АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Конструктивные размеры и параметры тарельчатых колонн

Диаметр колонны. Диаметр тарельчатых колонн вычисляют из уравнения расхода:

D=VtJ^M (з-129>

Где VceK.—объем газа или пара, протекающего через колонну, в м3/сек\ w—скорость газа или пара в свободном сечении колонны в м/сек. Скорость газа или пара в колонне. Эффективность работы тарель­чатых колонн в значительной степени зависит от скорости газа (пара) как

В свободном сечении колонны, так и, особенно, в прорезях колпачков. Эти скорости зависят от физико-химических свойств взаимодействующих фаз (плотность, вязкость, поверхностное натяжение и др.) и конструктивных особенностей колонны. Оптимальная величина скорости может быть уста­новлена в каждом отдельном случае только опытным путем. В общем слу­чае предельно допустимая скорость газа или пара в колонне должна быть несколько меньше скорости, соответствующей явлению «захлебывания» колонны, когда восходящий поток пара начинает препятствовать стеканию жидкости по тарелкам.

В колоннах, работающих при атмосферном давлении, скорость газа (пара) обычно принимают 0,3—0,6 м!сек\ эта скорость непосредствен­но связана со скоростью в прорезях колпачков или в отверстиях тарелок, которую следует выбирать в пределах 2-^-6 місек.

В колоннах, работающих под вакуумом, скорость газа (пара) в прорезях колпачков должна быть значительно меньше и принимается 0,8—3 місек.

Скорость паров и в атмосферных, и в вакуумных колоннах может быть повышена при увеличении расстояния между тарелками или приме­нении специальных устройств в виде отбойников, слоя насадки и т. п., позволяющих уменьшить сепарационный объем между тарелками. При больших скоростях происходит увлечение потоком газа (пара) жид­кости с нижележащих тарелок на тарелки, лежащие выше, т. е. механи­ческий унос жидкости, и слияние отдельных пузырьков газа (пара) в струю, и в результате этого уменьшается поверхность контакта фаз и дли­тельность контакта.

Предельную скорость газа (пара) в прорезях колпачков или в от­верстиях тарелок, при которой отдельные пузырьки газа начинают сли­ваться в одну струю, можно определить теоретически.

Очевидно, что пузырьки будут сливаться в одну общую струю при условии

Zcdn = Wb

Где zc—число пузырьков, образующихся при прохождении газа (пара) через одно отверстие в секунду;

Dn—диаметр газовых или паровых пузырьков в м;

WQ—скорость подъема пузырьков в жидкости в м/сек,

7 ____ Fnp.^Np.

С <~

6

И

/прМфА _ < 0

6

Где /пр.—свободное сечение прорезей или отверстий в м\

ОуПр.—скорость прохождения газа (пара) через прорези и отверстия в місек.

Предельная скорость

71 (F.W0

WNp. = - fit— (3-130)

И/пр

Допустимая в данном случае скорость пара в свободном сечении та­рельчатой колонны, в зависимости от удельного веса пара и расстояния между тарелками, показана на диаграмме рис. 353.

Диаграмма отражает принципиальное влияние перечисленных выше факторов на скорость1 паров в колонне, и для смесей, отличающихся по

Своим физико-химическим свой­ствам от смеси этиловый спирт—вода, может быть ис­пользована только при ориен­тировочных расчетах.

Расстояние между тарел­ками. Выбор расстояния меж­ду тарелками определяет в конечном счете общую высоту ректификационной колонны.

Как указывалось выше, расстояние между тарелками является одним из основных факторов, влияющих на к. п. д. колонны. Это расстояние следует выбирать таким, чтобы свести к мини­муму механический унос газами (парами) частиц жидкости; с уменьше­нием расстояния между тарелками унос увеличивается.

Степень уноса зависит также от ряда других факторов—скорости газов (паров), вязкости и поверхностного натяжения разделяемой смеси, высоты слоя жидкости на тарелках, глубины погружения, размеров и
размещения колпачков на тарелках колонны, относительного направле­ния потоков фаз и т. д. Поэтому величина уноса не поддается точному теоретическому расчету и расстояние между тарелками приходится под­бирать по опытным данным. Если для заданной смеси опытных данных нет, то расстояние между тарелками принимают на основе опыта работы колонн для разделения смесей, близких по физико-химическим свойствам к дан­ной. Обычно расстояние между тарелками составляет от 0,1 до 0,6 м.

По нормалям бывш. Главхиммаша в колоннах с круглыми колпач­ками, работающих под атмосферным давлением, расстояние между тарел­ками принято 250, 300, 400, 450 мм.

Конструктивные элементы. При расчете отдельных конструктивных элементов колонных аппаратов должны быть определены следующие раз­меры (рис. 354):

Dr—диаметр газового (парового) патрубка; dK—диаметр колпачка; b и I—ширина и высота прорези колпачка;

HK—расстояние между обрезом газового (парового) патрубка и кол­пачком;

HK т—расстояние между нижним обрезом колпачка и тарелкой; dc—диаметр сливной трубки; 1гс—высота сливной трубки над тарелкой;

Нж—высота слоя жидкости над верхним обрезом сливной трубки; Іг,.—высота слоя жидкости на тарелке.

Свободное сечение газовых или паровых патрубков на тарелке опре­деляют по допускаемой скорости газа или пара. Диаметр газового (парового) патрубка

(3—131)

Где г%—допускаемая скорость газа или пара в паровом патрубке в

МІСЄК-,

П—число паровых патрубков на тарелке. Суммарная площадь поперечного сечения всех патрубков на тарелке обычно составляет 10ч-15% площади свободного сечения колонны.

Диаметр газового (парового) патрубка определяется также из выра­жения:

(3—131а)

Где fn—сУммарное сеченИе патрубков на тарелке в м2.

/п="(0,1-^-0,15)/" (/"—свободное сечение колонны в м2).

Колпачки конструируют с таким расчетом, чтобы скорость газа (пара) в них была равна скорости газа (пара) в патрубках. Поэтому се­чение в кольцевом зазоре колпачков между наружной поверхностью патрубка и внутренней поверхностью колпачка принимается равным пло­щади свободного сечения патрубка.

Ширину прорезей принимают Ь=4—10 мм, а длину их /=20—50 мм (не должна превышать величину hc).

Скорость газа или пара в прорезях колпачков обычно принимают в пределах 2—6 місек.

Расстояние между обрезом газового (парового) патрубка и колпач­ком принимают из условия равенства площади поперечного сечения га­зового (парового) патрубка и той площади сечения, через которую проте­кает пар в колпачке.

Шл оиоиоад VMHV4U

Переливные трубки применяют не только круглые, но и прямоуголь­ные, а также в форме сегмента.

Диаметр переливной трубки определяют по обычной формуле

Dc = "і / м (3—132)

У ъттж

Где Veen.—секундный объем жидкости, стекающей через переливную трубку, в м3/сек; т—число переливных трубок на тарелке;

Wx—скорость стекания жидкости в м/сек (принимается 0,1—0,2 м/сек).

Диаметр переливной трубки при заданном объеме жидкости в ней и принятой высоте напора /?ж можно также вычислить по расходу жидкости:

14к. мУсек (3—132а)

Где f—коэффициент скорости, который можно принять равным 0,6; р—периметр свободного сечения перелива в м; ^о—У^ё^-ж—скорость истечения в м/сек (Иж—высота напора, равная высоте жидкости над краем перелива). Подставив в (3—132а) значения <р и w0, получим

І4к.= 1,773рЛ® (3—1326)

При круглом сечении переливных трубок общий периметр слива

Р = M~Dc

Подставив значение р в (3—1326) и решив это уравнение относитель­но диаметра переливной трубки, получим

1/'

4 = 0,18-^- м (3—132в)

Mh*

Таким образом, по формуле (3—132в) можно найти диаметр перелив­ной трубки, задаваясь высотой /гж.

Для определения высоты переливной трубки заданного диаметра над тарелкой необходимо знать высоту /гж жидкости над обрезом слив­ной трубки.

Эту величину находят из уравнения (3—1326)

Лж = 1/ м (3-133)

Высоту переливной трубки над тарелкой на основании вычислен­ных значений /гж и /гт определяют по формуле

He —К — /гж = HK Т + / + К (З-134)

Высота слоя жидкости на тарелке /гт может быть в первом прибли­жении определена по графику (рис. 355). На этом графике по оси абсцисс
отложены значения диаметра колонны в мм, а по оси ординат комплекс

W

Уж—Yn /

Где w—скорость газа (пара) в свободном сечении колонны в м/сек\ Тп—удельный вес газа (пара) в кгс/м3\ уж—удельный вес жидкости в кгс/м3.

Гидравлическое сопротивление тарельчатых колонн. При конструи­ровании тарельчатых колонн следует учитывать гидравлическое сопротивление, в результате которого возникает значительная разность давлений у основания и вершины колонны. Перепад давлений будет тем большим, чем больше число тарелок в колонне и чем выше уро­вень жидкости на каждой тарелке. Основные сопротивления прохожде­ния паров возникают на входе и выходе из паровых патрубков и через прорези колпачков (мест-

Ные сопротивления). Сле­дует также учитывать по­тери на преодоление гид­ростатического давления столба жидкости на каж­дой тарелке. Обычно со­противление колпачковой тарелки составляет 25—50 мм вод. ст. в условиях ра­боты при атмосферном дав­лении и несколько ниже при работе под вакуумом.

Гидравлическое со­противление особенно ска­зывается в колоннах, ра­ботающих под вакуумом. Если общий перепад давлений в колонне в среднем составляет 1—2мм вод. ст., то это означает, что при разрежении у вершины вакуумной колонны 720 мм рт. ст. (такое разрежение со­здается обычным поршневым вакуум-насосом) разрежение у основания колонны снижается до 640—570 мм рт. ст. Таким образом, установка вакуум-насосов глубокого вакуума в этом случае практически не имеет смысла.

ГидраВличЕское сопротивление колпачковых тарелок потоку газа.(пара) мшкЕТНэыть ""выражено уравнением

Ap = Ap! + Др2 + Ар3 +Др4 кгс/м2 (3—135)

Где —сопротивление сухой тарелки при полностью открытых про­резях, причем

APi=C

-коэффициент сопротивления, числовое значение которого можно принимать равным от 1,5 до 2,0; уп—уд. вес пара или газа в кгс/м3; wn—скорость пара или газа в прорезях колпачков в м/сек);

&р2—сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяже­ния; причем

'2 (3—135а)

Ар2 = 2A —J - - i-j Кгс/М5

(а—поверхностное натяжение в кгс/м; I—высота прорезей в м; b—ширина прорезей в м); Др3—гидростатическое давление столба жидкости при открытых прорезях;

Др4—статическое давление столба жидкости над верхним обрезом прорези, причем

Др3 + Др4 = їж ' + кгс/м? (3-1356)

(їж—удельный вес жидкости в кгс/м3; /гп—расстояние от верхнего обреза прорезей до уровня жидкости на тарелке в м).