Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол

7. Определим сопротивление парожидкостного слоя по формуле (2.72):

Итак, гидравлическое сопротивление тарелки в нижней части колонны составит по (2.61):

Проверим, соблюдается ли при расстоянии между тарелками h=0.3 м необходимое для нормальной работы тарелок условие:

,

следовательно, условие выполняется.

Проверим равномерность работы тарелок – рассчитаем минимальную скорость пара в отверстиях ωо,min достаточную для того, чтобы ситчатая тарелка работала всеми отверстиями.

ωо<ωо,min→5.47<6.94, следовательно, тарелки будут работать не всеми отверстиями.

3.7. Расчет числа действительных тарелок графоаналитическим методом (построение кинетических кривых)

Определим вязкость жидкости (бензол и толуол) при температуре t=200C в верхней и нижней частях колонны по формулам (2.94, 2.95):

а) в верхней части колонны при ;:

б) в нижней части колонны:

Рассчитаем коэффициент диффузии в жидкости при температуре t=200С в верхней и нижней частях колонны по формулам(2.92,2.93):

а) в верхней части колонны при ;

б) в нижней части колонны:

Определим плотность жидкости (смеси) при t=200C в верхней и нижней частях колонны по формулам (2.46, 2.47):

а) в верхней части колонны:

при ;

б) в нижней части колонны:

при ;

Рассчитаем температурный коэффициент b для верхней и нижней частей колонны по формулам (2.96, 2.97):

а) в верхней части колонны:

б) в нижней части колонны:

Рассчитаем коэффициент диффузии в жидкости при средней температуре в верхней и нижней частях колонны по формулам (2.90, 2.91):

а) в верхней части колонны:

б) в нижней части колонны:

Определим коэффициент диффузии в паровой фазе при средней температуре в верхней и нижней частях колонны по формулам (2.98, 2.99):

а) в верхней части колонны при tср.в.=890С:

б) в нижней части колонны при tср.н.=1030С:

Определим плотность орошения для верхней и нижней частей колонны по формулам (2.100, 2.101): а) в верхней части колонны:

б) в нижней части колонны:

Определим удельный расход жидкости на 1м ширины переливной перегородки для верхней и нижней частей колонны по формулам (2.88, 2.89):

а) в верхней части колонны:

б) в нижней части колонны:

Рассчитаем скорость пара в рабочем сечении тарелки по формуле (2.79):

Рассчитаем показатель степени в формуле расчета высоты светлого слоя жидкости по формуле:

Рассчитаем поверхностное натяжение воды при tср.в.=890С и tср.н.=1030С интерполяцией с использованием справочной информации по поверхностному натяжению воды [11]:

Поверхностное натяжение воды при tср.в.=890С:

При t=800С→σв=62.6·10-3 Н/м; при t=1000С→σв=58.9·10-3 Н/м

Поверхностное натяжение воды при tср.н.=1030С:

При t=1000С→σв=58.9·10-3 Н/м; при t=1200С→σв=54.9·10-3 Н/м

Определим высоту светлого слоя жидкости для верхней и нижней частей колонны по формуле (2.87):

а) в верхней части колонны:

б) в нижней части колонны:

Критерий Фруда определим по формулам (2.83,2.84)

а) в верхней части колонны:

б) в нижней части колонны:

Определим паросодержание барботажного слоя по формулам (2.85, 2.86):

а) в верхней части колонны:

б) в нижней части колонны:

Рассчитаем коэффициенты массоотдачи, отнесенные к единице рабочей площади тарелки для жидкой и паровой фаз по формулам (2.81, 2.82):

а) в верхней части колонны:

б) в нижней части колонны:

Осуществим пересчет коэффициента массоотдачи из в :

а) в верхней части колонны:

б) в нижней части колонны:

При х=0,05 в нижней части колонны коэффициент распределения m (тангенс угла наклона равновесной линии в этой точке) равен 2,60.

По формуле (2.80) вычислим коэффициент массопередачи Куf:

Определим число единиц переноса по формуле (2.78):

Рассчитаем локальную эффективность по пару по формуле (2.77):

Фактор массопередачи для нижней части колонны:

, где

Тогда:

Рассчитаем В по формуле (2.76):

Далее определим значение Е′′mу по формуле (2.75):

Определим Е′mу по формуле (2.74):

Эффективность по Мэрфи находим по формуле (2.73), принимая e, равным 1:

При х=0,60 в верхней части колонны коэффициент распределения m (тангенс угла наклона равновесной линии в этой точке) равен 0.82.

По формуле (2.80) вычислим коэффициент массопередачи Куf:

Определим число единиц переноса по формуле (2.78):

Рассчитаем локальную эффективность по пару по формуле (2.77)

Фактор массопередачи для верхней части колонны:

Рассчитаем В по формуле (2.76):

Далее определим Е′′mу по формуле (2.75):

Определим величину Е′mу по формуле (2.74):

Эффективность по Мэрфи находим по формуле (2.73), принимая e, равным 1:

Интерполяцией определим Y*, необходимое для нахождения Yвых. Для расчета используем данные табл. 3.1.

В верхней части колонны:

при х=0.60:

при х=0.75:

при х=0.90:

В нижней части колонны:

при х=0.05:

при х=0.15:

при х=0.30:

По уравнениям рабочих линий находим Yвх:

В верхней части колонны:

При х=0.60→

При х=0.75→

При х=0.90→

В нижней части колонны:

При х=0.05→

При х=0.15→

При х=0.30→

Используя, ранее рассчитанные Y*, Yвх и Еmy, определим Yвых:

В верхней части колонны:

В нижней части колонны:

Результаты расчета параметров, необходимых для построения кинетической линии, приведены в табл. 3.4:

Таблица 3.4 Данные для построения кинетической линии

Используя данные табл. 3.4, наносим на диаграмму равновесия между паром и жидкостью в системе бензол–толуол при флегмовом числе R=2.12 точки, по которым проводим кинетическую линию (см. рис. 3.23).

Рис. 3.23. Определение числа действительных тарелок бензольно-толуольной смеси при флегмовом числе R=2.12

Построением ступеней между рабочей и кинетической линиями определим число действительных тарелок для верхней (укрепляющей) и нижней (исчерпывающей) частей колонны.

Общее число действительных тарелок:

4. Выбор конструкционного материала аппарата и опор

Оборудование современных процессов нефтепереработки и нефтехимии должно работать при низких и высоких температурах, значительных механических напряжениях, в агрессивных рабочих средах. Поэтому материалы, применяемые в нефтезаводском, нефтехимическом машиностроении, должны непременно обладать радом свойств:

высокой механической прочностью;

высокой жаропрочностью, т.е. способностью сохранять необходимую прочность при работе в условиях высоких температур;

сохранением свойств после резких теплосъемов;

высокими вязкостью и усталостными свойствами (циклической прочностью) – устойчивостью против знакопеременных или повторных однозначных нагрузок;

малой склонностью к старению, т.е. к неблагоприятному изменению с течением времени механических свойств, выражающемуся в снижении вязкости и повышении твердости и прочности.

высокой коррозионной стойкостью в агрессивных средах, а также жаростойкостью – устойчивостью против химического разрушения при высоких температурах.

Следовательно, конструкционный материал подбирается в зависимости от таких важных факторов как тепловая нагрузка аппарата, температурные условия процесса, физико-химические параметры рабочих сред, условия теплообмена, характер гидравлических сопротивлений, вид материала и его коррозийную стойкость, простота устройства и компактность, расположение аппарата, взаимное направление движения рабочих сред, возможность очистки поверхности теплообмена от загрязнений, расход металла на единицу переданной теплоты и другие технико-экономические показатели. Для изготовления оборудования применяют углеродистые и легированные стали, серый, модифицированный и легированные чугуны, цветные металлы и сплавы, а также неметаллические материалы.

Химические продукты в той или иной мере всегда вызывают коррозию материала аппарата, поэтому для изготовления их применяют различные металлы (железо, чугун, алюминий) и их сплавы. Наибольшее применение находят стали. Стали с низким содержанием углерода хорошо штампуются, но плохо обрабатываются резанием. Добавки легирующих элементов улучшают качество сталей и придают им особые свойство (например, хром улучшает механические свойства, износостойкость и коррозионную стойкость; никель повышает прочность, пластичность; кремний увеличивает жаростойкость).

Хромоникелевые стали обладают коррозионной стойкостью в агрессивных средах, чем хромистые нержавеющие стали. Поэтому для проведения процесса ректификации смеси бензол – толуол подойдет аппарат, изготовленный из марок