3.2 Технологический расчет
Задание:
Рассчитать ректификационную установку для разделения бинарной смеси уксусная кислота- вода.
Производительность
Массовые концентрации НК:
Колонна с ситчатыми тарелками.
Произвести расчет дефлегматора.
Материальный баланс колонны и определение рабочего флегмового числа
Материальный баланс, основанный на законе сохранения массы вещества, составляется для определения количества и состава веществ, участвующих в процессах ректификации.
Производительность колонны по исходному раствору Р и кубовому остатку W определяется из уравнений материального баланса колонны, обогреваемой паром:
Материальный баланс для НК:
Для построения равновесной кривой уксусная кислота–вода возьмем данные из справочника [6](таблица XLVII). В таблице 1 приведены изменения концентрации НК в паровой y и жидкой фазах x (в мольных долях) при различных температурах кипения смеси уксусная кислота – вода.
Таблица 1
|
t, C |
118,1 |
115,4 |
113,8 |
110,1 |
107,5 |
105,8 |
104,4 |
103,2 |
102,1 |
101,3 |
100,6 |
100 |
|
y, % |
0 |
9,2 |
16,7 |
30,2 |
42,5 |
53 |
62,6 |
71,6 |
79,5 |
86,4 |
93 |
100 |
|
x, % |
0 |
5 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
По данным таблици 1 строим зависимость y* =f(x).Через начало координат и точку А с координатами (100;100) проведем вспомогательную линию – диагональ. Линия равновесия лежит выше диагонали – пары обогащены НК. Чем ближе линия равновесия к диагонали, тем меньше разница составов пара и жидкости и тем труднее разделять смесь при ректификации. Пересчитаем составы фаз из массовых в мольные доли по соотношению:
где МВК и МНК – молекулярные массы соответственно уксусной кислоты и воды, кг/кмоль.
МНК =18 кг/кмоль
МВК = 24+4+32=60 кг/кмоль
Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются значением рабочего флегмового числа R; его оптимальное значение Rопт можно найти путем технико-экономического расчета. Ввиду отсутствия надежной методики оценки Rопт используют приближенные вычисления, основанные на определении коэффициента избытка флегмы (орошения) β, равного отношению R/ Rmin ,где Rmin – минимальное флегмовое число:
где xFиxP– мольные доли низкокипящего компонента соответственно в исходной смеси и дистилляте, кмоль/кмоль смеси;yF* - концентрация низкокипящего компонента в паре, находящемся в равновесии с исходной смесью, кмоль/кмоль смеси. Обычно коэффициент избытка флегмы, при котором достигается оптимальное флегмовое число находится в пределах от 1,2 до 2,5. Один из возможных приближенных методов расчетаRзаключается в нахождении такого флегмового числа, которому соответствует минимальное произведение N(R+1), полагая, что это произведение пропорционально объёму ректификационной колонны (N – число ступеней изменения концентрации, или теоретических тарелок, определяющих высоту колонны; R+1- расход паров и, следовательно, сечение колонны). Тогда минимальное флегмовое число равно:
Задавшись различными значениями коэффициентов избытка флегмы β, определим соответствующие флегмовые числа и найдем отрезок bна оси у, отсекаемый рабочей линией укрепляющей части колонны по формуле:
Графическим построением ступеней изменения концентраций между равновесной и рабочими линиями на диаграмме у – х находим N. Все вычисления и измерения заносим в таблицу 2
Таблица 2
|
β |
1,3 |
1,5 |
1,8 |
2,4 |
|
R |
3,58 |
4,13 |
4,95 |
6,6 |
|
b |
0,21 |
0,19 |
0,16 |
0,13 |
|
N |
22 |
21 |
18 |
17 |
|
N(R+1) |
100,76 |
107,73 |
107,1 |
129,2 |
Минимальное произведение N(R+1) соответствует флегмовому числу R=3,58. При этом коэффициент избытка флегмы равен:
Определяем паровые потоки в паровой и жидкой фазах:
G=P(R+ 1)= 0,48( 3,58 + 1)= 2,2 кг/с
Ф= РR= 0,48·3,58= 1,72 кг/с