Материальный баланс установки

 

2.3.1 Расчет экстрактора

 

Экстрактор  предназначен для разделения рафинатного и экстрактного раствора  после их  обработки     растворным   путем   экстракции. В промышленности широкое распространение получили экстракционные колонны тарельчатые, так как они удобны в эксплуатации. Тарелки имеют

сравнительно  высокий КПД и сравнительно низкую стоимость. Целью расчета является составление материального и  теплового баланса колонны и  определение ее геометрических размеров.

 

 

Рисунок 2.3.1 -

Схема

экстракционной  колонны

 

2.3.2 Подготовка исходных данных  для расчета экстракционной колонны  в табличной форме.

 

Для составления  материального баланса вычислим массовую кратность, подача растворителя к сырью, она составляет приблизительно Кр=10011,5=150%.

При составлении  расходных статей баланса будем  исходить из этого условия, что в  рафинатном растворе содержание растворителя должно быть примерно 20%.

 

 

 

Количество  циркулирующего экстрактного раствора определяется из теплового баланса  колонны. Избыток тепла, снимаемый  циркулирующим раствором экстракта  в холодильнике, определяется как:

Количество  циркулирующего через холодильник  экстрактного раствора определяется по формуле:

Температура экстрактного раствора на входе в  холодильник 65 °С, на выходе 55 °С

 

2.3.3 - Расчет размеров экстракционной  колонны.

 

Расчет  размеров экстрактора состоит в  определении диаметра и высоты. Критерием  для определения диаметра служит допустимая скорость движения паров, а  высота зависит от числа тарелок  и других конструктивных особенностей аппарата. Скорость движения потоков  растворов рафинатного и экстрактного растворов колеблется в пределах от 4,4 до 31,7м³/м²*ч, но наиболее употребительная скорость 9,5 - 12м³/м²*ч. Для расчета диаметра колонны принимают в среднем скорость движения растворов, равную 10м³/м²* ч.

Диаметр экстрактора  определяется по формуле:

 

Для определения  высоты колонны применяют формулу:

Н = h_i + h₂ + h₃ + h₄

где    h_i  - высота, равна 1,5м.

h₂ - расстояние от нижнего днища до нижней тарелки, определяется в зависимости от времени пребывания тяжелой фазы; принимаем 25мин.

 

h₃ - высота, занятая тарелками. В экстракторе 15 каскадных тарелок. h₃ = (n-1) * ∆h, n-число тарелок ∆h - расстояние между тарелками.

 

 

 

 

Рис.2.3.1 - Определение  высоты колонны

 

h₃ = (15 - 1)-0.4 = 5.6м.

h₄ - высота верхней части отстойника для рафинатной фазы определяется в зависимости от времени пребывания рафинатного раствора, принимаем 50мин.

2.3.4 Расчет блока регенерации рафинатного раствора

 

Отгон растворителя от рафинатного раствора производится обычно в 2 -ступени в рафинатной колонне. Рафинатная колонна состоит из 2-х секций -верхней - испарительной и нижней- отпарной.

 

Рисунок 2.3.2 - Схема рафинатной колонны

 

2.3.5 Расчет испарительной секции 

 

2.3.5.1 Определение температуры нагрева  рафинатного раствора.

 

Температура нагрева определяется как температура, соответствующая упругости насыщенных паров растворителя.

Рисунок 2.3.3 -График зависимости температура - упругость насыщенных

паров N-метилпирролидона.

 

Упругость насыщенных паров при температуре  на выходе из испарителя, и константа  равновесного испарения растворителя равна: Р=n*П, где П - общее давление в колонне, равное 0,12 мПа (полит.дан.)

Константа равновесного испарения растворителя при данной температуре найдена из формулы:

где Z -вес  растворителя жидкости, уходящей из испарительной  колонны, кг/ч ;

M₁ - молекулярный вес растворителя;

N2- число  молей рафината.

 

Р = 7,8 х 0,12 = 0,94 мПа

Из графика  находим температуру:

t = 315°C.

 

 

2.3.6    Определение температуры верха

 

Эта температура  соответствует температуре кипения  растворителя при принятом в колонне  давлении:

t_{верх  =} ~210°C.

 

 

 

 

2.3.7-Определение  количества орошения.

 

Количество орошения R определяют по формуле:

 

 

Где Q₁- количество тепла, поступающего в колонну;

Q₂ - количество тепла, уносимого из колонны рафинатным раствором;

Q₃ - количество тепла, уносимого из колонны парами растворителя;

q ^ʼn _ť - энтальпия паров растворителя при t верха колонны;

q^ж_{t op}- энтальпия жидкого орошения при температуре орошения.

Температуру жидкого орошения принимаем 60°С.

2.3.8 Определение размеров колонны

 

Определяем  диаметр колонны по объему паров  с учетов количества орошения и допустимой скорости паров.

Объем паров  вверху испарительной колонны определяется по формуле:

 

где    G_p+ G_op- суммарное количество растворителя и орошения отгоняемого в испарительной колонне кг/г;

М_p— молекулярная масса растворителя;

t₈ - температура верха колонны, мПа

 

W - скорость  движения паров принимается 0,5м/с.

Высота  колонны принимается по литературным данным.

 

 

2.3.9 Расчет отпарной секции

 

2.3.9.1   Определение температурного режима

 

Температура рафинатного раствора, поступающего в отпарную секцию 290°С (на 10°С ниже температуры рафината, выходящего из испарительной секции). Температура низа колонны определяется как температура остатка, охлажденного вследствии испарения. t_n определяем по формуле:

где t - температура раствора, поступающего в отпарную колонну, °С

G_p - количество отгоняемого растворителя, кг/г.

G_раф ~- количество рафината, уходящего с низа колонны, кг/г.

Z - теплота  парообразования растворителя, кДж/г.

С_раф - теплоемкость рафината (2,0 кДж/кг °С ).

 

Температура верха отпарной колонны определяется как температура кипения при давлении Р_p.

 

 

 

2.3.9.2 Определение числа тарелок в отпарной колонне

 

Расчет  ведется снизу вверх от тарелки  к тарелке до достижения исходного состава сырья. Температура по высоте колонны от тарелки к тарелке изменяется незначительно, поэтому давление ненасыщенных паров (рис. 1.) на каждой тарелке можно считать постоянным и равным давлению ненасыщенных паров при температуре низа и находится по графику упругости паров растворителя:

Р_c= 0,43 мПа = 32,68 мм. рт.ст.

 

Определим мольную долю растворителя в остатке.

где М_p- молекулярная масса растворителя;

Xr— массовая концентрация растворителя в остатке (0,0001). Мх- молекулярная масса остатка.

 

Парциальная упругость паров растворителя:

Р_c=X_R* R_R = 0.00036 * 3268 = 1.17мм. рт. ст.                                                          Тогда масса паров, поднимающихся с низа колонны.

 Расчет  ведется до тех пор, пока  значение X_n на тарелке не будет равно или больше мольной концентрации растворителя в сырье С'_p.

 

Расчет первой тарелки: Масса флегмы нижней тарелки

ρ=ρ_{0 +}ρ_см

Массовая  и мольная доля растворителя в  этой флегме:

 

Упругость паров растворителя на первой тарелке:

Тогда масса паров поднимающихся с 1^ой тарелки

 

2.3.9.3         Расчет 2^ой тарелки

 

Масса флегмы второй тарелки:

 

 Массовая  и мольная концентрация растворителя  в этой флегме:

 

Упругость паров растворителя:

Рс₂ = 0,0018 х 3268 = 5,68 мм.рт.ст.

 

4. Масса паров

 

После расчета  второй тарелки значение Х_n больше, чем маленькая концентрация растворителя в сырье С'_p, поэтому мы принимаем число тереотических тарелок 2. Число рабочих тарелок:

Расчеты сводим в таблицу.

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Определение размеров колонны

 

 

W принимается  0,5 м/с

Определение высоты колонны.

h₄ - расстояние от уровня остатки до нижней тарелки (принимаем) h4= 1.5 м. Нк = 4.5+ 2.8+ 0.6+ 1.5+ 1.6= 11м.