Расчёт ректификационной колонны для разделения бинарной смеси метиловый спирт - вода

2.7. Рассчитывают действительное  число тарелок в колонне по  формуле (59). При необходимости  число округляется до ближайшего  целого числа.

2.8. Исходя из числа теоретических тарелок, определяют действительное число тарелок в колонне.

2.9. Используя справочные  данные по характеристике выбранного  колонного аппарата и типа тарелок, в [7, 8] находят рекомендуемое расстояние h между тарелками в колонне. Также выбирают расстояние от верхней тарелки до крышки колонны h₁ и от нижней тарелки до днища h₂.

2.10. Определяем высоту  ректификационной колонны

H = (N – 1)·h + h₁ + h₂  (63)

2.11. Рассчитанную ректификационную  колонну представляют на чертеже.

 

2.2. Расчет ректификационной колонны

2.2.1. Физико-химические  свойства компонентов бинарной  жидкой смеси  метиловый спирт – вода

2.2.2. Расчет  материального баланса  ректификационной  колонны

Рассчитать ректификационную колонну непрерывного действия для разделения бинарной смеси метиловый спирт – вода по следующим данным:

1. производительность по исходной смеси F= 7,5 кг/с;
2. содержание легколетучего компонента (в % (по массе)): в исходной смеси x_F = 35; в дистилляте x_P = 95; в кубовом остатке x_W = 5;
3. давление в паровом пространстве дефлегматора 0,1 МПа;
4. тип ректификационной колонны – тарельчатая; тип тарелки – ситчатая с переливными устройствами;
5. исходная смесь перед подачей в колонну нагревается до температуры кипения насыщенным водяным паром давлением 0,4 МПа.

 

1. Материальный баланс колонны и определение рабочего флегмового числа

Производительность колонны по дистилляту Р и кубовому остатку W определяем из уравнений материального баланса колонны (2) и (3):

F = P + W      (2),

F·

= P· + W·     (3).

F· = (F-W) · + W· = 7,5·0,452=P·0.744+W·0.075

 

Для дальнейших расчетов необходимо массовые концентрации исходной смеси, дистиллята и кубового остатка выразить в мольных долях (1.1):

где 32; 18 — соответственно молекулярные массы метилового спирта и воды,

На основании справочных данных о температурах кипения, равновесных составах жидкости и пара при 0,1 МПа для рассматриваемой бинарной смеси строят кривую температур кипения смеси (рис. 1) и кривую равновесия в координатах у – х (рис. 2).

На диаграмме (рис. 2) наносят точку А с координатами x_W = y_W =0,05 и точку С с координатами х_р= у_р=0,950, а на кривой равновесия точку В' с абсциссой х_F= 0,35. Из точки С через точку В' проводят, прямую до пересечения с ординатой диаграммы. На оси ординат отсекается отрезок, равный В_mах = 0,49.

Так как согласно (6)

 

,

то по (7)

В соответствии с рекомендациями принимаем коэффициент избытка флегмы β = 1,7. Тогда рабочее флегмовое число будет равно:

R = 1,7 ∙ 3.3 = 5.61.

На этом расчет материального баланса завершен.

Рис. 1.  Кривые температур кипения бинарной жидкой смеси  и  конденсации паров метиловый спирт – вода

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Зависимость   состава   пара  от  состава  бинарной  жидкой  смеси 

метиловый спирт – вода

 

2.2.3. Расчет теплового баланса

 

Для выполнения тепловых расчетов определим температуры кипения, и теплоемкости исходной смеси, д истиллята и кубового остатка.

По рис. 1 определяем температуры кипения дистиллята, кубового остатка и исходной смеси. в соответствующих точках пересечения температуры кипения имеют следующие значения:  для  кубового  остатка   t_w= 80 °С,  для исходной  смеси t_F= 76.4 °С, для дистиллята t_p = 63 °С.

Таблица 9

Теплоемкости  компонентов бинарной системы

вещество	теплоемкость  с, Дж  ̸   кг·К
	tp	tF	tw
хлороформ(НКК)	0,24	0,24	0,25
бензол  (ВКК)	0,45	0,46	0,47

 

Теплоемкости хлороформа при 80; 63 и 76,4°С соответственно равны 2891,1; 2765,4 и 2807,3 Дж/(кг·К); для бензола при тех же температурах теплоемкость практически постоянная и равна 4190 Дж/(кг·К) [10].

Теплоемкости исходной смеси, дистиллята и кубового остатка, представляющих смесь хлороформа  и бензола, определяются по формулам (10), (11), (12):

          

 

Из справочных материалов определяем теплоты парообразования воды и метилового спирта.

Определяем  по   формуле  (13)  теплоту  парообразования  флегмы при  

t = 80 в Дж / кг:

 

Таблица 10

Удельная теплота парообразования компонентов бинарной системы

Вещество	удельная теплота  парообразования r при =80 ºC,  кДж ̷ кг
Метиловый спирт	1100
Вода	2348

 

Энтальпию пара, выходящего из колонны, определяют по формуле (14):

Потери теплоты принимаем равными 3 % от ее расхода в кубе (15)

.

Расход теплоты в кубе колонны с учетом тепловых потерь определяем по формуле (16-а)

 

Расход греющего пара в кубе колонны определяем из формулы (17):

Принимая повышение температуры воды в холодильниках на 20 °С, определяем расход воды: в дефлегматоре по формуле (18):

в холодильнике дистиллята по формуле (19):

в холодильнике кубового остатка по формуле (20):

Общий расход охлаждающей воды согласно (21)  равен:

2.2.4. Технологический расчет ректификационной колонны

 

I. Определение объемов пара и жидкости, проходящих через колонну. Сначала определим мольные массы жидкостей и паров, средние мольные и массовые концентрации жидкостей и паров в колонне.

Средний мольный состав жидкости: в верхней части колонны (22):

в нижней части колонны (23):

Средний массовый состав жидкости: в верхней части колонны (24)

в нижней части колонны (25):

Средняя мольная масса жидкости в верхней части колонны (26):

;

в нижней части колонны (27):

.

 

Мольная масса дистиллята (28):

;

исходной смеси (29):

;

кубового остатка (30):

.

Средний мольный состав паров: в верхней части колонны (31)

,   

в нижней части колонны (33):

.

Средняя мольная масса паров: в верхней части колонны (34)

;

в нижней части колонны (35):

.

Средняя температура верха колонны (37):

;

Средняя температура низа колонны (38)

Таблица 11

Плотность компонентов  бинарной смеси

вещество	ρ, кг/м3
метиловый спирт	729,5	743,75
вода	968	976,25

 

Средняя плотность жидкости: в верхней части колонны (36)

;

в нижней части колонны (39):

кг/м³;

Средняя плотность пара: в верхней части колонны (40)

в нижней части колонны (41):

_.

Массовый расход жидкости: в верхней части колонны (42)

;

в нижней части колонны (43):

Массовый поток пара: в верхней части колонны (44)

в нижней части колонны (45):

II. Расчет скорости пара и диаметра колонны

Диаметр колонны определяется по формуле (46). Предельно допустимая скорость паров в колонне с ситчатыми тарелками находится по формуле (47).

Для верхней (48) части колонны предельная скорость пара равна:

для нижней (49) части колонны предельная скорость пара равна:

Рабочую скорость паров в колонне определяем по формуле (50).

Рабочая скорость паров в верхней части колонны равна (51):

ω_р.в =0,85·w_В.ПР.= 0,85·1,43 = 1,2 м/с.

Рабочая скорость паров в нижней части колонны равна (52):

ω_p.н= 0,85·w_Н.ПР =0,85 ·1,74 = 1,5 м/с.

Ориентировочный диаметр верхней части колонны (53):

.

Ориентировочный диаметр нижней части колонны (54):

.

Средний диаметр колонны (55):

Исходя из среднего значения диаметра колонны, подбираем по каталогу колонну с ближайшим значением диаметра D_ст в сторону его увеличения. Принимаем ректификационную колонну с диаметром в верхней и нижней части, равным 2000 мм.

При этом средняя скорость паров в ректификационной колонне будет равна (56):

.

Действительная рабочая скорость пара при данной средней скорости паров (57):

.

По ОСТ 26-01-108—79 для колонны диаметром 2000 мм выбирают сит-чатую однопоточную тарелку ТС-Р со следующими конструктивными размерами: диаметр отверстий в тарелке 8 мм; шаг между отверстиями 16 мм; свободное сечение 1,13 м²; высота переливного порога 40 мм; ширина переливного порога 0,722 м; рабочее сечение тарелки 1,01 м²; периметр слива 0,722 м; сечение перелива 0,061 м; относительное свободное сечение тарелки 14,1 %.

Скорость пара в рабочем сечении тарелки (58):

 

III. Расчет высоты ректификационной колонны

 

Расчет высоты ректификационной колоны начинаем с определения числа теоретических тарелок по диаграмме y = f(х).

Для определения числа теоретических тарелок на диаграмме у - х (рис. 2) строят линии рабочих концентраций укрепляющей и исчерпывающей части колонны. На оси ординат откладываем отрезок , величина которого определяется по формуле (6):

.

На оси абсцисс наносим состав кубового остатка x_W= 0,0018, исходной смеси x_F= 0,28 и дистиллята х_Р — 0,85. Из точек x_W и х_Р проводим вертикальные прямые до пересечения с диагональю (точки А и С). Проводим прямую через точки D и С. Из точки x_F проводим вертикальную прямую до пересечения с прямой DC(точка В). Соединим точку А с точкой В.Отрезок — линия рабочих концентраций исчерпывающей части колонны. Отрезок — линия рабочих концентраций укрепляющей части колонны. Число теоретических тарелок находят путем построения ступенчатой линии между линией равновесия и линиями рабочих концентраций в пределах от  x_Pдо x_W.От точки А до точки В количество построенных ступеней соответствует количеству теоретических тарелок в нижней части колонны, от точки В до точки С — в верхней части колонны.

Для определения к.п.д. тарелки сначала определяем динамическую вязкость и давление насыщенного пара высококипящего и низкокипящего компонентов смеси при t_P, t_F, t_W. Затем по справочным данным [10] производят расчет относительной летучести и динамической вязкости смеси.

Таблица 12

Значения динамической вязкости компонентов смеси

температура, ºC	μ, мПа·c		μсм, мПа·c
	Н2О	СНОН
tP =78,4	0,45	0,33	0,331
tF=82	0,36	0,28	0,337
tW=95,6	0,25	0,23	0,249

 

Динамическая вязкость смеси в верхней части колонны (61):

Динамическая вязкость исходной смеси (61):

Динамическая вязкость смеси в нижней  части колонны (61):