Ректификационная установка.

Материальный баланс колонны и определение рабочего флегмового числа

Производительность колонны по дистилляту и кубовому остатку определяем из уравнений материального баланса колонны:

(1)

Откуда находим:

,

.

Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются значением рабочего флегмового числа ; его оптимальное значение можно найти путем технико-экономического расчета. Ввиду отсутствия надежной методики оценки используют приближенные вычисления, основанные на определении коэффициента избытка флегмы (орошения) , равного отношению , где минимальное флегмовое число:

, (2)

где – мольные доли легколетучего компонента соответственно в исходной смеси и дистилляте, ;

– концентрация легколетучего компонента в паре, находящемся в равновесии с исходной смесью, .

Пересчитаем составы фаз из массовых в мольные доли по соотношению

, (3)

где - молекулярные массы соответственно бензола и толуола, .

Получим:

.

Аналогично найдем: , .

Тогда минимальное флегмовое число по формуле (2) равно:

.

Рабочее (действительное) число флегмы:

(4)

Задавшись различными значениями коэффициентов избытка флегмы , определим соответствующие флегмовые числа.

Графическим построением ступеней изменения концентраций между равновесной и рабочими линиями в диаграмме состав пара – состав жидкости находим , диаграммы приведены в приложении 1. Равновесные данные для различных систем приведены в справочнике.

Для построения диаграммы равновесия между паром и жидкостью рассчитаем уравнения рабочих линий для верхней (укрепляющей) и нижней (исчерпывающей) части колонны.

a) верхняя часть ректификационной колонны

(4)

b) нижняя часть колонны

, (5)

где – относительный мольный расход питания.

Относительный мольный расход питания находится по формуле:

(6)

Для флегмового числа : , .

Для флегмового числа : , .

Для флегмового числа : , .

Для флегмового числа : , .

Результаты расчетов рабочего флегмового числа приведены ниже в таблице 1.

Таблица 1 – Расчет рабочего флегмового числа

Для определения минимального флегмового числа построим график в координатах – .

Рисунок 1 Определение рабочего флегмового числа

Минимальное произведение соответствует флегмовому числу . В приложении 2 изображена диаграмма равновесия между жидкостью и паром при постоянном давлении. На диаграмме рабочие линии и ступени изменения концентраций для верхней (укрепляющей) и нижней (исчерпывающей) частей колонны в соответствии с найденным числом .

Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости для верхней и нижней частей колонны определяются из соотношений:

(7)

, (8)

где – мольные массы дистиллята и исходной смеси;

– средние мольные массы жидкости в верхних и нижних частях колонны.

Мольную массу дистиллята можно принять равной мольной массе легколетучего компонента – бензола. Мольная масса жидкости в верхней и нижней частях колонны равна:

, (9)

, (10)

где – мольные массы бензола и толуола;

– средний мольный состав жидкости соответственно в верхней и нижней частях колонны:

,

.

Тогда:

,

.

Мольная масса исходной смеси:

.

Подставив, получим:

,

.

Средние массовые потоки пара в верхней и нижней частях колонны соответственно равны:

, (11)

, (12)

где – средние мольные массы паров в верхней и нижней части колонны:

(13)

(14)

Где:

,

.

Тогда:

,

.

Подставив, получим:

,

.

2 Определение скорости пара и диаметра колонны

Средние температуры пара определяем по диаграмме (рис.2):

a) при ;

b) при .

Рисунок 2 Диаграмма равновесия между паром и жидкостью - в координатах температура t - состав пара y и жидкости x

Определим плотность пара в верхней и нижней части колонны по формуле:

(15)

a) ;

b) .

Средняя плотность пара в колонне:

.

Плотности жидкого бензола и жидкого толуола близки. Температура вверху колонны при равняется , а в кубе-испарителе при она равна (рис.2).

Плотность жидкого бензола при , а жидкого толуола при она равна .

Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне:

.

Определяем скорость пара в колонне по уравнению:

(16)

По данным каталога-справочника «Колонные аппараты» принимаем расстояние между тарелками . Для ситчатых тарелок определяем коэффициент .

Скорость пара в колонне:

.

Объемный расход проходящего через колонну пара при средней температуре :

(17)

где – мольная масса дистиллята.

.

Диаметр колонны:

(18)

.

По каталогу-справочнику «Колонные аппараты» берем . Тогда скорость пара в колонне будет:

.

По каталогу для колонны диаметром выбираем ситчатую однопоточную тарелку со следующими конструктивными размерами:

Диаметр отверстий в тарелке …………

Шаг между отверстиями ………………..

Свободное сечение тарелки …………...

Высота переливного порога …………...

Ширина переливного порога

Рабочее сечение тарелки ……………….

Периметр слива ………………………...

3 Гидравлический расчет тарелок

Рассчитаем гидравлическое сопротивление тарелки в верхней и нижней части колонны по уравнению:

, (19)

где – гидравлическое сопротивление сухой тарелки;

– сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения;

– сопротивление парожидкостного слоя на тарелке.

a) Верхняя часть колонны.

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

, (20)

где – коэффициент сопротивления ситчатых тарелок;

– скорость пара в отверстиях тарелки.

.

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

, (21)

где а – поверхностное натяжение жидкости при средней температуре в верхней части колонны (у бензола и толуола практически одинаковое поверхностное натяжение);

.

Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:

, (22)

где – высота парожидкостного слоя;

– отношение плотности парожидкостного слоя к плотности жидкости, принимаемое приближенно равным .

Высота парожидкостного слоя:

(23)

Величину – высоту слоя над сливной перегородкой рассчитываем по формуле:

, (24)

где – объемный расход жидкости.

Объемный расход жидкости в верхней части колонны:

(25)

где – средняя мольная масса жидкости .

.