Расчет насадочной ректификационной установки непрерывного действия для разделения смеси метанол-вода

В качестве насадки используем керамические кольца Рашига, засыпка в навал. По таблице 17[2] определяем харакеристики насадки:

Размеры кольца: 35х35х4мм

Удельная  поверхность σ – 140м²\м³

Свободный объём V : 0,78м³\м³.

Скорость  пара _з в обычных насадочных колоннах, работающих в условиях начала затопления насадки и появления эмульгационного слоя (т.е. в режиме точки инверсии фаз), определяют по уравнению

(2.55)

- удельная поверхность насадки  м²\м³, и - плотности пара и жидкости кг\м³, - динамический коэффициент вязкости жидкости мПа*с, - свободный объем насадки м³\м³, L, G – массовые расходы жидкости и пара кг\с, g –ускорение свободного падения,м\с.

Поскольку отношения  L\G и физические свойства фаз в верхней и нижней частях колонны различны, предельные скорости пара для каждой части определяют отдельно.

Средние массовые расходы по жидкости для верхней  L_в. кг\с и нижней части колонны L_н кг\с определяются из соотношений (2.55) и (2.56)

 

Где G_D ,G_F – массовые расходы дистиллята и питания, кг\с, R – флегмовое число, М_жв, М_жн – средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны, кг\кмоль, М_D – мольная масса дистиллята кг\кмоль; М_F - мольная масса питания, кг\кмоль.

Мольная масса дистиллята М_D – мольная масса дистиллята кг/кмоль рассчитана по формуле(1.13)

Мольную массу питания М_F кг\кмоль рассчитываем по формуле(2.58)

Тогда

Подставляя  ранее рассчитанные величины в уравнения (2.56) и (2.57), получаем

Средние массовые расходы пара для верхней и  нижней частей колонны определяется из соотношений(2.59) и (2.60):

Где М_пв, М_пн – средние мольные массы пара в верхней и нижней частях колонны, кг\кмоль, рассчитанные по формуле (2.4)

Подставляя  ранее рассчитанные величины в уравнения (2.59) и (2.60) получаем

Подставляя  все данные в формулу  (2.55) получим  соотношения

а)для верхней части колонны

б)для нижней части колонны

Для ректификационных колонн, работающих в пленочном режиме рабочую скорость пара можно принимать  на 20-30% ниже предельной [1].

Примем  рабочую скорость на 30% ниже предельной, тогда рабочая скорость w,м\с составит:

-в верхней  части колонны w_в=0,7*1,15=0,805м\с,

-в нижней  части колонны w_н=0,7*0,95=0,665м\с.

Диаметр насадочной ректификационной колонны  D, м, определяют по уравнению(2.61)

Подставляя  соответствующие значения в формулу(2.61) получим:

а)диаметр верхней части колонны

 

 
б)диаметр нижней части колонны.

 

 

 

 

 

Принимаем стандартный диаметр обечайки D_К=3,8м. При этом действительная скорость пара составит:

а)в верхней части колонны

б)в нижней части колонны

Для обычных  насадочных колонн оптимальная плотность  орошения U_опт, м₃\(м²*с), выше которой всю поверхность насадки можно считать смоченной, определяют по формуле(2.62) , где - удельная поверхность насадки м²/м³; b- поправочный коэффициент, м²/с, для процесса ректификации b=0,022*10^-3 м²/с[4].

Тогда по формуле (2.62)

Фактическая плотность орошения для верхней  U_В, м₃\(м²*с), нижней частей колонны U_Н, м₃\(м²*с), определяется из соотношений

                    (2.63)

 

                    (2.64)

Подставляя  все данные в формулу (2.63) получаем значение фактической плотности  орошения для верхней части колонны

Так как в  верхней части колонны фактическая  плотность орошения ниже оптимальной  , коэффициент смачиваемости насадки находим по рис.12 при отношении

 тогда,  =0,23

Подставляя  все данные в формулу (2.64) получаем значение фактической плотности  орошения для нижней колонны

 

Так как в  нижней части колонны фактическая  плотность орошения выше оптимальной, коэффициент смачиваемости насадки равен единице. Таким образом насадка орошается полностью в нижней части колонны и на 23% - в верхней части.

Определение высоты колоны.

 

Высота  слоя насадки H_Н, м , в обычных насадочных колоннах, работающих при нормальном режиме, может быть определена по следующему уравнению

                            (2.65)

Где - общее число единиц переноса по паровой фазе, - общая высота едениц переноса.

Общее число  единиц переноса определяют методом графического интегрирования с учетом зависимости

                   (2.66)

Где S – площадь, ограниченная кривой, ординатами y_D  и y_w  и осью абцисс; М_х – масштаб по оси абсцисс, М_у – масштаб по оси ординат, у* и у – равновесная и рабочая концентрации(мольные доли) легколетучего компонента в паре

Для этого  по диаграмме х-у снимают значения рабочих концентраций х, у и соответствующих им равновесных концентраций у^*. Эти значения заносят в таблицу, рассчитывают значение  и строят графическую зависимость .

Таблица№4.

У	у*	у*-у
Yw =0,06	0,16	0,1	10
0,15	0,20	0,05	20
0,2	0,25	0,05	20
0,3	0,31	0,01	100
Yf =0,33	0,35	0.02	50
0,45	0,66	0,21	4,76
0,55	0,8	0,25	4
Yd =0,6	0, 85	0,25	4

 

По диаграмме  № 4 находим общее число едениц переноса в верхней и нижней частях колонны n_oyв =5,05 n_oyн=3,07

 

Диаграмма№4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Общую высоту единиц переноса h_oy,м, определяем по уравнению

                                 (2.67)

Где h_х, h_у - высоты единиц переноса соответственно в жидкой и паровой фазах,м, m – средний коэффициент распределения в условиях равновесия для соответствующей части колонны; G\L – отношение мольных нагрузок по пару и жидкости, кмоль/кмоль.

Отношение мольных нагрузок по пару и жидкости, G\L, кмоль/кмоль определяют по соотношениям

Для верхней  части колонны

                   (2.68)

Тогда 

Для нижней части колонны

                      (2.69)

Где F – относительный (на один кмоль дистиллята)мольный расход питания кмоль\кмоль, определяемый по формуле

                      (2.70)

Тогда

При подстановке  всех значений в формулу(269 получим)

Высота  единиц переноса в жидкой фазе h_х , м, определяется по формуле

                  (2.71)

Где - коэффициент,зависящий от массовой плотности орошения L, определяемый по рисунку 7.6(б) [1]; с – коэффициент, зависящий от отношения рабочей скорости пара к предельной w\w_п, определяемый по рисунку 7.6(а)[1]; Pr_ж -  критерий Прандтля для жидкости, Z – высота слоя насадки одной секции, м.

Коэффициенты  Ф и с, определяемые по рисунку 7.6[1]

Ф_в=0,04  Ф_н=0,07 с_в=0,86  с_н=0,76

Диффузионный  критерий Прандтля для жидкости      (2.17)

а) в верхней  части колонны при температуре  t_ср.В = 105,7⁰ С по таблице [2, IX] определяем

μ_А = 0,23 мПа·с

μ_В = 0,21 мПа·с

б) в нижней части колонны при температуре  t_ср.Н = 114⁰ С по таблице [2, IX] определяем

μ_А = 0,19 мПа·с

μ_В = 0,19 мПа·с

Коэффициент диффузии пара в жидкости  (при  соответствующей температуре) связан с коэффициентом диффузии D₂₀ (при температуре 20⁰ С) следующем образом

D_ж = D₂₀[1+b(t-20)]                                                      (2.14)

Коэффициент диффузии в жидкости при 20⁰ С D₂₀ м²/с вычисляют по формуле

             (2.13)

 

где μ_ж – динамический коэффициент вязкости при 20⁰ С мПа·с4

 температурный  коэффициент b может быть определен по формуле

                                                                (2.15)

где μ_ж – динамический коэффициент вязкости жидкости при 20⁰ С; ρ_ж – плотность жидкости при 20⁰ С.

Динамический  коэффициент вязкости определяем по формуле

       (2.16)

μ_А, μ_В  -вязкости жидких компонентов А и В при температуре смеси, мПа·с.

Рассчитаем  динамические коэффициенты вязкости жидкостей  в колонне при 20⁰ С, предварительно определив по таблице IX [2] вязкости метанола и воды при 20⁰ С

μ_А = 0,8 мПа·с – метанол

μ_В = 1 мПа·с – вода

а) в верхней  части колонны

б) в нижней части колонны

Тогда температурный  коэффициент b равен согласно формуле (2.15)

а) для  верхней части колонны

б) для  нижней части колонны

Коэффициент диффузии метанола в жидкости при 20⁰ с по формуле (2.13)

а) для  верхней части колонны

б) для  нижней части колонны   

Коэффициенты  диффузии пара в воде при соответствующей  температуре в колонне по формуле (2.14)

а) для  верхней части колонны при  t_срВ = 105,7⁰ С

б) для  нижней части колонны при t_срн = 114⁰ С

В соответствии с формулой (2.17) критерий Прандля составит

а) для  верхней части колонны

б) для  нижней части колонны

Таким образом при подстановке всех значений в формулу (2.71) высота единиц переноса составит:

Для верхней  части колонны

Для нижней части колонны

Высота  единиц переноса в паровой фазе h_y, м, определяется по формуле

                          (2.72)

где - коэффициент, зависящий от отношения рабочей скорости пара к предельной w\w_П, определяемый по рисунку 7.6(а)[1]; - критерий Прандтля для пара; - массовая плотность орошения, кг/(м²_*с), - коэффициенты, зависящие от физических свойств жидкости.

По рисунку 7.6(а) определяем коэффициент  :

Для верха  колонны при w_В\w_П=075/1,15=0,65 _В=150;

Для верха  колонны при w_Н\w_П=0,62/0,95=0,665 _Н=145;

Критерий  Прандтля для жидкости      (2. 73)

Где - динамическая вязкость пара, Па*с; - плотность пара, рассчитанная по формуле(2.5); - коэффициент молекулярной диффузии в паровой фазе,м²\с.

Коэффициент молекулярной диффузии в паровой  фазе D_п рассчитывается по формуле