Проектування ректифікаційної колони для розділення СS2 – CCl4

 

     Крива рівноваги має опуклу форму без  точок зміни кривини. Азеотропна точка відсутня.

     Розрахунок  ведемо аналітичним методом для  випадку ідеальних бінарних сумішей  в умовах незначної зміни потоків  по висоті колони.

     Визначаємо  масову продуктивність колони:

     за початковою сумішшю:

     G_F = 6000 кг/год

     кубовий залишок:

      

(1)

     знаходимо величини G_D і G_W, а саме:

     

     тоді  шукані G_D = 2617 кг/год, G_W = 3383 кг/год. 

     

     Рисунок 4.2 Діаграма стану 

     Для подальших розрахунків виразимо концентрації живлення, дистиляту й кубового залишку в молярних частках, за загальною формулою:

     живлення:

     

 

     дисцилятний залишок:

     

 

     кубовий залишок:

     

 

     Відносна  молярна витрата живлення:

     

 

     За  діаграмою х, у-t для бінарної суміші «сірковуглець – чотирихлористий вуглець» (рисунок 4.2) визначаємо температуру кипіння суміші початкової концентрації  X_F = 0,621

     t_к = 53,2 ^oC;  T_к = t_к + 273,15 K = 326,35

     Температури кипіння чистих компонентів:

     сірковуглець                        t_нк = 46,6 ^оС

     чотирихлористий вуглець   t_вк = 72,1 ^oC 

     Таблиця 4.2 - Залежність молярних та мосових долей пари та рідини від температури. 

       
 
 
 
 
 

     Розраховуємо  флегмове число:

     визначаємо  мінімальне число флегми по рівнянню :

     

 

     де  - мольну частку води в парі, рівноважному з рідиною живлення, визначаємо по діаграмі y^*-x

     Задаючись різними значеннями коефіцієнта  надлишку флегми (β=1,1; 1,3; 1,5; 2,5; 3,0), розраховуємо відповідні флегмові числа. Потім графічно знаходимо число зміни концентрації, побудувавши для кожного значення R відповідну робочу лінію (рисунок 4.3).

     Результати  розрахунків для всіх прийнятих  значень β зведені в таблиці 4.3.  

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рисунок 4.3 Побудова робочої лінії для різних значень R 

                Таблиця 4.3 - Знаходження мінімального флегмового числа..

 

     За  даними таблиці 4.3 будуємо криву в координатах R- N_с (рисунок 4.4), за якою графічно знаходимо оптимальне флегмове число R = 1,44 і відповідні значення β = 1,5 та  N_с = 13.

       
 
 
 
 
 
 

     Рисунок 4.4 Графік залежності R від N 

     Рівняння  робочих ліній:

     для верхньої частини колони

     

 

     для нижньої частини колони:

     

.

     В результаті розрахунку отримали значення оптимального флегмового числа, що складає 1,44.

Витрати рідини в колоні

     Метою розрахунку є визначення значення витрат рідини в колоні

     Молярна маса живлення (вихідної суміші):

     

 кг/кмоль

     Середні концентрації рідини

     для верхньої частини колони:

     

 

     для нижньої частин колони:

     

 

     Визначаємо  середні молярні маси рідини у  верхній частині колони і у нижній частині колони:

     

     Середні масові витрати рідини у верхній частині колони і у нижній частині колони:

     

     В результаті розрахунку отримали значення середніх масових витрат рідини у верхній і у нижній частинах колони, що складають 4512,59 кг/год та 1347,3 кг/год відповідно. 

     4.3 Витрати пари в колоні

     Метою розрахунку є визначення значення витрат пари в колоні

     Середні концентрації пари знаходимо з рівнянь  робочих ліній для верхньої частини колони і для нижньої частини колони:

     

     Середні молярні маси пари розраховуємо за формулою:

     для верхньої частини колони і для  нижньої частини колони:

     

     Середні масові потоки пари у верхній частині колони і у нижній частині колони:

     

     В результаті розрахунку отримали значення середніх масових потоків пари у верхній і у нижній частинах колони, що складають 7156,29 кг/год та 10114,14 кг/год відповідно.

     4.4 Визначення температурного режиму колони

     Метою розрахунку є визначення за діаграмою  x,y-t температури рідини та пари у колоні.

     За  діаграмою x,y-t (див. рисунок 4.2) температура рідини у верхній частині колони, коли Xр @ Yр = 0,99, t’_L= 46,6 ^оС , температура рідини в кубі-випарнику, коли Х_W = 0,078  -  t’’_L = 72,1 ^oC.

     Середню температуру пари в колоні визначаємо за лінією конденсації діаграми x,y-t

     Для верхньої частини колони, коли y’_m=0,88, t’_Gm=51 ^oC, для нижньої частини колони, коли  y”_m=0,43 t”_Gm=66 ^oC. 

     4.5 Визначення теплофізичних властивостей рідини

     Метою розрахунку є визначення в'язкості суміші рідин у верхній і нижній частинах колони.

     Теплофізичні  властивості рідини визначаємо за табличними даними. Оскільки у верхній частині  колони впливом на густину рідини вмісту висококиплячого компонента (CCl₄) можна знехтувати, густину рідини будемо визначати за густиною CS₄. Коли t’_L=46.6 ^oC, ρ’_Lm=1221.66 кг/м³.

     У нижній частині колони можна знехтувати впливом на густину вмісту низькокиплячого  компонента (CS₄), а густину рідини визначати за густиною CCl₄, тому, коли t”_L=72,1 ^oC, ρ”_Lm=1490.493 кг/м³.

     В'язкість  CS₂ складає,

     коли  t_В= 46.6 ^оС, μ’_LHK=0,278 мПа*с;

     коли  t_Н = 72 ^oC, μ”_LHK=0,226 мПа*с;

     в'язкість  CCl₄ –

     коли  t_В= 46.6 ^оС, μ’_LВK=0,680 мПа*с;

     коли  t_Н = 72,1 ^oC, μ”_LBK=0,514 мПа*с.

     В'язкість  суміші взаєморозчинних рідин у  верхній і нижній частинах колони знаходимо за рівняннями.

     Для верхньої частини колони:

     

 мПа*с

     для нижньої частини колони:            мПа*с

     В результаті розрахунку отримали значення в'язкості суміші у верхній (0,331 мПа*с) і нижній частинах колони (0,386 мПа*с). 

     4.6 Визначення теплофізичних властивостей пари

     Метою розрахунку є визначення в'язкості пари у верхній і нижній частинах колони.

     Визначаємо  середню густину пари.

     У верхній частині колони:

     

 кг/м³

     в нижній частині колони:  

     

 кг/м³

     в`язкість парів CS₂ складає,

     коли  t’_G=51 ^oC,  μ’_GHK=0,011 мПа*с

     коли  t”_G=66 ^oC, μ”_GHK=0,012 мПа*с

     в'язкість  парів CCl₄ –

     коли  t’_G=51 ^oC,  μ’_GBK= 0,011 мПа*с

     коли t”_G=66 ^oC, μ”_GHK=0,012 мПа*с

     Середню в'язкість пари в колоні розраховуємо окремо для кожної частини колони.

       Для верхньої частини:

     

 мПа*с

     для нижньої частини:

     

 мПа*с

     В результаті розрахунку отримали середнє  значення в'язкості пари у верхній (0,0112 мПа*с) і нижній частинах колони (0,0116 мПа*с). 

     4.7 Визначення діаметрів колони

     Метою розрахунку є  вибір типу насадки та визначення діаметру колони, а також фіктивної швидкості пари у колоні.

     Визначаємо об'ємні витрати пари:

     у верхній частині колони:

     

м³/год

     в нижній частині колони:

     

 м³/год

     Для подальших розрахунків необхідно  вибрати насадки. Вибираємо укладені рядами кільця керамічні (Рашига) з умовними розмірами 50x50x5 мм і такими параметрами:

     питома  поверхня насадок               м²/м³

     вільний об'єм                               м³/м³

     Еквівалентний діаметр насадок:        м

     Оцінюємо  оптимальну щільність зрошення насадок:

       м³/(м²*с)