочая скорость пара, т.е. скорость пара, отнесенная к единице  рабочей площади тарелки  определяется:

 

  (43)

 

Рабочая площадь тарелки  определяется по формуле: 

 

, (44)

 

где площадь переливного сегмента;

 

 

 

 

По уравнению (44) найдем рабочую площадь тарелки:

 

 

 

Определим рабочую скорость пара:

 

 

 

Определим среднюю длину  пути жидкости на тарелке:

 

 

 

Плотность орошения рассчитывается по формуле:

 

  (45)

 

 

Средняя линейная плотность  орошения определяется по соотношению:

 

  (46)

 

где плотность орошения (приведённая скорость жидкости), отнесенная к единице рабочей площади тарелки,

 средняя длина пути жидкости  на тарелке, м; 

число потоков жидкости на тарелке.

 

 

 

Высота светлого слоя жидкости определяется по соотношению:

 

  (47)

 

где высота светлого слоя жидкости на тарелке, м;

 высота сливной планки, м; 

рабочая скорость пара отнесенная к единице рабочей площади тарелки, ;

 средняя линейная плотность  орошения, .

 

 

Определим критерий Фруда  для верхней и нижней частей колонны:

 

 

 

Рассчитаем газосодержание барботажного слоя:

 

 

 

Высота газожидкостного (барботажного) слоя определяется по формуле:

 

  (48)

 

где высота светлого слоя жидкости, м;

 газосодержание барботажного  слоя.

 

 

Высота уровня жидкости над сливной планкой определяется по соотношению:

 

  (49)

 

 

3. Брызгоунос

Брызгоунос для колпачковых  тарелок рассчитывается по соотношению:

 

  (50)

 

где брызгоунос,

высота сепарационного пространства, м;

массовый расход газа(пара),

 рабочая площадь тарелки,  ; динамический коэффициент вязкости жидкости, мПа∙с; поверхностное натяжение,