Рассчитать и спроектировать ректификационную колону с клапанными тарелками

Содержание 
 

 

Задание 

       Рассчитать  и спроектировать ректификационную колону с клапанными тарелками для разделения под атмосферным давлением, с расходом  G_F т/ч бинарной смеси S (этиловый спирт-ацетон) с концентрацией низкокипящего компонента (ацетона) X_F % (масс). Исходная смесь поступает в колонну при температуре кипения. Требования к чистоте продуктов: X_D %(масс), X_W %(масс)

         т/ч; 

        ;

        ;

         

Введение 

     Ректификация – это тепломассообменный процесс, применяемый для разделения жидких смесей, компоненты которых различаются по температуре кипения. Процесс осуществляется при контактировании потоков пара и жидкости, имеющих разные составы и температуры. Пар содержит больше высококипящих компонентов и имеет более высокую температуру, чем вступающая с ним в контакт жидкость.

    Организация потоков пара и  жидкости, а так  же их взаимодействие реализуется в  специальных массообменных  аппаратах – ректификационных колоннах. Поток пара создается за счет подвода тепла в нижнюю часть колонны и испарения находящейся там жидкости. Поток  жидкости (орошение флегмы) организуется за счет отвода тепла из верхней части колонны и конденсации поступающего туда пара. Взаимодействие потоков  осуществляется  в специальных  контактных устройствах размещенных по высоте колонны.

    Ректификационная  колонна – это противоточный колонный аппарат, в котором по всей его высоте реализуется процесс тепломассообмена между стекающей вниз флегмой (жидкостью) и поднимающимся вверх паром. Процесс тепломассообмена заключается в непрерывном “обмене ” тепла отдельными компонентами между жидкой и паровой фазами. Жидкая фаза обогащается более высоко кипящим компонентом, а паровая фаза более низкокипящим. Движущей силой этого обмена  на границе двух фаз является стремление жидкой и паровой фазы к их равновесному состоянию. Равновесным состоянием фаз называется такое их сосуществование, при котором не происходит никаких видимых качественных или количественных изменений  этих фаз. Равновесие фаз считается достигнутым только в том случае, когда одновременно удовлетворяются два условия : равны температуры фаз и равны парциальные давление каждого компонента в паровой и жидкой фазах. Второе условие означает, что процесс переходит через границу раздела фаз каждого компонента  из жидкой фазы в паровую фазу, и наоборот,  т.е., составы жидкой и паровой фазы  стабилизировались, а концентрации  компонентов в отдельно  взятой фазе одинаковы в каждой точке её объема .[7,с.200].

    Принцип действия

    Исходная  смесь в жидком виде после подогрева в 5, обычно до температуры кипения, поступает в колонну на тарелку питания. Здесь она смешивается с жидкостным потоком флегмы. Образовавшиеся жидкостная смесь самотеком  стекает в нижнюю (кубовую) часть колонны. Часть кубовой жидкости отбирается в количестве G_W  в виде готового продукта  (кубового остатка). Другая часть  

    

после испарения  в 5 обычно  в паро-жидкосном  виде возвращается в  кубовую часть  колонны. Паровая  фаза  поднимается  через все тарелки  в верхнюю часть  колоны, затем она  поступает в дефлегматор, где частично или полностью конденсируется.

    Часть конденсата в количестве  G_R  возвращается на верхнюю тарелку колонны для её жидкостного орошения. Цель возврата флегмы – повышение четкости  разделения смеси за счет дополнительного контакта  паровой  и жидкой фаз.

    Другая  часть конденсата отбирается в виде готового продукта – дистиллята. Назначение гидрозатвора - недопущение паров конденсата, минуя дефлегматор. 

 

 G_F , G_V , G _R , G _D, G_W ,– мольные расходы питания, паров выходящих с верху колоны , флегмы, дистиллята и остатка .

X_F , X_D , X_W – мольные доли НК в питании, дистилляте и остатке . [9, c.279].

 

Расчет  ректификационной колонны 
 

    Материальный  баланс

    Пусть G_D и G_W –массовые расходы дистиллята и кубового остатка, кг/ч.

    Уравнение материального баланса: 

6

 

     Из  системы уравнений  материального баланса  определяю:

G_D=4483 кг/ч ; G_W = 5517 кг/ч ;

     Сделаю  перерасчет концентраций из массовых долей  в мольные:

М_нк = 58,08 кг/к моль –мольная масса НК ;

М_вк = 46,07 кг/к моль –мольная масса ВК ; 

     Питание: 

       ; 

     Дистиллят:  

       ; 

     Кубовый остаток: 

       ; 
 
 
 
 

     

7

     Найду по диаграмме состав-состав (x-y), которую я построила по данным фазового равновесия разделяемой бинарной системы [1, №1025].

      = 0,64 мольная  доля НК в паровой  фазе, равновесной  с жидкостью питания  (Приложение 1). 

Вычисляю  минимальное флегмовое  число: 

      ; [2, с 311];

Рабочее флегмовое число: 

[2, с 320]; 

Определяю число питания:

 
  ; 

Определяю уравнение рабочих  линий: [2, с 320]; 

     а) для верхний (концентрационной ) части колонны: 

       ; 

     б) для нижней  (отгонной) части колонны: 

       ;

 

Определение скорости пара и диаметра колонны 

Средние концентрации жидкости:

  а) верх колонны:

 

       ; 

  б) низ колонны: 

       ; 
 

Средние концентрации пара (по уравнению рабочих линий):

  а) верх колонны: 

       ; 

  б) низ колонны: 

       ;  

    Найу  средние температуры  пара и по диаграмме температура –состав, состав (t-x,y) (Приложение 2), которую построила по равновесным данным:[1, №1025]; 

       =60 ⁰С;   = 71,9 ⁰С. 

Средние мольные массы  пара: 

   а) верх колонны: 

        
 

   б) низ колонны:  

       ; 

Определяю средние плотности  пара:

      а) верх колонны: 

       ; 

      б) низ  колонны: 

       ; 

Средняя плотность пара в  колонне: 

       ; 

     Найду температуры флегмы и кубовой жидкости по диаграмме t-x,y при X_D и X_W: (Приложение 3) 

       =58 ⁰C;   =76 ⁰C;  

     Из  справочника найду [2, с 512];

     а) плотность жидкого  НК =763,71 кг/м³ при =58 ⁰C;

     б) плотность жидкого  ВК =749,35 кг/м³ при =76 ⁰C; 

     Средняя плотность жидкости в колоне: 

; 

     Максимально допустимую скорость по колоне можно определить:[2, с 322]; 

м/с; 

     Коэффициент вычисляю по формуле [3,с 515]; 

 м;