3.3.1.2.3 Определение основных размеров ректификационных колонн

К основным размерам ректификационной колонны относят ее диаметр и высоту рабочей части. При подборе диаметра должны быть удовлетворены следующие условия

- скорости фаз должны быть меньше скоростей, при которых наступает захлебы­вание колонны;

- гидродинамические условия в колонне должны быть такими, чтобы ее массообменная эффективность была близка к оптимальной;

- диаметры колонн должны удовлетворять требованиям существующих стан­дартов.

В ректификационных колоннах массовые расходы и свойства фаз могут претер­певать значительные изменения по высоте. Поэтому обычно расчет диаметра для укреп­ляющей и исчерпывающей частей колонны проводят раздельно. Иногда верхнюю и нижнюю части ректификационной колонны приходится проектировать с разными диаметрами или с различным внутренним устройством (разный размер насадки, разное расстояние между тарелками).

3.3.1.2.3.1 Расчет диаметра колонны

Диаметр колонны определяется по выражению

D_K= = , (3.49)

где V – объемный расход паров в наиболее нагруженном сечении колонны, (м³/с);

G – массовый расход паров в том же сечении, кг/с;

– соответственно линейная (м/с) и массовая ( ) допустимые скорости паров в том же сечении колонны.

Массовый расход паров в верхнем сечении (укрепляющая секция) колонны рассчитывается по уравнению материального баланса для данного сечения

G =D +g = D(1+R), кг/ч (3.50)

Для нижнего сечения колонны (отгонная или исчерпывающая секция) массовый расход пара

G = WП, кг/ч (3.51)

В последних уравнениях

g – массовый расход флегми, кг/ч;

R – флегмовое число при рабочем режиме работы колонны (R = g/D);

П – паровое число при этом же режиме (П=G/W. Здесь G – массовый расход парового орошения).

Флегмовое число R можно определить по выражению

R = n ∙ R _min (3.52)

где n – кратность флегмового орошения (в расчете можно принять n=1,1…1,5);

R_min – флегмовое число при минимальном орошении колоны.

Минимальное флегмовое число R_min определяется:

- аналитически по уравнению

(3.53)

либо по методу Андервуда или методом ОПК [7];

- графически по фазовой диаграмме равновесных составов [6].

Паровое число П можно определить графически [6], либо аналитически по уравнению

(3.54)

Расчет диаметра колоны ведется по большему из полученных по уравнения (3.50) и (3.51) значений расхода пара.

Объемный расход паров определяется по выражению

(3.55)

где М – мольная масса паровой смеси, кг/кмоль;

T, π- соответственно температура (К) и давление (МПа) в рассчитываемом сечении колонны;

T₀, π₀ - температура и давление при нормальных условиях (T₀ = 273К; π₀ = 0.1 МПа)

Z – коэффициент сжимаемости. При π ≤ 0,5 МПа можно принять Z=1.

Допустимая линейная скорость паров в колонне определяется по выражению

(3.56)

массовая скорость по уравнению

, (3.57)

где С – коэффициент, величина которого зависит от конструкции тарелки, расстояния между тарелками и поверхностного натяжения жидкости (рисунок 1.6);

- плотность пара и жидкости соответственно, кг/м³.

Плотность паровой фазы при данной температуре Т рассчитывается как

(3.58)

Плотность жидкости при температуре Т определяется по формуле

(3.59)

где Т₀ – произвольная начальная температура (обычно 273 или 293 К);

- плотность смеси при температуре Т₀, зависящая от плотности индивидуальных компонентов и определяемая по выражению

(3.60)

для бинарной системы

p_ж= , (3.61)

а – средняя температурная поправка плотности на один градус в пределах температур от Т₀ до Т, значения которой приведены в таблице XII приложения(здесь плотность в г/см³).

. (3.62)

Полученное по уравнению (1.42) значение диаметра колонны округляется с соответствующими нормами (ГОСТ 9617-16).

Стандартом предусмотрены следующие диаметры колонных аппаратов

- от 1000 до 4000 мм – через каждые 200 мм, т.е. 1200, 1400, 1600 и т.д.;

- от 4000 – через каждые 500 мм.

Рисунок 3.7 – Значение коэффициента С при различных величинах поверхностного натяжения