Реферат: Расчет разделения смеси диоксан-толуол в насадочной ректификационной колонне
, (3.11)
где ρx, ρy — средние плотности жидкости и пара, кг/м3; μx — в мПа-с.
Поскольку отношения L/G и физические свойства фаз в верхней и нижней частях колонны различны, определим скорости захлебывания для каждой части отдельно.
Найдем плотности жидкости ρх в, ρx н и пара ρy в, ρy н в верхней и нижней частях колонны при средних температурах в них tв и tн. Средние температуры паров определим по диаграмме t—х, у (см. рис. 3.2) по средним составам фаз: tВ= 94°С; tн=102 °С. Тогда
ρy в= М’В T0/(22,4(T0+t0)); ρy н= М’Н T0/(22,4(T0+t0)). (3.12)
Отсюда получим:
ρy в= 89,19 ∙ 273/(22,4 ∙ (273+94))=2,95 кг/м3;
ρy н= 90,94 ∙ 273/(22,4 ∙ (273+102))=2,96 кг/м3
Плотность физических смесей жидкостей подчиняется закону аддитивности:
ρсм = ρ1xоб + ρ2(1- xоб),
где xоб — объемная доля компонента в смеси.
В рассматриваемом задаче плотности жидких диоксана и толуола близки [7], поэтому можно принять ρx в = ρх н = ρх = 790 кг/м3.
Вязкость жидких смесей ц∙ находим по уравнению [8]:
lg μx=xср lg μx д + (1-xср) lg μx т, (3.13)
где μx д и μx т — вязкости жидких диоксана и толуола при температуре смеси [7].
Тогда вязкость жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равна:
lg μx в=0,675 lg 0,22 + (1-0,675) lg 0,30,
lg μx н=0,235 lg 0,21 + (1-0,235) lg 0,27,
откуда μx в = 0,243 мПа∙с; μx н = 0,254 мПа∙с.
Предельная скорость паров в верхней части колонны:
;
откуда wпв=1,241 м/с.
Предельная скорость паров в нижней части колонны:
;
откуда wпн =1,172 м/с.
Примем рабочую скорость но 30% ниже предельной:
wв=1,241∙0,7=0,87 м/с; wн=1,172∙0,7=0,82 м/с.
Диаметр ректификационной колонны определим из уравнения расхода:
(3.14)
Отсюда диаметры верхней и нижней части колонны равны соответственно:
м; 
м.
Рационально принять стандартный диаметр обечайки d = l,2 м одинаковым для обеих частей колонны. При этом действительные рабочие скорости паров в колонне равны:
w в = 0,87(1,03/1,2)2 = 0,64 м/с; wн = 0,82 (1,07/1,2)2 = 0,65 м/с,
что составляет соответственно 52 и 55 % от предельных скоростей.
3.4 Высота слоя насадки и колонны
Высота ректификационной колонны насадочного типа находится из уравнения:
Нк=Ят+(т-1)рр+Яв+Ян+Нк+Нд (3.15)
где Z=5 м – высота насадки в одной секции; n – число секций; hр=1,215 – высота промежутков между секциями насадки, в которых устанавливают распределители жидкости, м: Zв= 1,2 м и Zн = 2 м – соответственно высота сепарационного пространства над насадкой и расстояние между днищем колонны и насадкой, Нк - высота крышки, Нд – высота днища.
n=(Hв + Hн)/Z, (3.16)
Hн =hэ н∙nт н Hв= hэ в∙nт в (3.17)
где Hв и Hн – высота слоя насадки в верхней и нижней частях колонны; hэ в и hэ н – эквивалентная высота насадки [8].
; (3.18)
где 
-
критерий Рейнольдса [8]:
. (3.19)
Отношение L/G в верхней и нижней частях соответственно равны:
G/L=(R+1)/R=(6,1+1)/6,6=1,15;
G/L=(R+1)/(R+F)=(6,6+1)/(6,6+2,047)=0,88. (3.20)
Вязкость паров для верхней и нижней частей колонны:
μy в = M’в/(yв МД / μу Д + (1 - yв) МТ / μу Т);
μy н = M’н/(yн МД / μу Д + (1 – yн) МТ / μу Т), (3.21)
где
yв =(yD + yF)/2=(0,9+0,51)/2=0,705 кмоль / кмоль смеси;
yн=(yw + yF)/2=(0,02+0,51)/2=0,265 кмоль / кмоль смеси. (3.22)
μy в = 89,18/(0,705∙88 / 0,009 + (1 – 0,705) 92 / 0,0089)=0,009 мП∙с;
μy н = 90,94/(0,265∙88 / 0,009 + (1 – 0,265) 92 / 0,0089)=0,0089 мП∙с.
Тогда:
;
.
Для определения m – тангенса угла наклона равновесной линии для верхней и нижней частей колонны добавим линию тренда:
Рис. 3.3. Касательные к линии равновесия
Тогда для верхней и нижней частей колонны m соответственно равно 0,83 и 1,18. Следовательно:
м;
м.
Высота слоя насадки для верхней и нижней частей колонны равны:
Нв=20∙0,73=14,6 м и Нн=15∙0,65=9,75 м.
Н=14,6+9,75=24,35 м.
Примем Н=25 м, то n=25/5=5 секций, 3 в верхней части колонны и 2 в нижней. Конечная высота ректификационной колонны равна:
Нк=5∙5+(5-1)∙1,215+1,2+2+0,3+0,3=33,66 м. Для дальнейших расчётов примем HК=40 м.
3.5 Гидравлическое сопротивление насадки
Гидравлическое сопротивление насадки ΔР находят по уравнению
ΔР=10169 ∙ UΔРс. (3.23)
Гидравлическое сопротивление сухой неорошаемой насадки ΔРС рассчитывают по уравнению [1]:
,
(3.24)
где λ—коэффициент сопротивления сухой насадки, зависящий от режима движения газа в насадке.
Критерий Рейнольдса для газа в верхней и нижней частях колонны соответственно равен:
;
.
(3.25)
Следовательно, режим движения турбулентный.
Для турбулентного режима коэффициент сопротивления сухой насадки в виде беспорядочно засыпанных колец Рашига находят по уравнению
λ=
16/
2. (3.26)
Для верхней и нижней частей колонны соответственно получим:
=16/49680,2 = 2,92; 
=
16/51200,2 = 2,90.
Гидравлическое сопротивление сухой насадки в верхней и нижней частях колонны равно:
Па;
Па.
Плотность орошения в верхней и нижней частях колонны определим по формулам:
Uв=Lв/(ρх0,785d2), Uн=Lв/(ρх0,785d2). (3.27)
Подставив численные значения, получим:
Uв=1,853/(790∙0,785∙1,22)=0,0021 м3/(м2∙с),
Uн=2,476/(790∙0,785∙1,22)=0,0028 м3/(м2∙с).
Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки в верхней и нижней частях колонны:
ΔР=10169∙ 0,0021∙2545 = 5762 Па; ΔР=10169∙ 0,0028∙1744 = 5185 Па.
Общее гидравлическое сопротивление орошаемой насадки в колонне:
ΔР = ΔРв + ΔРн = 5762 + 5185 = 10947≈ 11 000 Па.
3.6 Тепловой расчет установки.
Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе, находим по уравнению:
Qд=GD ∙ (1+R) ∙ rD, (3.28)
где rD-удельная теплота конденсации паров в дефлегматоре, кДж/кг.
rD=XD ∙ rд+(1-XD) ∙ rт , (3.29)
где rд –и rт –удельные теплоты конденсации диоксана и толуола при 94°С [8].
rд = 360 кДж/кг;
rт = 321 кДж/кг;
rD = 0,896 ∙ 360+(1 – 0,896) ∙ 321 = 356 кДж/кг;
Qд = 0,278 ∙ (1+6,6) ∙ 356 = 752 кВт.
Расход теплоты, получаемой в кубе-испарителе от греющего пара, находим по уравнению:
Qк= Qд+ GD ∙ СD ∙ tD+ GW ∙ СW ∙ tW – GF ∙ СF ∙ tF+Qпот, (3.30)
