Записка.Кощеева Ольга,ТМ-47. Кощеева Ольга. Тм47. Средние массовые расходы по жидкости и пару в верхней и нижней частях колонны

• Название: Кощеева Ольга. Тм47. Средние массовые расходы по жидкости и пару в верхней и нижней частях колонны
• Дата: 30.03.2023
• Размер: 189.32 Kb.
• Имя файла: Записка.Кощеева Ольга,ТМ-47.docx
• Тип: Документы; #1026000

Кощеева Ольга.ТМ-47. СРЕДНИЕ МАССОВЫЕ РАСХОДЫ ПО ЖИДКОСТИ И ПАРУ В ВЕРХНЕЙ И НИЖНЕЙ ЧАСТЯХ КОЛОННЫ

Средний мольный состав жидкости для верхней и нижней частей колонны:





Средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны [1, с.230, ф.6.6]:





Средние массовые расходы по жидкости для верхней и нижней части колонны [1, с.229, ф. 6.4-6.5.]:





где и – средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны.

Средний мольный состав пара для верхней и нижней частей колонны:





Средние мольные массы пара в верхней и нижней частях колонны [1, с.230, ф.6.8.]:





Средние массовые расходы по пару в верхней и нижней частях колонны [1, с.230, ф. 6.7]:

РАСЧЁТ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОТОКОВ В КОЛОННЕ ДЛЯ РАСЧЁТА ДИАМЕТРА КОЛОННЫ

Рис…. Диаграмма с температурами в средних сечениях колонны

Воспользовавшись диаграммой определим температуры жидкости и пара в средних сечениях колонны:









Для найденных температур определяем значения физических свойств жидкости и пара при соответствующих составах.

Плотности компонентов находим линейной интерполяцией по справочным данным [2, с. 14]:

,

,



.

Средние массовые доли компонентов в верхней и нижней частях колонны:





Плотность жидкости в верхней и нижней частях колонны [1, с. 231]:

,

.

Плотности пара [1, с. 231, ф. 6.10]:

,

СКОРОСТЬ ПАРА И ДИАМЕТР КОЛОННЫ

Рабочая скорость пара в тарельчатой колонне с контактными элементами в виде клапанных тарелок (ТКП) находится из уравнения [1, с.205, ф.5.34.]:



где – масса клапана, кг; – площадь отверстия под клапаном, ; – коэффициент сопротивления, который может быть принят равным 3, – относительное свободное сечение тарелки, доли. По ГОСТ 16452-79 диаметр отверстия под клапаном равен 40 мм, масса клапана 0,04 кг.

Тогда рабочие скорости пара в верхней и нижней частях колонны равны:





Рассчитаем отдельно диаметр верхней и нижней части колонны [1, с.231, ф. 6.12]:







Выбираем стандартный диаметр колонны [1, с.212].

При этом диаметре рабочая скорость пара в верхней и нижней частях колонны равна:





Для колонны диаметром выбираем клапанную однопоточную тарелку ТКП с конструктивными размерами, приведенными ниже [1, с.222]:

Таблица 2. Характеристика клапанной тарелки

Диаметр, мм	1600
Свободное сечение колонны,	2,01
Рабочее сечение тарелки,
Периметр слива, м	1,26
Сечение перелива,	0,27
Шаг , мм	75
Относительное свободное сечение тарелки , %	8,25
Число клапанов	132
Число клапанов на поток	10

Скорость пара в рабочем сечении тарелки [1, с. 238]:

РАСЧЁТ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОТОКОВ В КОЛОННЕ ДЛЯ РАСЧЁТА ВЫСОТЫ КОЛОННЫ

Плотности жидких компонентов при 20°С в верхней и нижней частях колонны [2, с.14]:





Плотность жидкости при 20°С [1, с.231]:





Вязкости жидкости [2, с. 15]:

,

,



.

Вязкость жидкости в верхней и нижней частях колонны [1, с.231, ф.6.11.]:





Вязкости жидких компонентов при 20°С [2, с.15]:





Вязкости жидкостей при 20°С в верхней и нижней частях колонны [1, с.231, ф.6.11.]:





Вязкости паров [2, с. 22]:

,

,



.

Вязкость паров в верхней и нижней частях колонны [1, с.234, ф.6.21.]:





Поверхностное натяжение при температурах [2, с. 16]:









Определим поверхностное натяжение жидкости в верхней и нижней частях колонны [3, с.7]:

РАСЧЁТ КОЭФФИЦИЕНТОВ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИФФУЗИИ

Коэффициент диффузии в жидкости при температуре 20˚С можно приблизительно вычислить по формуле [1, с. 234, ф. 6.23.]:



Где А и В – коэффициенты, зависящие от свойств растворенного вещества и растворителя, можно принять равными ;

и – мольные объемы компонентов НК и ВК соответственно при температуре кипения [3, с.10]:





Температурный коэффициент [1, с. 234, ф. 6.24.]:





Коэффициент диффузии при 20°С:





Коэффициент диффузии при средних температурах в жидкости [1, с. 234, ф. 6.22.]:





Коэффициент диффузии в паровой фазе рассчитывается по уравнению [1, с. 234, ф. 6.25.]:



Где – средняя температура в соответствующей части колонны К; – абсолютное давление Па.

РАСЧЁТ ВЫСОТЫ КОЛОННЫ

Определение высоты светлого слоя жидкости

Высоту светлого слоя жидкости для клапанных тарелок находят по формуле [1, с. 208, ф. 5.49]:



- удельный расход жидкости на 1 м ширины сливной перегородки, ;

; – поверхностное натяжение соответственно жидкости и воды при температуре равной температуре внизу и вверху колонны ;

– вязкость жидкости, мПа с;

– высота переливной перегородки, м;

;

- ширина сливной перегородки, м

Поверхностное натяжение воды [2, с. 4-5]:

Для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

Удельный расход жидкости [1, с. 239]:

Для верхней части колонны:



Для нижней части колонны:



Для верхней части колонны:



Для нижней части колонны:

Паросодержание барботажного слоя

Паросодержание барботажного слоя находим по формуле [1, с. 207, ф.5.47.]:



Где , Fr – критерий Фруда.

Для верхней части колонны:



Для нижней части колонны:

Расчёт коэффициентов массоотдачи

По формулам [1, с. 239, ф. 6.37, 6.38] определим коэффициенты массоотдачи:

В жидкой фазе:



В паровой фазе:



где относительное свободное сечение тарелки, скорость в рабочем сечении тарелки, .

Для верхней части колонны:



Для нижней части колонны:



Коэффициенты массоотдачи для верхней части колонны:

В жидкой фазе:



В паровой фазе:



Коэффициенты массоотдачи для нижней части колонны:

В жидкой фазе:



В паровой фазе:



Пересчитаем коэффициенты массоотдачи на [1, с.240-241]:

Для верхней части колонны:





Для нижней части колонны:

Расчёт коэффициентов массопередачи

Коэффициенты массоотдачи, рассчитанные по средним значениям скоростей и физическим свойствам паровой и жидкой фаз, постоянны для верхней и нижней частей колонны 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 коэффициента массопередачи в интервале изменения состава жидкости от . Коэффициент распределения определяется тангенсом угла наклона касательной проведенной к точке в вышеуказанном интервале:

Коэффициент массопередачи находим по формуле [1, с. 239, ф. 6.36.]:



Общее число единиц переноса на тарелку находим по уравнению [1, с. 239, ф. 6.35.]:



Далее, по формуле [1, с. 239, ф. 6.34] определяем локальную эффективность :



Для определения эффективности по Мэрфри необходимо рассчитать также фактор массопередачи , долю байпасирующей жидкости , число ячеек полного перемешивания и межтарельчатый унос .

1. 
   Фактор массопередачи рассчитывается по формуле [1, с.241]:
   

2. 
   Долю байпасирующей жидкости определяем по экспериментальной зависимости [4, с.99]:
   

Рис. ... Зависимость доли байпасирующего потока жидкости от фактора

Для верхней части колонны:



Для нижней части колонны:

3. 
   Для колонн диаметром более 600 мм с клапанными тарелками отсутствуют надежные данные по продольному перемешиванию жидкости, поэтому с достаточной степенью приближения модно считать, что одна ячейка перемешивания соответствуют длине пути жидкости [1, с.241].
   

Примем, что м. Определим длину пути жидкости как расстояние между переливными устройствами [1, с.242]:



Тогда число ячеек полного перемешивания на тарелке [1, с.242]:



Максимальный межтарельчатый унос задаем равным

Расчёт высоты пены на тарелке

Высоту газожидкостного барботажного слоя (пены) на тарелке находим из уравнения [1, с.207, ф.5.42.]:



Для верхней части колонны:



Для нижней части колонны:

Выбор межтарельчатого расстояния

Для расчёта клапанных тарелок значение брызгоуноса с тарелки, принимаемого равным кг жидкости на 1 кг пара, определяется по формуле [1, с. 209, ф. 5.52.]:



где – поправочный множитель, учитывающий свойства жидкости и равный ; – в мН/м; коэффициент и показатели степени и приведены ниже [1, с. 209, табл.]:



Для верха колонны:





Решая относительно получаем:

Для низа колонны:





Решая относительно получаем: .

Значение межтарельчатого расстояния в данном расчёте следующее:

Для верха колонны:



Для низа колонны:



Проанализировав ряд стандартных расстояний между тарелками [1, с. 209], выберем расстояние между тарелками в колонне равным

Расчёт КПД тарелок по Мэрфри

Подставляя в уравнения [1, с. 238, ф. 6.30 – 6.33.] вычисленные значения определим КПД по Мэрфри:









Зная эффективность по Мэрфри, можно определить концентрацию легколетучего компонента в паре на выходе из тарелки по соотношению [1, с. 243, ф. 6.43.]:



Полученные результаты сведены в таблицу:

Таблица …. Расчёт параметров кинетической кривой

x
0,0200	0,0653	0,0200	3,071	0,0252	0,6306	0,4677	4,0015	2,4462	0,9990	0,7545	0,6820	0,0509
0,0500	0,1501	0,0752	2,600	0,0259	0,6486	0,4772	3,3873	2,1346	0,9346	0,7437	0,6732	0,1257
0,1000	0,2641	0,1672	1,991	0,0269	0,6735	0,4901	2,5946	1,7130	0,8497	0,7209	0,6544	0,2306
0,1500	0,3522	0,2592	1,558	0,0277	0,6924	0,4996	2,0301	1,3987	0,7884	0,6979	0,6354	0,3183
0,2000	0,4220	0,3512	1,255	0,0283	0,7063	0,5065	1,6356	1,1716	0,7453	0,6783	0,6191	0,3950
0,2500	0,4793	0,3895	1,047	0,0250	0,6255	0,4650	1,3641	0,9394	0,6360	0,5914	0,5457	0,4385
0,3000	0,5278	0,4279	0,905	0,0254	0,6345	0,4698	1,1788	0,8405	0,6225	0,5851	0,5404	0,4819
0,3500	0,5705	0,4663	0,807	0,0256	0,6408	0,4731	1,0519	0,7715	0,6131	0,5805	0,5364	0,5222
0,4000	0,6090	0,5047	0,739	0,0258	0,6453	0,4755	0,9632	0,7228	0,6065	0,5772	0,5335	0,5603
0,4500	0,6447	0,5430	0,690	0,0259	0,6485	0,4772	0,8993	0,6873	0,6017	0,5746	0,5314	0,5971
0,5000	0,6783	0,5814	0,654	0,0260	0,6510	0,4785	0,8520	0,6609	0,5981	0,5727	0,5297	0,6327
0,5500	0,7103	0,6198	0,627	0,0261	0,6528	0,4794	0,8171	0,6413	0,5954	0,5713	0,5285	0,6676
0,6000	0,7411	0,6581	0,609	0,0262	0,6540	0,4800	0,7936	0,6281	0,5937	0,5703	0,5277	0,7019
0,6500	0,7713	0,6965	0,600	0,0262	0,6546	0,4803	0,7822	0,6217	0,5928	0,5698	0,5273	0,7360
0,7000	0,8013	0,7349	0,602	0,0262	0,6545	0,4803	0,7841	0,6228	0,5929	0,5699	0,5273	0,7699
0,7500	0,8317	0,7733	0,614	0,0261	0,6537	0,4799	0,7997	0,6316	0,5941	0,5705	0,5279	0,8041
0,8000	0,8629	0,8116	0,635	0,0261	0,6522	0,4791	0,8279	0,6474	0,5963	0,5717	0,5289	0,8387
0,8500	0,8953	0,8500	0,663	0,0260	0,6503	0,4781	0,8641	0,6677	0,5990	0,5732	0,5302	0,8740
0,9000	0,9292	0,8884	0,691	0,0259	0,6485	0,4772	0,8999	0,6876	0,6017	0,5746	0,5314	0,9101
0,9500	0,9642	0,9267	0,707	0,0259	0,6474	0,4766	0,9209	0,6993	0,6033	0,5755	0,5321	0,9467
0,8500	0,8953	0,8500	0,663	0,0260	0,6503	0,4781	0,8641	0,6677	0,5990	0,5732	0,5302	0,8740

Рис…. Расчёт реальных тарелок с помощь к.п.д. по Мэрфри

Взяв значения из таблицы _, наносим на диаграмму Х - У точки, по которым проводим кинетическую линию. Построением ступеней между рабочей и кинетической линиями в интервалах концентраций от определим число действительных тарелок для нижней (исчерпывающей) части и в интервалах от – число действительных тарелок для верхней (укрепляющей) части колонны тар.

Общее число действительных тарелок:



Определение высоты колонны

Высоту тарельчатой ректификационной колонны определим по уравнению [1, с.244, ф.6.44.]:



где – расстояние между тарелками, м; - высота сепарационного пространства над верхней тарелкой и расстояние между нижней тарелкой и днищем аппарата, м.

Для [1, с.235, табл.].

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ КОЛОННЫ

Гидравлическое сопротивление тарелок колонны определяем по уравнению [1, с. 244, ф.6.45.]:



где ; – гидравлическое сопротивление тарелки соответственно верхней и нижней части колонны, Па.

Полное гидравлическое сопротивление одной тарелки складывается из трех слагаемых [1, с. 209, ф.5.56.]:



Гидравлическое сопротивление сухой (неорошаемой) тарелки [1, с. 209, ф.5.57.]:



где – коэффициент сопротивления сухой тарелки [1, с.210, табл.]. Для клапанной тарелки .





Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя (пены) на тарелке [1, с. 210, ф.5.58.]



Для верхней части колонны:



Для нижней части колонны:



Гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения [1, с. 210, ф.5.59.]:



Для верхней части колонны:



Для нижней части колонны:



Полное гидравлическое сопротивление одной тарелки:

В верхней части колонны:



В нижней части колонны:



Полное гидравлическое сопротивление ректификационной колонны:

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. 
   Дытнерский Ю.И., Борисов Г.С., Брыков В.П. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию; издание 1991 г.
   
2. 
   Бобылёв В. Н. Физические свойства наиболее известных химических веществ. Справочное пособие. РХТУ им. Д. И. Менделеева. М.: 2003.
   
3. 
   Равичев Л. В., Трушин А. М., Комляшев Р. Б., Васильев А. С., Ильина С. И., Сальникова Л. С. Физико-химические свойства веществ: Методические указания по курсовому проектированию – М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2020. – 104 с.
   
4. 
   Александров И.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. Методы расчёта и основы конструирования. Изд. «Химия», М.: 1971. – 296 с.