Расчет и проектирование ректификационной установки непрерывного действия для разделения бинарной смеси бензол – хлорбензол

Примем, что компонент A – легколетучий компонент, а В – низколетучий компонент.

Производительность колонны по дистилляту P и кубковому остатку W определим из уравнения материального баланса колонны:

F=P+W                                                        (3.1)

 

F=10000 кг/ч=2,778 кг/c

 

 кг/с 

                                (3.2)

Пересчитаем составы фаз из массовых долей в мольные по соотношению:

;                                               (3.3)

где - мольная доля легколетучего компонента в исходной смеси, дистилляте, кубовом остатке А, ;

- массовая доля компонента в  исходной смеси, дистилляте, кубовом остатке , ;

- молекулярные массы бензола и хлорбензола, (кг/кмоль). Они соответственно равны

    , кг/кмоль;

, кмоль/кмоль;

кмоль/кмоль, кмоль/кмоль.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица. 1

Бензол - хлорбензол % (мол.) бензол
В жидкости, Х	В паре ,У
0 17,4 31,1 48 62,8 62,9 73,1 81,6 86,0 90,4 91,2 94,2 95 97,1 100	0 5,3 10,4 19,2 29,5 29,6 39,9 51,4 59,1 68,4 70,3 78,6 80,4 88,4 100

 
        

Рис. 3.1

       По графику  х-у для бензола и хлорбензола находим у*(f) для нахождения Rmin.

   Y*(f)=0,56

Рис. 3.2

 

Пересчитав Y*(f) из массовых долей в мольные, получим

.                                 (3.4)

Определим рабочее флегмовое число по уравнению:

 

                                         (3.5)

Для определения количества тарелок необходимо построить рабочую линию, соответствующую флегмовому числу.

Уравнения рабочих линий:

А) верхней (укрепляющей) части колонны:

 

                   (3.6)

 

Б) нижний (исчерпывающей) части колонны определяем по уравнению :

 

(3.7)

 

              

Рис. 3.3

Подсчитав целое число ступеней получили, что число теоретических тарелок N=12

Уравнения рабочих линий:

А) верхней (укрепляющей) части колонны:

 

                   (3.8)

 

Б) нижний (исчерпывающей) части колонны определяем по уравнению :

 

(3.9)

 

3.2. Определение скорости пара  и диаметра колонны

 

Средние концентрации жидкости:

А) в верхней части колонны по уравнению:

 

;                                       (3.10)

 

Б) в нижней части колонны по уравнению:

.                                        (3.11)

 

Средние концентрации пара находим по уравнениям рабочих линий:

А) в верхней части колонны: 

;                                  (3.12)

 

 

Б) в нижней части колонны:

.                    (3.13)

 

Средние температуры пара определяем по диаграмме t-x,y

А)  y’cp=0,842;       t’cp=99 ºC;

B)  y’’cp=0,37;       t’’cp=119 ºC.

Средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны и мольная масса исходной смеси соответственно равны:

  (3.14)

Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости для верхней и нижней частей колонны соответственно равны:

(3.15)

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

     (3.16)

 

               (3.17)

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

Определим плотности жидкости и пара в верхней и нижней частях колонны при средних температурах в них:

а) Вверху колонны

                       (3.18)

 

б) Внизу колонны

                    (3.19)

Средние массовые потоки:

                                  (3.20)

Средняя плотность пара в колонне:

                                (3.21)

 

Определим температуру жидкости в верху колонны при xp=0,985 и в кубе – испарителя при xW=0,03

tH=126 ºС

tB=106 ºС

Плотность хлорбензола при tH=126 ºС равна py=763,83 кг/м3, а бензола при tB=106 ºС - pв=784,97 кг/м3. Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне

    

Определяем скорость пара в колонне. По данным каталога – справочника принимаем расстояние между тарелками h=500мм. Для ситчатых тарелок для нахождения скорости пара рекомендуется следующее уравнение:

                             (3.22)

  Диаметр колонны определяется по формуле:     

                       (3.23)

Выберем стандартный диаметр колонны d=1,2 м

При этом рабочая скорость пара

                                            (3.24)

 

 

По каталогу – справочнику колонных аппаратов принимаем D=1200мм.

Свободное сечение колонны, м2                                                                      1,13

Тип тарелки                                                                              ТС-Р

Рабочее сечение тарелки, м2                                                       1,01

Сечение перелива, м2                                                                0,06

Свободное сечение тарелки,м2                                                1,13

Относительная площадь перелива, %                                       5,3

Диаметр отверстия, мм                                                                  5

Периметр слива, м                                                                  0,722

Относительное свободное сечение тарелки, %                      11,1

Масса, кг                                                                                       62

 

3.3. Определение числа тарелок  и высоты колонны

 

Число тарелок рассчитываем по уравнению

Для определения среднего  КПД тарелок находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов и динамический коэффициент вязкости исходной смеси при средней температуре в калонне, равной 116 ºС.

Определение динамической вязкость :

 

,                                             (3.25)

Где , вязкости бензола и хлорбензола при температуре смеси.

                                       (3.25)

При этой температуре давление насыщенных паров бензола равно РБ=1700 мм.рт.ст., а хлорбензола Рхб=380 мм.рт.ст., откуда .

Тогда

По графику находим h=0,48. Длина пути жидкости на тарелке .                                                                        (3.26)

Значение поправки на длину пути D=0,01. Средний к.п.д. тарелок .                                                                         (3.27)

Число тарелок:

в верхней части колонны ;   

в нижней части колонны .

Общее число тарелок n=26, из них в верхней части колонны 15 и в нижней части 11 тарелок.

Высота тарельчатой части колонны:

.                                    (3.28)

 

3.4. Гидравлический расчёт тарелок

 

Гидравлическое сопротивление тарелок колонны определяется по формуле

                                                       (3.29)

Полное гидравлическое сопротивление одной тарелки складывается из трёх слагаемых

,                                                             (3.30)

где - гидравлическое сопротивление сухой тарелки, Па;

  - гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя на тарелке, Па;

  - гидравлическое сопротивление обусловленное силами поверхностного натяжения, Па.

                                               (3.31)

где - коэффициент сопротивления сухой тарелки. = 1,85;

- плотность пара, кг/м3;

Fс – относительное свободное сечение тарелки, м2. Fс = 0,111 .

Тогда

 Па. 

 

,

где - средняя плотность жидкости, кг/м3.

Значение - высота светлого слоя жидкости рассчитывается по формуле:

                (3.32)

где hпер- высота переливной перегородки, м

q – удельный расход жидкости на 1 м ширины переливной перегородки, м2/с

σ – поверхностное натяжение при среднй температуре в колонне

Для верхней части колонны

  Па.

Для нижней части колонны

  Па.

где - поверхностное натяжение жидкости, мН/м, при средней температуре в колоне.

Полное гидравлическое сопротивление ректификационной колонны

= 16*26+157,403*15+241,632*11+94,1*26 = 7882 Па.

 

 

4. ПОДРОБНЫЙ РАСЧЁТ  ТЕПЛООБМЕННИКА

 

4.1. Кубовый испаритель

 

Определим тепловую нагрузку теплообменника. Потерями в теплообменнике пренебрежём.

                               (4.1)

где - количество теплоты, отдаваемой охлаждающему агенту в дефлегматоре–конденсаторе (Вт), rP – теплота парообразования  дистиллята при tP  - температуре дистиллята на выходе из верхней части колонны (Дж/кг), т.е. при tP = 116 0C.

Температуры выходящих паров, питания, кубового остатка определим по t – x, y диаграмме.

                                                      (4.2)

 rP =324,2·0,985 + 352,72· (1 – 0,985)=3251              (4.3)

Тогда                                                                                  (4.4)

Определим теплоёмкость питания при t = 1110C.

                                                                           (4.5)

Значения СЛЛК и СНЛК определяем по номограмме

                                                        (4.6)

Определим теплоёмкость дистиллята при tP = 100 0С.

                                                           (4.7)

Теплоёмкость кубового остатка при tW = 1260C примем, для

           

Тогда,                                                                                      (4.8)

В качестве греющего агента примем водяной пар с t = 1400C; r=2141·103(Дж/кг), и соответствующими свойствами конденсата    ; ; .

В качестве кипятильника принимаем кожухотрубчатый теплообменник. Для

определения коэффициента теплоотдачи от пара, конденсирующегося на наружной поверхности труб высотой Н, используем формулу:

 

 

 

 

 

 

 

                                   (4.9)

Коэффициент теплоотдачи к кипящей в трубах жидкости определим по формуле:

        (4.10)

Здесь физико-химические свойства определяем при tкип=1260С, как для хлорбензола, т.к. кубовый остаток практически чистый хлорбензол.

Из основного уравнения аддитивности термических сопротивлений и уравнения теплопередачи следует, что:

                                            (4.11)

Подставляя сюда выражение для получим:

                                                (4.12)

Примем

Из уравнения

                                                            (4.13)

Определим ориентировочную площадь теплообменника:

F=44,826 м2                                                                (4.14)

В каталоге находим подходящий теплообменник с длиной труб 4 м.

Далее ориентировочно примем q=Qk/F=179300

Рассчитав А и В нашли, что f(q)=-3.2. Задаём q=30000. Получаем f(q)=2,6.

Экстраполируя значения q находим q=29669.