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 .
.
Дата добавления: 2021-06-28; просмотров: 356;