Ректификация

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Изм	Лист	№ документа	Подпись	Дата
Разработал					Технологический и конструктивный расчет основного аппарата.	Лит	Лист	Листов
Принял
Н. контр

 

 

 

1. Материальный баланс колонны и определение рабочего флегмового числа.

 

Производительность колонны по дистилляту Р и кубовому остатку W определяют из уравнений материального баланса колонны:

F = P + W

 

 

где: F =25 кг/с

Откуда нахожу:

 

P = F - W = 25 - 20,31 = 4,69 кг/с

 

Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются рабочим флегмовым числом R; его оптимальное значение R можно найти путем технико-экономического расчета. Ввиду отсутствия надежной методики оценки используют приближенные вычисления, основанные на определении коэффициента избытка флегмы (орошения) , где - минимальное флегмовое число:

 

 

где и - мольные доли легколетучего компонента соответственно в исходной смеси и дистилляте, кмоль/кмоль смеси.

- концентрация легколетучего  компонента в паре, находящемся  в равновесии с исходной смесью, кмоль/кмоль смеси.

Обычно коэффициент избытка флегмы, при котором достигается оптимальное флегмовое число, не превышает 1,3. Предложено R находить по минимальному значению N(R+1), полагая, что это произведение пропорционально объему ректификационной колонны (N - число ступеней изменения концентраций или теоретических тарелок, определяющее высоту колонны, а R +1 - расход паров и, следовательно, сечение колонны).

Определяю R по этой рекомендации. Пересчитаю составы фаз из массовых долей в мольные по соотношению:

 

где: и - молекулярные массы соответственно метилового спирта и воды, кг/кмоль.

       = 32 (кг/кмоль)

        = 18 (кг/кмоль)

Получаю:

 смеси.

       

 

						Лист

 

 

Аналогично определяю  и :

 смеси.

 

 смеси.

Тогда минимальное флегмовое число  равно:

 

где: - концентрация легколетучего компонента в паре, находящемся в равновесии с исходной       смесью, кмоль/кмоль смеси.

- нахожу из графика равновесия между паром и жидкостью при постоянном давлении.

= 46%=0,46 (кмоль/кмоль) смеси.

Задавшись различными значениями коэффициентов  избытка флегмы , определим соответствующие флегмовые числа. Графическим построением ступеней изменения концентраций между равновесной и рабочей линиями в диаграмме состав пара у - состав жидкости х нахожу N.

Равновесные данные для различных  систем приведены в справочнике (Коган В.Б., Фридман В.М. Равновесие между жидкостью и паром. Книги 1-2. М-П, Наука, 1966г).

Результаты расчетов рабочего флегмового числа приведены ниже и представлены на рисунках 2,3,4,5,6,7,8,9,10.

 

	1,07	1,36	1,74	2,33	3,3	5,26
R	1,605	2,04	2,61	3,5	4,95	7,89
N	14	11	6,8	7,8	7,2	6,5
N(R+1)	36,47	33,44	24,55	35,1	42,84	57,79

 

Минимальное произведение N(R+1) соответствует флегмовому числу R = 2,6. При этом коэффициент избытка флегмы:

 

На рисунке изображены рабочие  линии и ступени изменения  концентраций для верхней (укрепляющей) и нижней (исчерпывающей) частей колонны  в соответствии с найденным значением R.

Уравнения рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части колонны:

 

 

у = 0,72 + 0,27

                                                                                  

б) нижней (исчерпывающей) части колонны:

						Лист

 

 

 

 

 

у = 7,67х - 6,67

у = 7,67х - 0,073

 

,

что соответствует вышеприведенному уравнению «а».

Средние весовые расходы (нагрузки) по жидкости для верхней и нижней частей колонны определяются из соотношений:

 

где: и - мольные массы дистиллята и исходной смеси;

        и - средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны.

Мольную массу дистиллята в данном случае можно принять равной мольной  массе легколетучего компонента - . Мольная масса жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равна:

 

 

где: и - мольные массы метилового спирта и воды;

        и - средний мольный состав жидкости в верхней и нижней частях колонны:

 

Тогда:

 

 

Мольная масса исходной смеси:

Подставив полученные значения, нахожу:

 

						Лист

 

Средние массовые потоки пара в верхней  и нижней частях колонны соответственно равны:

 

;      

 

где: и - средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны:

где:

 

 смеси.

смеси.

где: - нахожу из диаграммы равновесия между паром и жидкостью при постоянном давлении.

Тогда:

 

 

Подставив найденные значения, получаю:

 

Средние массовые потоки пара в верхней и нижней частях ректификационной колонны равны:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

						Лист

 

2. Расчет скорости пара и диаметра колонны.

 

Выбор рабочей скорости паров обусловлен многими факторами и обычно осуществляется путем технико-экономического расчета для каждого конкретного процесса. Для ректификационных колонн, работающих в пленочном режиме при атмосферном давлении, рабочую скорость можно принимать на 20 - 30% ниже скорости захлебывания.

Скорость пара в интервале устойчивой работы провальных тарелок может быть определена с помощью уравнения:

 

Здесь:                

где: w - скорость пара в колонне, м/с;

       - эквивалентный диаметр отверстия или щели в тарелке, м;

       - доля свободного сечения тарелки, ;

       и - вязкость соответственно метилового спирта и воды при температуре ,        .

При       

При       

 

Подставив, получаю:

в верхней части: 

По каталогу выберем решетчатую провальную тарелку со свободным  сечением и шириной цепи ; тогда .

Тогда:

 

 

Отсюда  w = 0,7 м/с

В нижней части:

 

 

						Лист

 

 

Отсюда  w = 0,51 м/с.

 

Ориентировочный диаметр колонны  определяют из уравнения расхода:

Принимаем средний массовый поток  пара в колонне G равным полусумме и :

Средняя плотность паров:

Диаметр колонны:

Выберем стандартный диаметр обечайки колонны d = 3м. При этом действительная рабочая скорость пара будет равна:

По каталогу для колонны диаметром 3000мм выбираю провальную тарелку со следующими конструктивными размерами:

Диаметр отверстий в тарелке      

Шаг между отверстиями                t = 15мм

Свободное сечение тарелки         

Высота переливного порога        

Ширина переливного порога         в = 1715мм

Рабочее сечение тарелки            

Скорость пара в рабочем сечении  тарелки:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

						Лист

 

3. Определение высоты светлого слоя жидкости на тарелке и паросодержания барботажного слоя.

 

Высоту светлого слоя жидкости для провальных тарелок нахожу по уравнению:

где: - удельный расход жидкости на1м ширины переливной перегородки, ; в - ширина переливной перегородки, м; - высота переливной перегородки, м; и - поверхностное натяжение жидкости и воды соответственно при средней температуре в колонне; - в мПа ;