Ректифікація. Завдання

1. Суміш – Бензол-Толуол

2. Продуктивність що до початкової суміші 10000 кг/ год

3. Концентрація легко летючого компоненту в початковій суміші 40% мас

4. Концентрація легко летючого компоненту в дистиляті 95% мас

5. Концентрація легко летючого компоненту в кубовому залишку 4% мас

6. Температура початкової суміші 18

7. Тиск у колоні атмосферний

8. Кінцева температура дистиляту 21

9. Тип ректифікаційної колони: Тарілкова з сітчастими тарілками.

10. Тиск граючої пари: Р=2,5атм (абс)

1. Материальный баланс.

Обозначим массовый расход дистиллята через GD кг/ч, кубового остатка через GW кг/ч. Уравнение материального баланса:

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

Питание:

Дистиллят:

Кубовый остаток:

Относительный мольный расход питания:

Кривая равновесия точек перегиба не имеет.!

Определяем минимальное число флегмы:

-мольная доля бензола в паре, равновесном с жидкостью питания, определяем по диаграмме

Рабочее число флегмы:

Уравнение рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части колоны:

б) нижней (исчерпывающей) части колоны:

2. Определение скорости пара и диаметра колоны

Средние концентрации жидкости:

а) в верхней части колоны

б) в нижней части колоны

Средние концентрации пара находим по уравнению рабочих линий:

а) в верхней части колоны

б) в нижней части колоны

Средние температуры пара определяем по диаграмме t-x,y:

Средние мольные массы и плотности пара:

Средняя плотность пара в колонне:

Плотность жидких бензола и толуола близки . Температура в верху колонны при y_D =0.965 и равняется 82,4 ⁰С, а в кубе-испарителе при х_W=0,0468 и она равна 108,3⁰С. Плотность жидкого бензола при 82,4⁰С _б=812,6 кг/м³, а жидкого толуола при 108,3⁰С _т=783,7 кг/м³.

Принимаем среднюю плотность жидкости в колоне

Определяем скорость пара в колонне. По данным каталога-справочника «Колонные аппараты» принимаем расстояние между тарелками h=300 мм. Для ситчатых тарелок по графику находим С=0,032.

Скорость пара в колонне по уравнению равна:

Объемный расход проходящий через колону пара при средней температуре в колоне t_ср=(89,3+103,6)/2=96,5 ⁰С

где - мольная масса дистиллята, равна:

Диаметр колонны:

По каталогу-справочнику «Колонные аппараты» берем D=1800 мм. Тогда скорость пара в колонне будет:

III. Гидравлический расчет тарелок

Принимаем следующие размеры ситчатой тарелки: диаметр отверстий d₀=4 мм,

высота сливной перегородки h_п=40 мм. Свободное сечение тарелки (суммарная площадь отверстий) 8% от общей площади тарелки. Площадь, занимаемая двумя сегментными переливными стаканами, составляет 20% от общей площади тарелки.

Рассчитаем гидравлическое сопротивление тарелки в верхней и нижней части колонны:

а) Верхняя часть колонны.

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

где ζ=1,82 – коэффициент сопротивления неорошаемых ситчатых тарелок со свободным сечением 7-10%; w₀=0.535/0.08=6.688 м/с- скорость

в отверстиях тарелки.

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

где σ=20,510^-3 Н/м – поверхностное натяжение жидкости при средней температуре в верхней части колонны 89,3 ⁰С,(у бензола и толуола практически одинаковая поверхностное натяжение); d₀=0.004 м- диаметр отверстия тарелки.

Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:

Высота парожидкостного слоя:

Величину Δh-высоту слоя над сливной перегородкой рассчитывают по формуле:

где V_ж - объемный расход жидкости, м³/с; П - периметр сливной перегородки, м; k=ρ_пж/ ρ_ж –отношение плотности пара жидкостного слоя (пены) к плотности жидкости, принимаемое приближенно равным 0,5.

Объемный расход жидкости в верхней части колонны:

Периметр сливной перегородки П находим, решая систему уравнений:

где R=0.9 м – радиус тарелки; 2/3Пb-приблеженное значение площади сегмента.

Решение дает: П=1,32 м; b=0,289 м. Находим Δh:

Высота парожидкостного слоя:

Сопротивление парожидкостного слоя:

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части колонны:

б) Нижняя часть колонны:

(Н/м- поверхностное натяжение жидкости при t_cp=103⁰C)

где

Общее гидравлическое сопротивление в нижней части колонны:

Проверим, соблюдается ли расстояние между тарелками h=0.3м, необходимое для нормальной работы тарелок условие

Для тарелок нижней части колонны, у которых гидравлическое сопротивление больше, чем у тарелок верхнее части:

Следовательно, вышеуказанное условие соблюдается:

Проверим равномерность работы тарелок - рассчитаем минимальную скорость пара в отверстиях ₀,мин, достаточную для того, чтобы считая тарелки работала всеми отверстиями:

Рассчитанная скорость ₀,мин=7,29 м/с; следовательно, тарелки будут работать всеми отверстиями.