Расчет насадочной ректификационной установки непрерывного действия для разделения смеси метанол-вода

 

Колонну непрерывного действия от места ввода  исходной смеси делят на две части: верхняя часть колонны называется укрепляющей, а нижняя – исчерпывающей.

Для каждой части колонны существует уравнение, характеризующее соотношение концентрации паровой и жидкой фаз, которое  называется уравнением рабочей линии  колонны.

Для укрепляющей (верхней) части колонны уравнение  рабочей линии имеет вид 

                           (1.6)

Для исчерпывающей (нижней) части колонны уравнение  рабочей линии имеет вид

                 (1.7)

Для определения  рабочего флегмового числа R нужно знать минимальное флегмовое число. если кривые равновесия бинарных смесей выпуклы и не имеют впадин, то минимальное флегмовое число можно рассчитать по формуле

                                     (1.8)

Оптимальным флегмовым числом считается такое число, которое соответствует минимуму функции

                                (1.10)

После определения  оптимального флегмового числа приступают к графическому построению рабочих линий.

Определение основных конструктивных размеров ректификационной колонны.

 

Основными конструктивными размерами колонны  являются диаметр D и высота Н. Эти величины взаимосвязаны, так как обе зависят от скорости пара в свободном сечении колонны.

Диаметр колонны D, м, определяется в зависимости от скорости и количества поднимающихся по колонне паров

 

                           (2.61)

 Для  насадочных колонн высота насадки  Н_Н определяется:

Требуемая высота слоя насадки Н_Н, м, определяется по формуле

                                              (1.20)

                                  (1.21)

Общую высоту насадочной ректификационной колонны  Н_к, м, определяют по уравнению

Тепловой баланс колонны.

 

Тепловой  баланс ректификационной колонны составляется для определения расхода греющего пара.

Расход  теплоты, получаемой кипящей жидкостью  от конденсирующего пара в кубе-испарителе колонны Q_К, Вт, определяется по формуле

      (1.24)

Значение  теплоемкости смеси жидкости с, Дж/кг·К, определяют по формуле

                                                (1.25)

Количество  теплоты, отнимаемой охлаждающей водой  от конденсирующегося в дефлегматоре пара дистиллята Q_D, Вт, определяется по формуле

                                                           (1.26)

где r_D – удельная теплота конденсации дистиллята, Дж/кг, определяемая по правилу аддитивности

 

                                                    (1.27)

 

Расход  греющего пара G_гр.п, кг/с, определяется по уравнению

 

                                                                      (1.28)

 

Расчет теплообменных  аппаратов.

 

Один  из теплообменных аппаратов ректификационной установки (кипятильник, дефлегматор, подогреватель исходной смеси, холодильники дистиллята или кубового остатка) рассчитывается подробно с определением коэффициентов  теплоотдачи и теплопередачи, остальные  – ориентировочно с запасом. Для этого задаваясь ориентировочными значениями коэффициентов теплопередачи, рассчитывают среднюю разность температур, тепловую нагрузку аппарата и необходимую поверхность теплообмена. По найденным поверхностям теплопередачи подбирают теплообменники по каталогу.

3. Расчет ректификационной  установки непрерывного действия.

   

  Рассчитать  установку непрерывного действия  для разделения жидкой бинарной  смеси метанол-вода, содержащей х_F = 14% (мол.) метанола. Количество получаемого дистиллята 5,1 кг/с концентрацией х_D =60 % (мол.) метанола. Кубовый остаток должен содержать х_W = 7 % (мол.) метанола. Исходная смесь перед подачей в колонну подогревается до температуры кипения. Давление в колонне 2,0 атм. Тип колонны насадочная.

Расчет насадочной колонны.

 

Для дальнейших расчетов концентрации исходной смеси, дистиллята и кубового остатка выражается в массовых долях  по формуле

                             (2.1)

где  х_А – мольная масса НК в жидкости; М_А – мольная масса НК, кг/моль; М_В – мольная масса ВК, кг/моль.

Мольная масса метанола – 32,04 кг/моль, мольная  масса воды – 18,02 кг/моль [2].

По расчетам получили

 

 

 

Обозначим массовый расход смеси через G_F, дистиллята – G_D, кубового остатка – G_W. Составим материальный баланс согласно уравнениям (1.4) и (1.5):

по потокам  и НК

 

G_D = 5,1 кг/с

  По номограмме  [2,стр.565] определяем при заданном давление 2 атм =1520 мм.рт.ст. температура кипения воды -118⁰ С, метанол – 84⁰ С.

В этом интервале  выбираем произвольный ряд температур 84-86-88-90-96-100-106-110-116-118. При этих температурах по номограмме [2] определяются давления насыщенных паров метанола и воды. Для вычисления равновесных фаз  используются законы Дальтона и Рауля.

Мольная доля НК х  в жидкости определяется по уравнению

                                             (2.2)

где П – общее давление в системе, мм.рт.ст.; Р_А и Р_В – давление насыщенных паров НК и ВК, мм.рт.ст

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Диаграмма 1.

Данные по расчету приведены в таблице 1.

 

	Рб, мм.рт.ст	Рт, мм.рт.ст.	П, мм.рт.ст.
84	1520	420	1520	1	1
86	1600	460	1520	0,97	0,98
88	1700	480	1520	0,85	0,95
90	1800	500	1520	0,78	0,92
96	2000	650	1520	0,64	0,84
100	2400	700	1520	0,48	0,76
106	2800	1000	1520	0,29	0,58
110	3000	1100	1520	0,22	0,43
116	3800	1400	1520	0,05	0,13
118	4000	1520	1520	0	0

 

Таблица 1.

По данным таблицы 1 строятся изобары кипения  и конденсации смеси на диаграмме  t,x-y 1 и линия равновесия на диаграмме x-y 2.

Диаграмма 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет флегмового числа.

 

Минимальное флегмовое число рассчитывается по формуле (1.8)

 

            

у^* = 0,33 по диаграмме х-у 2.

 

 

Оптимальное флегмовое число найдем из условия получения минимального объема колонны, пропорционального произведению n_T(R+1), где n_T  - число ступеней изменения концентрации (теоритического числа тарелок). Расчет введется в следующем порядке:

а) задается ряд значений коэффициента избытка  флегмы β в пределах 0,5-1,5, β >1. Определяется рабочее флегмовое число R= β R_min, величину отрезка ;

б) откладываем  отрезок на оси ординат и проводим линии рабочих концентраций верхней  и нижней частей колонны;

в) при  каждом значении β определяем величину произведения n_T(R+1), данные заносятся в таблицу 3;

г) по данным таблицы строится график зависимости  n_T(R+1)=f(R) и находим минимальное значение n_T(R+1), которое соответствует флегмовое число R=1.4

 

β	R	В	nТ	nT(R+1)
0,5	0,7	0,35	20	34
0,8	1,12	0,28	15	31,8
1,0	1,4	0,25	12	28,8
1,3	1,82	0,21	11	31,02
1,5	2,1	0,19	10	32

 

Таблица 2.

 

Эту величину и принимаем в расчетах за оптимальное  рабочее число флегмы. число ступеней изменения концентраций (число теоретических тарелок)  n_Т при этом составит 12.

 

 

 

 

 

Диаграмма 3.

Определение скорости пара в колонне.

 

Для дальнейших расчетов необходимы средние по высоте колонны мольные массовые концентрации НК в жидкости и паре. Средний  мольный состав жидкости соответственно для верхней и нижней частей колонны

 

 

 

Средний массовый состав жидкости соответственно для  верхней и нижней частей колонны

 

Средние температуры жидкости определяем по диаграмме 1 t-x,y

при х_срВ = 0,37 t_жВ = 104⁰ С

при х_срН = 0,105   t_жН = 115⁰ С

Средняя плотность жидкости по высоте колонны  ρ_ж кг/м³ определяется по формуле

                                   (2.3)

где ρ_А, ρ_В – плотности соответственно НК и ВК при средней температуре в колонне кг/м³

ρ_жВ = 714 кг/м³ – метанол

ρ_жН  =958 кг/м³ – вода

Тогда средняя  плотность жидкости по формуле составит

а)  в верней части колонны

б) в нижней части колонны

ρ_жВ = 710 кг/м³

ρ_жН = 943  кг/м³

Средняя плотность  для колонны в целом

Определяем  средние мольные концентрации бензола  в паре

а) в верхней  части колонны        

б) в нижней части колонны          

 

Средние температуры пара определяем по диаграмме  t-х,у

- при  у_Вср = 0,59   t_п = 105,7⁰ С

- при  у_Нср = 0,24 t_п = 114⁰ С

Средняя мольная масса пара М_п, кг/ кмоль, определяется по формуле

М_п = М_Ау_ср + М_В(1-у_ср)               (2.4)

Средняя плотность пара ρ_п, кг/м³, определяется по формуле

                      (2.5)

Тогда в  соответствии  с этими формулами  получим

а) в верхней  части колонны средняя мольная  масса пара

средняя плотность пара

б) в нижней части колонны

Тогда средняя  плотность пара по всей колонне

М_D – мольная масса дистиллята кг/кмоль по формуле