Процессы и аппараты ректификации

.

Координата точки b:

.

Строим кривую равновесия:

С помощью кривой равновесия находим число теоретических  тарелок:

.

Находим произведение:

 

.

2. Принимаем коэффициент  избытка флегмы:

.

Рабочее флегмовое число:

.

Координата точки b:

.

Строим кривую равновесия:

 

С помощью кривой равновесия находим число теоретических  тарелок:

.

Находим произведение:

.

3. Принимаем коэффициент  избытка флегмы:

.

Рабочее флегмовое число:

.

Координата точки b:

.

Строим кривую равновесия:

 

С помощью кривой равновесия находим число теоретических  тарелок:

.

Находим произведение:

.

4. Принимаем коэффициент  избытка флегмы:

.

Рабочее флегмовое число:

 

.

Координата точки b:

.

Строим кривую равновесия:

С помощью кривой равновесия находим число теоретических  тарелок:

.

Находим произведение:

 

.

5. Принимаем коэффициент  избытка флегмы:

.

Рабочее флегмовое число:

.

Координата точки b:

.

Строим кривую равновесия:

 

С помощью кривой равновесия находим число теоретических  тарелок:

.

Находим произведение:

.

Строим зависимость Nm*(R+1)=f(R):

Из графика видно, что  оптимальным будет 2 вариант. Флегмовое число и число теоретических тарелок при этом будут:

 

 

 

 

 

 

2.4 Определение  действительного числа тарелок

Относительная летучесть  начальной смеси:

.

 

Находим вязкости компонентов( по таблице):

;

.

Вязкость жидкости на питательной  тарелке:

.

Общий коэффициент полезного действия в тарелке:

.

Число действительных тарелок:

.

Принимаем:

. 

 

2.5 Определение геометрических  размеров тарельчатых колонн

В определение геометрических размеров входят определение высоты и диаметра колонны.

 
2.5.1 Определение диаметра  колонны

Диаметр колонны определяется по формуле: 

 

 (8)

где V – объёмный расход паров для верха и для низа колонны, м³/с;

ω - скорость пара для верхней и для нижней колонны, м/c;

π – геометрическая постоянная (π =3,14). 

 

 

 

 

2.5.2 Определение объёмного  расхода паров

Определение объёмного расхода  паров производиться по формуле:

 (9)

где P – мольный расход, кмоль/с;

R –оптимальное флегмовое число;

M_cp – средняя мольная масса пара, кг/кмоль;

ρ_п.ср – плотность пара для среднего сечения, кг/м².

Средняя мольная масса  пара определяется по формуле :

 (10)

где M_нк, М_вк – мольные массы компонентов, кг/кмоль;;

y_ср – средний мольный состав пара, кмоль/кмоль.

Средняя плотность пара определяется по формуле :

 

 (11)

где Т˚=273К;

Р₀=760 мм. рт. ст.

Т_ср – средняя температура кипения смеси в среднем сечении верхней части колонны в ^˚С (определяется по t-x-y диаграмме по значению y_ср)

Определение объёмного расхода  паров в колонне производиться  для верха и для низа колонны  отдельно.

Среднее сечение верхней  части колонны:

Средний мольный состав пара определяется по формуле :

 (12)

где y_p и y_f -мольные доли компонентов (определяются по x-y диаграмме).

= 92,13*0,795 + 78,11*(1-0,795) = 89,24 кг/кмоль

= 89,24*273/22,4(273+92,2) = 2,97 кг/м³

V = (0,006*(2,43+1)*89,24)/2,97 = 0,62 м³/сек 

 

Среднее сечение нижней части колонны:

Средний мольный состав пара определяется по формуле :

 (13)

 

где y_ц и y_f -мольные доли компонентов (определяются по x-y диаграмме).

= 92,13*0,34 + 78,11*(1-0,34) = 82,87 кг/кмоль

= 89,24*273/22,4(273+105,95) = 2,66 кг/м³

V = (0,006*(2,43+1)*82,87)/2,66 = 0,64 м³/сек 

 

2.5.3 Определение скорости  пара

Для колпачковых тарелок предельно допустимая скорость рассчитывается по уравнению:

       (14)

где   – диаметр колпачка, м;   – расстояние от верхнего края колпачка до вышерасположенной колонны, м;   – соответственно плотности жидкой и паровой фазы, кг/м³.

Верхняя часть  аппарата:

 (15)

где x_ср.нк – средний состав жидкости для верхней части колонны, кмоль/кмоль.

 

 (16)

 м/с 

 

Нижняя часть  аппарата:

 (17)

 м/с 

 

Определим диаметр  колонны для верха и для  низа: 

 

Верх. 

Низ:   

Примем D=1000мм

Примем стандартный диаметр  колонны одинаковый для верхней  и нижней части и равный   м.

Параметры колпачковой тарелки типа ТСК-1 Свободное сечение колонны   м², длина линии барботажа 9,3 м, периметр слива   м, площадь слива 0,05 м², площадь паровых патрубков 0,073 м², относительная площадь прохода паров 9%, число колпачков 37, диаметр колпачка   мм, шаг   мм,   мм, высота перелива   мм. Расстояние между тарелками H_t=0,35.

 

2.5.4 Определение  высоты колонны

Определение высоты тарельчатой колонны производиться  по следующему уравнению :

 (18)

где   - высота тарельчатой (рабочей) части колонны, м;

h – расстояние между  тарелками, м ;

h₁ - высота сепарационной части над верхней тарелкой, м;

h₂ - расстояние от нижней тарелки до днища колонны, м.

Значения h₁ и h₂ выбрать в соответствии с практическими рекомендациями в зависимости от диаметра колонны : 

 

H=(16-1)*0.6+0.6+1.5=11.1 м

 
3. Тепловой расчет

В задачу теплового расчета  входит определение расхода греющего пара в испарителе колонны и величину ее теплопередающей поверхности, а  так же расхода охлаждающей воды в дефлегматор. Способ подвода и  отвода тепла осуществляется за счет испарения части реакционной  массы и за счет применения выносных поверхностей теплообмена. 

 

3.1 Расчёт испарителя

Расход греющего пара в  кубе колонны рассчитывается на основе составления и решения уравнения  теплового баланса ректификационной колонны

 (19)

где r_воды – удельная теплота парообразования, Дж/кг ;

Р – расход верхнего продукта, кг/с;

W – расход нижнего продукта, кг/с;

R_opt – флегмовое число;

 – энтальпии потоков, Дж/кг;

r_cp – средняя удельная теплота фазового перехода, кДж/кг;

Q_пот – тепловые потери (от 3% до 5% от тепла греющего пара) [1]:

   (20)

где r –удельная теплота  фазового перехода соответствующего компонента, Дж/кг ;

 

tср = 95,4 ^◦С ;

rнк = 90

rвк = 87

rср = 90*0,4+87*(1-0,4)= 88,2

rср = 88,2*4190 = 369558 Дж/кг.

 

Таблица 3.1-Теплоёмкости компонентов при различных температурах.

Низкокипящий  ком-т.			Высококипящий ком-т.
Срf,Дж/кг*К	Срp,Дж/кг*К	Срw,Дж/кг*К	Срf,Дж/кг*К	Срp,Дж/кг*К	Срw,Дж/кг*К
2077	1766	2480	2022	1718	2422

    (21)

где  – массовые доли компонентов, кг/кг;

Ср - теплоёмкости компонентов при различных температурах, Дж/кг^*К. 

 

F : Cp_см = 2077*0,4+2022*(1-0,4) = 1763,3 Дж/кг*К;

P : Cp_см = 1766*0,95+1766(1-0,95) = 2044 Дж/кг*К;

W : Cp_см = 2480*0,05+2422(1-0,05) = 2424,9 Дж/кг*К.

 (22)

где I - энтальпии потоков, Дж/кг;

Т – температура компонентов, ˚C.

 

IF = 1763,6*81 = 142851,6 Дж/кг;

IP = 2044*95,4 = 194997,6 Дж/кг;

IW = 2424,9*109,6 = 265769,04 Дж/кг.

Dг.п.*(Iг.п.- iк) =0,558*(194997,6-142851+ 0,83(265769,04+142851,6)+0,558*3,16*369558= 1019886,829

Dг.п. = 1019886,829/(0,97*369558) = 2,84 кг/с.

Величину теплопередающей  поверхности испарителя рассчитывают на основе уравнения теплопередачи : 

 

 (23)

где Q_пот – тепловые потери (от 3 до 5 от тепла греющего пара);

D_г.п(I_г.п.-i_к) – расход греющего пара, найденного по формуле (21);

K – коэффициент теплопередачи, выбирается по опытным данным в пределах от 300 до2500 Вт/м^2*К;

ΔТ_ср – средняя движущая сила процесса теплопередачи.

ΔТ_ср определяется по разнице температур между температурой разделяемой смеси (в кубе колоны) и температурой насыщенного водяного пара при определённом давлении. Обычно средняя движущая сила процесса равна 30 ± 5ºС.

Температура кубового остатка  равна Т_w=109,6 ºС (см. выше).

Температура насыщенного  водяного пара при давлении 3,0 кг/см² составляет Т=135,9ºС .

 (24)

∆Tср = 135,9 – 109,6 = 26,3 ^оС

 

Рисунок 3.1 - Температурная  диаграмма для определения средней  движущей силы процесса теплопередачи.  

 

 

 

3.2 Определение  расхода воды в дефлегматоре

При расчёте теплового  баланса дефлегматора принимается, что пары дистиллята подвергаются полной конденсации. Тогда расход охлаждающей  воды составит : 

 

 (25)

где P – мольный расход продукта, кмоль/с;

R – оптимальное флегмовое число;

M_смp – мольная масса продукта, кг/кмоль;

r_p – удельная теплота фазового перехода, кДж/кг;

Cp – теплоёмкость воды, кДж/кг^*К ;

Cp=4190 Дж/кг^*К

T_к, T_н– конечная и начальная температура охлаждения воды, ˚C. Обычно принимается T_н=12˚C T_к=45˚C

 

             (26)

где r_p –удельная теплота фазового перехода определённого компонента, кДж/кг ; 

 

rp = 90*0,95 + 88*(1-0,95) = 89,9*4190 = 376681 Дж/кг

M_смp = 91,83 кг/кмоль

 

 

4.Расчётная часть

Рассчитать ректификационную колонну непрерывного действия с сетчатыми тарелками для разделения под атмосферным давлением 10 т/ч жидкой смеси, содержащей 50 бензола и 50 толуола (массовые доли). Требуемая массовая доля бензола в дистилляте 96 , массовая доля толуола в кубовом остатке 98 . Исходная смесь подогрета до температуры кипения. Греющий пар имеет давление 3 кгс/см².Необходимо определить расходы дистиллята, кубового остатка, греющего пара, охлаждающей воды, флегмовое число и основные размеры колонны - ее диаметр и высоту. Определение числа тарелок выполнить: а) графически -методом теоретической тарелки; б) аналитически - методом от тарелки к тарелке - с помощью ЭВМ.

Схема ректификационной установки рисунок 4.1

I. Материальный баланс.

 Обозначим массовый расход дистиллята через Gd кг/ч, кубового остатка через Gw кг/ч.

Из уравнений материального баланса:

  Находим:

GD=5110 кг/ч ; Gw=4890кг/ч

  Для дальнейших     расчетов  выразим концентрации питания, дистиллята и кубового остатка в мольных долях. Питание:

 

Дистиллят: