Расчет сопротивления колонны

 

Гидравлическое сопротивление ректификационной колонны и её элемента – отдельной тарелки определяет минимальное расстояние между тарелками и работу переливного устройства. Гидравлическое сопротивление тарелки зависит от конструктивных особенностей типа тарелки.

Общее гидравлическое сопротивление ситчатой тарелки можно рассматривать как сумму трёх составляющих:

ΔР = ΔР_сух + ΔР_σ + ΔР_ст, (65)

где ΔР_сух – сопротивление сухой тарелки, Па;

ΔР_σ – сопротивление, вызванное силами поверхностного напряжения, Па;

ΔР_ст – статическое сопротивление слоя жидкости на тарелке, Па.

Гидравлическое сопротивление сухой ситчатой тарелки (см. рисунок 7) определяется по уравнению:

ΔР_сух = ξ *W ²₀* ρ_п/(2*g), (66)

где ξ – коэффициент сопротивления ситчатой тарелки (ξ = 1,52);

W₀ – скорость пара в отверстиях ситчатой тарелки, м/с.

 

 

Рисунок 7 – Схема ситчатой тарелки

 

Гидравлическое сопротивление, вызываемое силами поверхностного натяжения, может быть определено по уравнению:

ΔР_σ = 4*σ_см/d₀, (67)

где σ_см – поверхностное натяжение смеси бензол – о-ксилол, Н/м;

d₀ – диаметр отверстий в тарелке, м (см. таблицу 5).

Поверхностное натяжение смеси бензол – о-ксилол определим по формуле:

σ_см = (σ_вкк – σ_нкк)/(σ_нкк *х_ср + σ_вкк *(1 - х_ср)), (68)

где σ_вкк – поверхностное натяжение высококипящего компонента при t_х = 99,5 ⁰С (σ_вкк = 3*10^-2 Н/м);

σ_нкк – поверхностное натяжение низкокипящего компонента при t_х = 99,5 ⁰С (σ_нкк = 1,88*10^-2 Н/м);

х_ср – средний состав жидкости в колонне, мольн.доли.

Статическое давление слоя жидкости на тарелке рассчитывается по формуле:

ΔР_ст = 1,3*h_пж * ρ_пж*g, (69)

где h_пж – высота парожидкостного слоя на тарелке, м;

ρ_пж – плотность парожидкостного слоя на тарелке, кг/м³.

Высота парожидкостного слоя находится по формуле:

h_пж = h_п + Δh₁, (70)

где h_п – высота порога, м (принимается 0,04 м);

Δh₁ – высота слоя пены над порогом, м.

Высота слоя пены над порогом определяется по выражению:

Δh₁ = ((V_жу + V_жи)/2*1,85*П*k)^0,667, (71)

где V_жу – объёмный расход жидкости в укрепляющей части колонны, м³/с;

V_жи – объёмный расход жидкости в исчерпывающей части колонны, м³/с;

П – периметр сливной перегородки, м (для тарелки типа ТС-Р П = 0,722 м);

k – отношение плотности парожидкостного слоя к плотности жидкости (принимается равным 0,5).

k = ρ_пж/ ρ^ср _ж, (72)

где ρ^ср _ж – средняя плотность жидкости в колонне, кг/м³.

Средняя плотность жидкости в колонне

ρ^ср _ж = (ρ_жу + ρ_жи)/2, (73)

где ρ_жу – плотность жидкости в укрепляющей части колонны, кг/м³;

ρ_жи – плотность жидкости в исчерпывающей части колонны, кг/м³.

Скорость паров в отверстиях тарелки рассчитаем по формуле:

W₀ = w_ср/f_c, (74)

где w_ср – средняя скорость паров в обоих частях колонны, м/с;

f_c – доля свободного сечения колонны.

W₀ = 0,566/0,111 = 5,1 м/с.

Сопротивление сухой насадки по формуле (66):

ΔР_сух = ξ *W ²₀* ρ_п/(2*g) = 1,52*5,1²*3,014/(2*9,81) = 6,1 Па.

Поверхностное натяжение смеси бензол – о-ксилол по формуле (68):

σ_см = (σ_вкк – σ_нкк)/(σ_нкк *х_ср + σ_вкк *(1 - х_ср)) = (3*10^-2 – 1,88*10^-2)/ (1,88*10^-2*0,506 + 3*10^-2*(1 – 0,506)) = 0,46 Н/м.

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения по формуле (67):

ΔР_σ = 4*σ_см/d₀ = 4*0,46/0,004 = 460 Па.

Высота слоя пены над порогом по выражению (71):

Δh₁ = ((V_жу + V_жи)/2*1,85*П*k)^0,667 = ((0,001 + 0,00453)/2*1,85*0,722* 0,5)^0,667 = 0,015 м.

Тогда высота парожидкостного слоя по формуле (70):

h_пж = h_п + Δh₁ = 0,04 + 0,015 = 0,055 м.

Средняя плотность жидкости в колонне по формуле (73):

ρ^ср _ж = (ρ_жу + ρ_жи)/2 = (809,45 + 797,78)/2 = 803,62 кг/м³.

Тогда плотность парожидкостного слоя на тарелке из формулы (72):

ρ_пж = ρ^ср _ж *k =803,62*0,5 = 401,81 кг/м³.

Статическое давление слоя жидкости на тарелке рассчитывается по формуле (69):

ΔР_ст = 1,3*h_пж * ρ_пж*g = 1,3*0,055*401,81*9,81 = 281,84 Па.

Общее гидравлическое сопротивление ситчатой тарелки по формуле (65):

ΔР = ΔР_сух + ΔР_σ + ΔР_ст = 6,1 + 460 + 281,84 = 747,94 Па.

Проверим соблюдение расстояния между тарелками по соотношению:

h = ΔР/ (ρ^ср _ж*g) = 747,94/(803,62*9,81) = 0,094 м.

Так как принятое значение (0,4 м) больше полученного (0,094 м), то соотношение соблюдается, и расстояние между тарелками оставляем 0,4 м.

Общее гидравлическое сопротивление колонны определим по формуле:

ΔР_общ = ΔР*N = 747,94*24 = 17950,56 Па = 17,95 кПа.

 

Заключение

 

Поверочный расчёт полной ректификационной колонны для разделения бинарной смеси бензол – о-ксилол производительностью 10100 кг/ч с начальной концентрацией 0,45 масс. доли НКК в смеси показал, что для получения дистиллята с концентрацией бензола 0,918 масс. доли и кубового остатка с концентрацией НКК 0,0175 масс. доли необходимо:

1)выбрать колонну типа КСС диаметром 1,2 м;

2) установить в колонне ситчатые тарелки типа ТС-Р ОСТ 28-805-73;

3) диаметр отверстий в тарелке 4 мм с шагом между отверстиями 11 мм;

4) число действительных тарелок в колонне 24 (5 в укрепляющей части и 19 в исчерпывающей);

5) расстояние между тарелками принято 0,4 м;

6) высота сепарационной и кубовой частей приняты по 2,0 м;

7) общая высота колонны 13,74 м;

8) общее сопротивление прохождению пара в тарельчатой части колонны 17,95 кПа.

 

Список литературы

1. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической техноло­гии. - M.: Альянс, 2005, 752 с. с ил..

2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. – М.:Химия, 1987, 560 с. С ил.

3. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию /Под ред.Ю.И.Дытнерского. - М.: Химия, 1983, 272 с.

4. Бретшнайдер С. Свойства газов и жидкостей. - М.: Химия, 1966, 336 с.

5. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии. /Под ред. В.Г. Айнштейна. – М.: Химия, 2000, 540 с. с ил.

6. Колонные аппараты. Справочник. – М.: ЦИИТИхимнефтемаш, 1978, 30 с.