Ректификационная установка для разделения смеси бензол - толуол

 

Для каждого значения R методом графического интегрирования находим число единиц переноса (рис.3,4,5,6 и таблица 4).

Таблица 4.

 

R	1.8	1.9	2.0	2.1	2.2	2.3	2.4	2.6
R + 1	2.8	2.9	3.0	3.1	3.2	3.3	3.4	3.6
mx	50.24	27.69	23.67	21.95	20.78	20.26	19.68	18.64
mx(R+1)	140.67	80.3	71.01	68.05	66.5	66.86	66.9	67.01

 

Наносим на диаграмму зависимости  m_x(R+1) от R (рис.8) эти данные и находим минимум m, которому соответствует оптимальное рабочее флегмовое число Ronm=2.2.

 

6. Определение потоков пара по колонне.

 

Объёмный поток пара по колонне:

где: Р – давление в колонне, P = 1 атм;

Ronm – оптимальное флегмовое число, Rоnm = 2.2;

tср – средняя температура пара по колонне, tср = 99.6 С;

Молярный расход жидкости: в верхней части колонны:

в нижней части колонны:

Mf  = 79.53 г/моль – молярная масса исходной смеси.

 

7. Определение диаметра колонны и основных характеристик контактного устройства.

 

Предельная скорость пара для  колпачковых тарелок:

где:  Н = 600 мм – принятое расстояние между тарелками;

         rх = 801 кг/м³ – средняя плотность жидкости по колонне;

         rу = 3.05 кг/м³ – средняя плотность пара по колонне

         dк = 100 мм – диаметр колпачка;

Рабочая скорость пара в свободном сечении колонны Wраб = 0.85…0.9Wпр. Принимаем:

Диаметр ректификационной колонны:

 

Принимаем Dк = 2000 мм.

 

 

 

 

8. Выбор типа и гидравлический расчет контактного устройства

 

Контактное устройство по заданию  – колпачковая тарелка. Выбираем тарелку ТСКР для диаметра 2000 мм. Количество секций – 6, периметр слива L = 1455 мм, диаметр колпачка dк = 100 мм, количество колпачков – 116, расстояние между колпачками – 140 мм.

Приемный и сливной карманы  занимают 15% площади тарелки, суммарная  площадь прорезей всех колпачков – 10%.

Общее гидравлическое сопротивление  тарелки определяется по формуле:

где: DPсух – сопротивление сухой тарелки, Па;

DРs - сопротивление, вызванное силами поверхностного натяжения, Па;

DРст – статическое сопротивление слоя жидкости на тарелке, Па;

где: x - коэффициент сопротивления, для колпачковой тарелки принимается 5.5

rу – средняя плотность пара в колонне;

Wраб – скорость пара в колонне;

где: s - поверхностное натяжение,

dэ – эквивалентный диаметр прорези колпачка,

П – периметр и fпр – площадь прорези колпачка,

 где: rп – плотность парожидкостного слоя на тарелке,

hст – высота барботажа на тарелке,

hотк – высота открытия прорезей, принимается равной высоте прорезей 0.03м,

hпогр – высота погружения прорезей, принимается равной 0.025м,

Dh – величина превышения уровня жидкости над сливной перегородкой, при средних

диаметрах колонн можно не учитывать.

 

Следовательно, общее гидравлическое сопротивление тарелки:

 

Проверяем выбранное расстояние между  тарелками: минимальное расстояние между ними должно быть равным:

Выбранное ранее расстояние между  тарелками H = 600 мм подходит.

 

 

 

9. Определение кинематических коэффициентов.

 

Молярный расход пара по колонне:

Рабочая площадь тарелки:

Значение коэффициента массоотдачи  в паровой фазе:

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе:

где: bxf₁ – опытное значение коэффициента массоотдачи,

Dх₁ – опытный коэффициент диффузии в жидкой фазе,

Dж₉₅ – коэффициент диффузии в жидкой фазе для рассчитываемой разделяемой смеси,

где: Dж₂₀ – рассчитываемый коэффициент диффузии при t = 20 ^o C,

• вязкость смеси
• мольные объемы компонентов А и В
• молярные массы компонентов А и В

Общий коэффициент массопередачи  Kyf:

где m – тангенс угла наклона линии равновесия,

Так как величина m является переменной по высоте колонны, находим ее значения для различных концентраций, используя диаграмму Y – X. Предварительно на диаграмму наложим кривую равновесия и линии рабочих концентраций 1 – 3 – 2 при оптимальном значении флегмового числа Ronm = 2.2 (рис.7). В пределах от Xw до Xp выбираем ряд значений X. Для каждого значения X определяем по диаграмме величины (Y* - Yн) и (X – X*) как разность между равновесной и рабочей линиями, а затем по этим значениям находим m (Таблица 5).

 

Таблица 5.

 

X	X – X*	Y* - Yн	m
0.012	0.0066	0.01436	2.176
0.1	0.0291	0.05874	2.019
0.2	0.0457	0.07197	1.575
0.3	0.0426	0.0574	1.347
0.367	0.0265	0.0295	1.113
0.4	0.0392	0.0415	1.059
0.5	0.0725	0.0658	0.908
0.6	0.0964	0.0749	0.777
0.7	0.1085	0.0716	0.660
0.8	0.1046	0.0582	0.556
0.9	0.0789	0.0366	0.464
0.974	0.0403	0.016	0.397

 

Далее подставляем в уравнение  общего коэффициента массопередачи  полученные значения bxf, byf и m для различных значений Х. Результаты заносим в таблицу 6.

Таблица 6.

 

X	0.012	0.1	0.2	0.3	0.367	0.4	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9	0.974
Kyf	162.8	165.0	171.7	175.3	179.2	180.1	182.7	185.0	187.2	189.2	190.9	192.2

3.10 Построение кинетической кривой  и определение числа тарелок.

 

Для построения кинетической кривой на диаграмме Y – X используем формулу:

Подставляя в эту формулу  значения общего коэффициента массоотдачи, полученного для каждого X, находим длины отрезков (Y* - Yк).

Таблица 7.

 

X	0.012	0.1	0.2	0.3	0.367	0.4	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9	0.974
Y* - Yк	0.004	0.016	0.019	0.015	0.007	0.01	0.016	0.018	0.017	0.013	0.008	0.004

На диаграмме Y – X (рис. 7) откладываем (Y* - Yк) от равновесной линии вниз. Полученные точки соединяем плавной линией. Построенная кривая является кинетической кривой.

Число реальных тарелок, которое обеспечивает заданную четкость разделения, находим  путем построения ступенчатой линии  между рабочей и кинетической линиями. Построение ступенчатой линии проводим от концентраций Xf, Xp и от Xf, Xw.

Число ступеней в пределах концентраций Xf…Xp равно числу реальных тарелок в укрепляющей секции колонны. Число ступеней в пределах концентраций Xf…Xw равно числу реальных тарелок исчерпывающей секции колонны.

В результате построения получаем:

• число реальных тарелок в укрепляющей секции колонны – 11;
• число реальных тарелок в исчерпывающей секции колонны – 15;
• общее число тарелок – 26.

 

3.11 Определение гидравлического сопротивления колонны.

 

Суммарное гидравлическое сопротивление  колонны:

где: n – общее число тарелок в колонне, равное 26.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Расчет проходного  диаметра штуцеров колонны и  выбор фланцев.

4.5.1 Штуцер для входа исходной  смеси

где:  Vи – объемный расход исходной смеси, м³/с ;

wи – скорость потока, так как смесь поступает в колонну под напором, принимаем скорость равной 1 м/с;

Gи – массовый расход исходной смеси, кг/с;

rи – плотность исходной смеси, кг/м³;

 

Принимаем диаметр штуцера dи = 100 мм.

 

4.1 Штуцер для выхода пара  в дефлегматор

где: Vп - объемный расход пара, м³/с ;

wп – скорость потока пара, принимаем равной 20 м/с;

Gп – массовый расход пара, кг/с;

rу – плотность пара, кг/м³;

Mд – молярная масса конечного пара/флегмы;

 

Принимаем диаметр штуцера  dп = 400 мм.

 

 

 

4.2 Штуцер для входа флегмы  в колонну

где: Vф – объемный расход флегмы, м³/с;

Ф – массовый расход флегмы, кг/с;

rф – плотность флегмы, кг/м³;

 

Принимаем диаметр штуцера  dф = 100 мм.

 

4.3 Штуцер для выхода кубовой  жидкости

где: Vк – объемный расход кубовой жидкости, м³/с;

Gк – массовый расход кубовой жидкости, кг/с;

Gw – массовый  расход кубового остатка, кг/ч;

L  - массовый расход флегмы, кг/ч;

Wк – скорость истечения. Так как жидкость выходит самотеком, принимаем 0.3 м/с.

 

Принимаем диаметр штуцера  dк = 300 мм.

 

4.4 Штуцер для входа пара  из кипятильника

где: Vц – объемный расход пара, выходящего из кипятильника, м³/с;

Gц – массовый расход циркуляционного пара кг/с;

Gкуб = Gw

rп – плотность пара из кипятильника, кг/м³;

Mср – молярная масса пара;

Wц – скорость входа потока пара из кипятильника, принимаем 30 м/с.

 

Принимаем диаметр штуцера  dц = 400 мм.

 

4.5 Изготовление штуцеров и выбор  фланцев.

 

Для упрощения конструктивных деталей  колонны, будем изготовлять штуцера  из отрезков труб соответствующих диаметров. Внешний вылет штуцеров составляет » 1.5 от диаметра штуцера, внутренний - » 0.3. Чтобы предупредить попадание жидкости во внутреннее пространство штуцера, подающего циркуляционный пар, труба, из которой он изготовлен, обрезается под углом книзу.