Материал: Розрахунок ректифікаційної колони періодичної дії для розділення суміші бензол–толуол

Виконання цієї умови означає, що помилки в розрахунках не допущені.

Середні концентрації рідини та пару в мольних частках

Оскільки колони періодичної дії працюють як колони для зміщення парів, то вони складаються з однієї частини.

Густина пари

де Мср - середня мольна маса пари, кт/кмоль; Т0= 273, 15 - абсолютний нуль, К; Тср=Т0+tcр - середня температура пари. К;

тут tcр - середня температура пари у колоні, визначена у залежності від Уср (див. рис.2), К;

Ро - атмосферний тиск, Па;

р - тиск у колоні, Па.

Густина рідини

- середня концентрація рідини; У вольних частках;

 та - густина низькокиплячого та висококиплячого компонентів при tср.

Кількість пари, що підіймається по колоні

де Mp. = Mнк Хр + Мвк(1 - Xр.) - мольна маса дистиляту, кг/кмоль;

Кількість рідини, що стікає по колоні;

де Mср(р) = Mнк Хср + Мвк(1 - Xср) - середня мольна маса стікаючої по колоні рідини, кг/кмоль.

2.2 Тепловий розрахунок установки

Тепловий розрахунок складається з метою визначення необхідної кількості теплоти в кубі - кип'ятильнику, витрат теплоти, яка передається охолоджуючий воді в дефлегматорі та у водяних холодильниках дистиляту і кубового залишку, а також для визначення витрати гріючого пару в кубі та води у згаданих апаратах.

Тепловий баланс колони

Схема теплових потоків, на якій кип'ятильник розглядається як складова частина колони

QГ.П + QF + QR = QP + QW + QF + QПОТ,

де QГ.П - кількість тепла, яке надходить з гріючою парою, що витрачається на випаровування рідини, Вт;

QF - тепло, яке надходить з вихідною сумішшю, Вт;

QR - тепло, яке надходить з флегмою, Вт;

QP - тепло яке виходить з пароподібним дистилятом, Вт;

QW - тепло, яке виходить з кубовим залишком, Вт;

QПОТ - втрати тепла в навколишнє середовище, Вт.

Витрата теплоти, охолоджуючій воді, що віддається, в дефлегматорі-конденсаторі, знаходимо по рівнянню:

тут

де rа і rб - питомі теплоти конденсації бензолу і толуолу при температурі 820 С..

Витрата теплоти, одержуваної в кубі-випарнику від гріючої пари, знаходимо по рівнянню:

тут питомі теплоємності узяті відповідно при tp = 820 С tw= 109 0 С і tf = 103,50 С , температура кипіння початкової суміші tf = 103,5 0 С визначена по рис. № 2.

Витрата теплоти в паровому підігрівачі початкової суміші:

сF = (0,45.0,43 + 0,55.0,42) 4190 Дж/(кг.К) узята при середній температурі (92,5 + 18)/2 ≈ 55 0 С.

Витрата теплоти, охолоджуючій воді у водяному холодильнику, що віддається, дистиляті:

тут питома теплоємність дистиляту Сp = 0,43*4190 Дж/(кг.До) узята при середній температурі (82 + 25) /2 = 54 0 С.

Витрата теплоти, охолоджуючій воді, що віддається, у водяному холодильнику кубового залишку:

де питома теплоємність кубового залишку Cw = 0,424*4190 Дж/(кгK) узята при середній температурі (109 + 25) /2 = 67 0 С.

Витрата гріючої пари:

у кубі-випарнику

де - питома теплота конденсації гріючої пари; Всього: 0,007 кг/с = 100,8 кг/опер.

Витрата охолоджуючої води:

а) у дефлегматорі

б) у водяному холодильнику дистиляту

в) у водяному холодильнику кубового залишку

Всього: 0,00017+0,000015+0,00016=0,000345м3/с або 4,97 м3/опер;

Визначення швидкості пари і діаметру колони:

Рівняння робочoї лінії:

Середні концентрації рідини:

Середні концентрації пари знаходимо по рівняннях робітників лінії

Середні температури пари визначаємо по діаграмі t-x,y (рис.2)

- при

Середні молярні маси і густина пари:

Густина рідких бензолу і толуолу близька. Температура у верху колони при Xp = 0,991 дорівнює 820 С, а в кубі-випарнику при Xw=0,006 вона дорівнює 109 . (рис.2).

Густина рідкого бензолу при t=820 С ρб = 813 кг/м3, а рідкого толуолу при t=1090 С ρт = 783 кг/м3.

Приймаємо середню густину рідини в колоні:

Швидкість пари в колоні (С=0,032)

(95+8Об'ємна витрата проходячої через колону пари при середній температурі в колоні tср= 970 С

або 0,13 м3/с

де Мр - молярна маса дистиляту, рівна

Мр = 0,991 . 78 + 0,009 . 92 = 78,12 кг/міль

Діаметр колони:

По каталогу довіднику «Колонні апарати» беремо D=600 мм, тоді швидкість пари в колоні буде:

2.3 Гідравлічний розрахунок тарілок

ректифікаційний установка періодичний тиск

Приймаємо наступні розміри ситчатої тарілки: діаметр отвір d0 = 4 мм, висота силової перегородки hв = 40 мм. Вільний перетин тарілки (сумарна площа отворів) 8% від загальної площі тарілки. Площа, займана двома сегментними переливними стаканами, складає 20% від загальної площі тарілки.

Розрахуємо гідравлічний опір тарілки у верхній і нижній частині колони по рівнянню:

Δ p = Δ pсух+ Δ pσ+ Δ pпж

Гідравлічний опір сухої тарілки:

Де ξ=1,82- коефіцієнт опору незрошуваних ситчатих тарілок з вільним перетином 7- 10%; ω0= 0,6/0,08= 7,5 м/с - швидкість пари в отворах тарілки.

Опір, обумовлений силами поверхневого натягy:

де - поверхневий натяг рідини при середній температурі у колоні 970 С (у бензолу і толуолу практично однакове поверхневий натяг); d0 = 0,004м - діаметр отворів тарілки. Опір парорідинного шару на тарілці:

Висота парорідинного шару

hпж= hп+Δh

Величину ∆h - висоту шару над зливною перегородкою розраховуємо по формулі:

де Vж - об'ємна витрата рідини, м3/с; П - периметр зливної перегородки, м; k = ρпж/ρж - відношення густини парорідинного шару (піни) до густини рідини, приймаємо приблизно рівним 0,5.

Об'ємна витрата рідини у колоні:

де Мср = 0,7*78 + 0,3*92 = 82,2 - середня молярна маса рідини, кг/кмоль. Периметр зливної перегородки П знаходимо, вирішуючи систему рівнянь:

де R = 0,3 м - радіус тарілки,  - наближене значення площі сегменту.

Рішення дає: П = 1,24 м; b = 0,25 м. Знаходимо ∆h:

Висота парорідинного шару на тарілці:

hпж= hп+Δh=0,04 + 0,0052 = 0,0452 м

Опір парорідинного шару:

загальний гідравлічний опір тарілки колоні:

Δ p = Δ pсух+ Δ pσ+ Δ pпж = 141,3 + 26,2 + 230,5 = 398 Па

Перевіримо чи виконується при відстані між тарілками h = 0,3 м умова необхідна для нормальної роботі тарілок:

Отже, вищезгадана умова дотримується

Перевіримо рівномірність роботи тарілок - розрахуємо мінімальну швидкість пари в отворах ωо.мин, достатньо для того, щоб ситчата тарілка працювала всіма отворами:

Розрахована швидкість ωо.мин, = 5,6 м/с; отже, тарілки працюватимуть всіма отворами.. Визначення числа тарілок і висоти колони.

а.) Наносимо на діаграму у - х робочі лінії (рис. 5) і знаходимо число ступенів зміни концентрації nт. У колоні nт -11, ступенів.

Рис. 5 - Визначення числа ступенів зміни концентрації

Число тарілок розраховуємо по рівнянню:

п = пт / η

для визначення середнього к. п. д. тарілок η знаходимо коефіцієнт відносної летючості компонентів, що розділяються α = Ра / Рб і динамічний коефіцієнт в'язкості початкової суміші μ при середній температурі в колоні, рівній 97 0 С.

При цій температурі тиск насиченої пари бензолу Рб = 1239 мм рт. ст., толуолу Рт = 509 мм рт. ст. (табл. 1), α = 1239/509 = 2,43.

Динамічний коефіцієнт в'язкості бензолу при 97 0 С рівний 0,29 сП, толуолу 0,29 сП. Приймаємо динамічний коефіцієнт в'язкості початкової суміші μ = 0,29 сП = 0,29.10-3 Па.с.Тоді по графіку (рис. 6) знаходимо . η = 0,4 Довжина шляху рідини на тарілці

Рис. 6 - Діаграма для наближеного визначення середнього до. п. д. тарілок

l = D - 2b = 0,6 - 2.0,24 = 0,12 м

По графіку (рис. 7) знаходимо значення поправки на довжину шляху ∆ = 0,1 середній к. п. д. тарілок по рівнянню:

Рис. 7 - Залежність поправки ∆ від довжини шляху рідини на тарілці l

ηl = η (1 + Δ) = 0,4 (1 + 0,1) = 0,47

Для порівняння розрахуємо середній к. п. д. тарілки η0 по критерійній формулі, одержаній шляхом статистичної обробки численних опитних даних для колпачкових і ситчатих тарілок:

У цій формулі безрозмірні комплекси:

де ω - швидкість пари в колоні, м/с; Sсв - відносна площа вільного перетину тарілки; hп - висота зливної перегородки, м; ρп и ρж - густина пари і рідини, кг/м3; Dж - коефіцієнт дифузії легколетучего компоненту в початковій суміші, визначуваний по формулі, м2/с; σ - поверхневий натяг рідини живлення, Н/м.

Физико-хімічні константи віднесені до середньої температури в колоні. Заздалегідь розрахуємо коефіцієнт дифузії Dж :

У нашому випадку: β = 3; μж = 0,29 сП = 0,29.10-3 Па.с; М = МF = 83,9 кг/кмоль; υ = 14,8.3 + 3,7.6 -15 = 96; Т = 97 + 273 = 370 К.

Коефіцієнт дифузії:

Безрозмірні комплекси:

Середній к. п. д. тарілки:

що близьке до знайденого значення ηl.

Число тарілок:

п = пт / ηl = 11/0,47 = 23

Загальне число тарілок nт = 23, із запасом п = 25.

Висота тарільчатої частини колони:

Нт = (п - 1) h = (25 - 1) 0,3 = 7,2 м.

Загальний гідравлічний опір тарілок:

Δр = Δр п = 398*23=9154 Па ≈ 0,09 кгс/см2.

ВИСНОВОК

Загальна кількість енергетичних витрат при виконанні процесу ректифікації на колоні періодичної дії з ситчатимі тарілками для розділення при атмосферному тиску 1500 кг/опер рідкої суміші речовин бензолу і толуолу, що містить 12 мас. % бензолу і 88 мас. % толуолу, необхідний зміст бензолу в дистиляті 99 мас. %, необхідний зміст толуолу в кубовому залишку 0,5 мас. % (початкова суміш перед подачею в колону підігрівається до температури кипіння, при охолоджені водою tп = 200 С складає 4,97 м3/опер.

СПИСОК Л1ТЕРАТУРИ

1.      Касаткин А.Г. Основные процессы .и аппараты химической технологам. - М-: Химия, 1973. - 750 с.

2 Павлов К. Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1987. - 576 с.

3 Александров И. А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. - Изд. 3-е. Пер. - М.: Химия, 1978. - 280 с.

4.     Стабников В.Н. Расчет и конструирование контактных устройств ректификационных и абсорбционных аппаратов. - Киев: Техника, 1970. -

207 с.

5. Рамм В.М. Абсорбция газов. - М.: Химия, 1966. - 356 с.

6. Хоблер Г. Массопередача и абсорбция. - М.: Химия, 1964. - 356 с.

7. Тютюнников А.Б., Товажнянский Л.Л., Готлинская А.П. Основы расчета и конструирования массообменных колон. - Киев: Вища шк., 1989. - 223 с.

9.   Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. Справочник. - Л.: Машиностроение, 1970. - 752 с.

10. Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов, справочник.-Л.: Машиностроение, 1981.-382 с.

.Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И. и др. Основные процеси и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию. -Изд. 2-е. Пер. и доп. Под ред. Ю.И. Дытнерского. - М, Химия, 1991 - 496 с.