Ректификационная установка для разделения смеси этанол- вода

 

Определим R. Пересчитаем составы фаз из массовых долей в мольные по соотношению

 

 

 

 

где М_e и М_v – молекулярные массы соответственно этанола и воды, кг/кмоль.

кг/моль

кг/моль

 

 

 

Получим:

кмоль/кмоль смеси

 

 

 

 

Аналогично найдем:

кмоль/кмоль смеси

 

 

 

 

кмоль/кмоль смеси

 

 

 

 

 

 

3.3. Построение равновесной кривой и изобары температур кипения и конденсации

 

Данные по равновесию приведены в таблице:

Таблица 1.

 

х	1	0.82	0.66	0.51	0.38	0.26	0.16	0.06	0
у	1	0.92	0.83	0.72	0.60	0.45	0.30	0.13	0
T 0C	80	84	88	92	96	100	104	108	110

 

 

3.4. Определение минимального флегмового числа

 

На диаграмме проводим прямую линию  из т. х_Р через х_F до пересечения с осью ординат. Полученный отрезок B_max = 0.44.

 

Тогда минимальное флегмовое  число равно:

 

 

 

3.5. Определение оптимального флегмового числа

 

Для ряда значений флегмового числа, больших, чем Rmin=0.9, находим значения отрезков В (табл.2).

 

Таблица 2.

 

R	1.2	1.5	1.7	2.0	3.0
B	0.35	0.31	0.29	0.26	0.2

 

Отрезки В откладываем на диаграмме  Y-X. Соединяем верхние точки отрезков В на диаграмме с точкой 2 и получаем ряд рабочих линий верхней части колонны. Соединяя точки 3 пересечения рабочих линий верхней части колонны с линией X_f с точкой 1, получим ряд рабочих линий нижней части колонны. Для каждого выбранного флегмового числа и значений X в пределах заданных концентраций жидкости от X_w=0.004 до X_p=0.779 по диаграмме находим движущие силы процесса 1/(x - x''), как величины отрезков по горизонтали между кривой равновесия и соответствующими линиями рабочих концентраций и вычисляем величины. Результаты приведены в таблице:

Таблица 3.

 

X	R = 1.2	R = 1.5	R = 1.7	R = 2.0	R = 3.0
0.004	111.1	111.1	111.1	111.1	111.1
0.1	16.7	15.4	14.9	14.3	13.3
0.144	25.0	16.7	12.5	11.1	10.0
0.2	14.3	10.	8.7	7.7	6.9
0.3	10.0	7.1	6.3	5.6	4.8
0.4	9.1	6.7	5.9	5.3	4.4
0.5	20.0	10.0	8.3	6.3	4.8
0.6	25.0	20.0	16.7	12.5	10.0
0.7	33.3	25.0	20.0	16.7	12.5
0.779	25.0	25.0	25.0	25.0	25.0

 

Для каждого значения R методом графического интегрирования находим число единиц переноса (таблица 4).

Таблица 4.

 

R	1.2	1.5	1.7	2.0	3.0
R + 1	2.2	2.5	2.7	3.0	4.0
mx	38.5	31.3	28.4	25.9	23.6
mx(R+1)	84.7	78.3	76.7	77.7	94.4

 

 

Наносим на диаграмму зависимости m_x(R+1) от R  эти данные и находим минимум m, которому соответствует оптимальное рабочее флегмовое число R_opt=1.7.

 

3.6. Определение потоков пара по колонне

 

Объёмный поток пара по колонне:

м³/с

 

 

где Р – давление в колонне, P = 1*10⁵ Па;

– оптимальное флегмовое число, R_opt = 1.7 ;

Определение средней температуры  пара по колонне:

 

 

 

кмоль/кмоль смеси

кмоль/кмоль смеси

 

 

 

 

 

 

tср – средняя температура пара по колонне, tср = 84 ˚С;

 

 

 

г/моль

 

 

кг/моль*ч

 

 

 

Молярный расход жидкости:

 в верхней части колонны:

 

 

кг/моль*ч

 

 

в нижней части колонны:

 

 

кг/моль*ч

 

 

 

 

 

 

Молярная масса исходной смеси:

 

г/моль

 

 

3.7. Определение диаметра колонны и основных характеристик контактного устройства

 

Предельная скорость пара для колпачковых тарелок:

где:  Н = 500 мм – принятое расстояние между тарелками;

         dк = 80 мм – диаметр колпачка;

         r_х = 895 кг/м³ – средняя плотность жидкости по колонне;

         r_у – средняя плотность пара по колонне:

кг/м³

 

 

 

      Рабочая скорость  пара в свободном сечении колонны. Принимаем:

м/с

м/с

 

 

 

 

 

 

Диаметр ректификационной колонны:

м

 

 

 

 

Принимаем D = 1000  мм.

 

 

 

3.8. Выбор типа и гидравлический расчет контактного устройства

 

Контактное устройство по заданию  – колпачковая тарелка. Выбираем тарелку ТСКР для диаметра 1000 мм. Периметр слива L = 565 мм, диаметр колпачка dк = 80 мм, количество колпачков – 24, расстояние между колпачками – 110 мм.

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

 

Общее гидравлическое сопротивление  тарелки определяется по формуле:

 

 

где: DP_suh – сопротивление сухой тарелки, Па;

DР_s – сопротивление, вызванное силами поверхностного натяжения, Па;

DР_st – статическое сопротивление слоя жидкости на тарелке, Па;

Па

 

 

м/с

 

 

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

r_у – средняя плотность пара в колонне;

w₀ – скорость пара в колонне;

Па

 

 

 

где: s - поверхностное натяжение,

dэ – эквивалентный диаметр прорези колпачка,

П – периметр и fпр – площадь прорези тарелки.

Принимаем ширину прорези 5 мм, высоту прорези 20 мм

Н/м

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Па

 

 

 

 

 

где: rп – плотность парожидкостного слоя на тарелке,

hст – высота барботажа на тарелке,

hотк – высота открытия прорезей, принимается равной высоте прорезей 0.02 м,

hпогр – высота погружения прорезей, принимается равной 0.015 м,

Dh – величина превышения уровня жидкости над сливной перегородкой, при средних диаметрах колонн можно не учитывать.

м

 

 

 

 

где:

 

м

 

Следовательно, общее гидравлическое сопротивление тарелки:

Па

 

 

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

м

 

 

 

Выбранное ранее расстояние между  тарелками H = 500 мм подходит, так как

 

 

 

3.9. Определение кинематических коэффициентов

 

Молярный расход пара по колонне:

кмоль/ч

 

 

Рабочая площадь тарелки:

м²

 

 

 

м²

 

 

Значение коэффициента массоотдачи  в паровой фазе:

кмоль/м²ч

 

 

 

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе:

кг*моль/м²ч

 

 

 

где: b`_xf – опытное значение коэффициента массоотдачи,

D`_х – опытный коэффициент диффузии в жидкой фазе,

кг*моль/м²ч

м²/с

 

 

 

м²/с

 

 

 

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

где: D_х20 – рассчитываемый коэффициент диффузии при t = 20 ^o C,

мПа*с

- вязкость смеси

м²/с

 

 

 

 

 

мольные объемы компонентов этанол и вода:

 

 

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 при оптимальном значении флегмового числа R_opt = 1.7. В пределах от X_w до X_p выбираем ряд значений X. Для каждого значения X определяем по диаграмме величины (y'' - y) и (x - x'') как разность между равновесной и рабочей линиями, а затем по этим значениям находим m (Таблица 5).