Расчет величин внутренних потоков пара и жидкости в колонне

Расход пара и жидкости через произвольные сечения колонны рассчитывается при совместном решении уравнений теплового и материального балансов [3].

Так, расход пара, проходящего через произвольное сечение укрепляющей секции колонны, рассчитывается по уравнению:

(1.36)

Расход жидкости, стекающей вниз через произвольное сечение укрепляющей секции колонны :

(1.37)

Расход пара в верхнем сечении колонны может быть рассчитан также по формуле :

D (R + 1) (1.38)

75.8 × 10³ (2 × 28 +1) = 248.6 × 10³ моль/ч = 248.6 кмоль/ч

Расход жидкости в верхнем сечении колонны :

– D (1.39)

248.6 – 75.8 = 172.8 кмоль/ч

Расход пара в нижнем сечении колонны можно рассчитать по уравнению [3] :

(1.40)

Энтальпия паров, равновесных с кубовым остатком, состав которых приведен в табл. 1.4 :

(141.8 × 134.4 + 32.2 × 10³ ) × 0.97 + (170.8 × 134.4 + 37 × 10³ ) × 0.03 = 51460 Дж/моль

кмоль/ч

Расход жидкости в нижнем сечении отгонной секции колонны :

+ W

233.7 + 87.3 = 321 кмоль/ч

Предварительный расчет диаметра колонны

Примем расстояние между клапанными тарелками Н = 500 мм, высоту сливной перегородки h_c = 45 мм, ориентировочную величину динамического подпора жидкости над сливной перегородкой Dh_g = 50 мм.

Линейная скорость паров в точке «переброса» жидкости рассчитывается по уравнению [3]:

(1.41)

где s – поверхностное натяжение на границе пар – жидкость при рабочих условиях, дин/cм;

r_п – плотность пара, кг/м³;

А, В, С – коэффициенты, зависящие от типа тарелок.

Для клапанных тарелок А = 36.6, В = 4.1, С = 0.62 [3].

Для верхнего сечения колонны, считая, что пары верхнего продукта состоят практически из бензола, s = 19.5 дин/cм (рассчитано экстраполяцией по данным [9]).

Плотность паров в верхнем сечении рассчитывается по формуле :

(1.42)

где М – средняя молекулярная масса дистиллята.

кг/м³

м/c

Объемная нагрузка по пару в верхнем сечении колонны :

(1.43)

м³/c

Рабочая площадь тарелки [3] :

(1.44)

м²

Допускаемая скорость жидкости в сливном устройстве [3] :

(1.45)

При малой интенсивности пенообразования, характерной для ректификации углеводородных смесей при Р ³ 0.1МПа, const = 300мм.

м/с

Площадь сливных устройств [3] :

(1.46)

Объемная нагрузка по жидкости :

(1.47)

Плотность жидкости в верхнем сечении при t_в = 93.5^оС рассчитана экстраполяцией данных о плотности бензола : r_ж = 799 кг/м³ [8].

Массовая нагрузка по жидкости в верхнем сечении

L = L^в × М_D » 172.8 × 78 = 13480 кг/ч

м³/ч

м²

Аналогичные расчеты проводятся для нижнего сечения колонны. Основной компонент кубового остатка – толуол. Поверхностное натяжение толуола при t_H = 134^oC, рассчитанное экстраполяцией по справочным данным [8], s = 14.85дин/см.

Средняя молярная масса кубового остатка

М_ср = 78 × 0.0006 + 92 × 0.951 + 106 × 0.0484 = 92.67 г/моль

Плотность паров в нижнем сечении колонны рассчитывается по уравнению (1.42) :

кг/м³

Линейная скорость паров в точке «переброса» жидкости – по уравнению (1.41) :

м/с

Средняя молярная масса паров, проходящих через нижнее сечение :

М_ср = 92 × 0.97 + 106 × 0.03 = 92.42г/моль

Объемная нагрузка по пару

м³/c

Рабочая площадь тарелки (уравнение (1.44)) :

м²

Допускаемая скорость жидкости в сливном устройстве остается равной

м/c

Плотность жидкости в нижнем сечении при 134^оС [8] : r_ж = 755 кг/м³ (значение получено экстраполяцией справочных данных для толуола).

Массовая нагрузка по жидкости :

L = L^н × М_ср = 321 × 92.67 = 29750 кг/ч

Объемная нагрузка по жидкости :

м³/ч

Площадь сливных устройств (уравнение (1.464)) :

м²

Диаметр колонны выбирается по двум параметрам – S_p и S_cл . Рабочая площадь тарелки для верхнего и нижнего сечений колонны различается незначительно. Площадь сливных устройств для нижнего сечения более чем вдвое больше, чем для верхнего сечения. Однако, как следует из Приложения Б, S_сл не является лимитирующим параметром в данном случае.

Выбираем следующие параметры клапанной однопоточной тарелки ВНИИНЕФТЕМАШа по ОСТ 26—02—1401—76 :

диаметр колонны – 1.4 м;

шифр тарелки – А;

рабочая площадь тарелки S_p = 1.10 м²;

периметр слива В = 1.12 м;

площадь слива S_сл = 0.22 м²;

длина пути жидкости L_T = 0.65м;

доля живого сечения при шаге между рядами отверстий t_o = 75мм f_o = 0.110;

межтарельчатое расстояние Н = 500мм.

Диаметр тарелок выбран одинаковым для укрепляющей и отгонной секций колонны, так как лимитирующий параметр – S_сл несколько больше расчетных значений S_сл для верхнего и нижнего сечений колонны.