Пример расчета ректификационной колонны для перегонки смеси бензол - толуол - Массообменный процесс ректификации
Для примера, рассчитаем колонну при содержании легколетучего компонента (т. е. бензола) в исходной смеси 35 %(масс.), в дистилляте 98 %, в кубовой жидкости 1,7 %. Производительность по исходной смеси 5кг/с.
Материальные расчеты. Материальный баланс колонны
Производительность по дистилляту P и кубовому остатку W определяется из уравнения материального баланса ректификационной колонны:
(1)
Откуда:
(2)
(3)
Все расчеты в данном случае ведутся для легкокипящего компонента, а значит х есть концентрация бензола. Для дальнейших расчетов необходимо пересчитать составы фаз из массовых в мольные по соотношению:
(4)
Где x - мольная доля компонента А,
- массовая доля компонента А, % (масс.)
МА - мольная масса компонента А,
МВ - мольная масса компонента В,
Подставив мольные массы бензола и толуола получаем:
Определение рабочего флегмового числа
Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются значением рабочего флегмового числа R. Флегмовое число являет собой отношение количества флегмы к количеству дистиллята. Оно может находиться в интервале от RMin до. При минимальном флегмовом числе можно получить максимальное количество дистиллята, но число тарелок становится бесконечно большим. Если флегмовое число принять равным бесконечности, то получится, что колонна работает сама на себя. При флегмовом числе меньше минимального, мы ни при каких условиях не сможем получить конечный продукт с заданными свойствами.
Вообще флегмовое число отражает угол наклона рабочей линии к оси абсцисс для верхней части колонны и входя в уравнение рабочей линии. Уравнение рабочей линии для верхней части колонны выглядит как:
(5)
YD, как впрочем и yW определяются равными xD И xW соответственно. Иначе говоря предполагается что состав паровой и жидкой фазы одинаков как для низа так и для верха колонны.
Минимальное флегмовое число определяется по следующей формуле:
(6)
Где - мольная доля спирта в паре, находящемся в равновесии с исходной смесью, определяется по y-x диаграмме.
Тогда:
Рабочее значение флегмового числа примем равным 2,1. Для определения рабочего флегмового числа существует множество рекомендаций, мы их упускаем.
Построение рабочей линии на диаграмме "жидкость - пар"
Рабочая линия процесса ректификации, в отличие от процесса абсорбции, представляет собой совокупность рабочих линий для верхней и для нижней части колонны и характеризуется изломом в точке соответствующей составу питательной смеси.
Для верхней части колонны можно воспользоваться уравнением (5), а для нижней части колонны существует уравнение:
(6)
Определение среднего массового расхода по жидкости
Средние массовые расходы по жидкости для верхней и нижней частей колонны определяются из соотношений:
(7)
(8)
Где МP и МF - мольные массы дистиллята и исходной смеси,
МВ и МН - мольные массы жидкости в верхней и нижней частях,
Мольная масса жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равна:
(9)
(10)
Где МБ и МТ - мольные массы бензола и толуола
XСр. в и xСр. н - средний мольный состав жидкости соответственно в верхней и нижней частях колонны:
Тогда
Аналогично находится мольная масса исходной смеси:
Мольную массу дистиллята можно принять равной мольной массе бензола.
Подставив результаты соотношения в (7) и (8) получаем:
Определение среднего массового расхода по пару
Средние массовые потоки пара в верхней и нижней частях колонны соответственно равны:
(11)
(12)
Где и - средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны:
(13)
(14)
Где средние значения состава паровой фазы рассчитываются аналогично жидкой фазе и равны:
Тогда из формул (13) и (14) следует
Подставив результаты в (11) и (12) получаем:
Скорость пара и диаметр колонны
На этой стадии необходимо выбрать тип тарелки. Поскольку предполагается, что жидкость не содержит взвешенных частиц выберем используем сетчатые тарелки.
Допустимая скорость в верхней и нижней части колонны определяется по формуле:
(15)
Поскольку плотности бензола и толуола близки, то плотность жидкой фазы может быть приближенно определена как 796 кг/м3.
Средняя плотность пара для нижней и для верхней части колонны может быть определена по формуле:
(16)
Где t - температура для верхней или для нижней части колонны.
Температура в колонне, в свою очередь, определяется по диаграмме t - x, y, которую можно увидеть на рисунке 1.
Рисунок 1
Диаграмма t - x, y
По средним составам фаз определим температуру в верхней части колонны 89 С, в нижней части колонны 102 С.
Тогда по формуле (16) рассчитываем плотность паровой фазы соответственно в нижней и верхней части колонны.
Сейчас можно рассчитать допустимые скорости как в верхней, так и в нижней части колонны:
Диаметр колонны может быть определен по формуле:
(17)
Диаметр колонны принимается одинаковым по всей ее высоте и как правило равен большему из определенных. Однако, в данном случае различия между скоростями в верхней и нижней части колонны не велики поэтому можно использовать средние значения:
Подставив их в формулу (17) получим:
М
Приняв стандартный размер обечайки равным 1,8м уточним рабочую скорость пара. Она будет равной 0,82 м/с.
На данном этапе необходимо выбрать тарелку из ряда стандартных. Опуская процесс выбора, отметим, что это тарелка ТС-Р с ниже приведенными характеристиками:
Диаметр отверстий в тарелке d0 |
8 мм |
Шаг между отверстиями t |
15 мм |
Свободное сечение тарелки FC |
18,8 % |
Высота переливного порога hПер |
30 мм |
Ширина переливного порога b |
1050 мм |
Рабочее сечение тарелки SТ |
2,294 м2 |
Скорость пара в рабочем сечении тарелки:
Определение высоты колонны
Количество тарелок в колонне может быть определено либо по числу теоретических тарелок, либо по кинетической кривой.
Определение высоты колонны по числу теоретических тарелок
Суть этого метода сводится к построению ступеней на диаграмме y - x. Каждая ступень представляет собой одну тарелку. При построении предполагается, что на каждой тарелке достигается равновесие между жидкой и паровой фазой. Реализацию этого метода можно увидеть на рисунке 2.
Рисунок 2
Определение числа теоретических тарелок.
Как видно число теоретических тарелок в данном случае составляет 8 для нижней части колонны и 7 для верхней, в сумме 15. Для определения действительного числа тарелок это число необходимо поделить на к. п. д. отдельно взятой тарелки. Несмотря на то, что существуют методы оценки к. п.д. тарелок, этот метод не является точным, поскольку для каждой тарелки к. п.д. может отличаться от среднего.
Высота колонны определяется исходя из числа действительных тарелок и расстояния между тарелками. Обычно расстояние между тарелками стандартизовано и может быть выбрано из каталога.
Определение высоты колонны по кинетической кривой
Данный метод точнее чем предыдущий. Он состоит в определении эффективности тарелок по Мэрфи с учетом продольного перемешивания, межтарельчатого уноса и доли байпасирующей жидкости. Для определения значений эффективности тарелок используются критериальные уравнения, которые здесь не приводятся, вследствие их громоздкости и узкой специализации.
Зная эффективность по Мэрфи, можно определить концентрацию легколетучего компонента в паре на выходе из тарелки yК по соотношению:
(18)
Исходя из этой формулы на диаграмме y - x строится кинетическая кривая, представляющая собой зависимость yК от x, а затем аналогично предыдущему методу графически выстраиваются ступени. Графическую иллюстрацию этого метода можно увидеть на рисунке 3.
Рисунок 3
Построение кинетической кривой и определение действительного числа тарелок.
В итоге мы получили 9 тарелок в нижней части колонны и 9 в верхней. Приняв расстояние между тарелками 0,5 м, расстояние между нижней тарелкой и дном 2 м, расстояние между верхом колонны и верхней тарелкой 1 м, получим полную высоту колонны 11,5 м.
Похожие статьи
-
Обозначим массовый расход дистиллята через GD кг/с, кубового остатка GW Кг/с, исходной GF кг/с. Из уравнений материального баланса ректификационной...
-
Ректификация бензол жидкость Ректификация - массообменный процесс, который осуществляется в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами...
-
Высота ректификационной колонны насадочного типа находится из уравнения: НК=Ят+(т-1)рР+ЯВ+ЯН+НК+НД (3.15) Где Z=5 м - высота насадки в одной секции; n -...
-
Принципиальная схема ректификационной установки приведена на рисунке 2.1: Рис. 2.1 : Принципиальная схема ректификационной установки: 1 -...
-
Введение - НАСАДОЧНАЯ РЕКТИФИКАЦИОННАЯ КОЛОННА ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ БИНАРНОЙ СМЕСИ ДИОКСАН - ТОЛУОЛА
Ректификация - процесс разделения гомогенных смесей летучих жидкостей путем двустороннего массообмена и теплообмена между неравновесными жидкой и паровой...
-
Толщину стенки эллиптического днища определяют по формуле: , (4.9) Мм. Принимаем толщину крышки и днища равной толщине стенки = 16 мм. Расчет изоляции...
-
Расчет толщины обечаек Исполнительную толщину тонкостенной гладкой цилиндрической обечайки, нагруженной внешним давлением, рассчитываем по формуле: ,...
-
В процессе проделанной работы была рассчитана ректификационная установка для разделения смеси диоксан-толуол. Были получены следующие данные: Диаметр...
-
Гидравлическое сопротивление насадки ДР находят по уравнению ДР=10169 - UДРС. (3.23) Гидравлическое сопротивление сухой неорошаемой насадки ДРС...
-
Расчет высоты насадки - Колонные аппараты
Расчет высоты насадочной колонны ведем согласно [11] через высоту, эквивалентную теоретической тарелке (ВЕТТ).Высота слоя насадки НН может быть...
-
VF = GF/F (4.11) VF = 0,58 /790 = 7,34 - 10-4 м3/с. 0,025 м = 25 мм. По ОН26-01-34-66 примем штуцер с наружным диаметром 37мм, с условным проходом DУ=25...
-
Задание и исходные данные Необходимо рассчитать насадочную ректификационную колонну для разделения бинарной смеси диоксан - толуол. GD=1000 кг/ч, xF=45%...
-
Ректификация - Изучение методов жидких и газообразных и однородных неоднородных систем
РЕКТИФИКАЦИЯ (от позднелат. rectificatio - выпрямление, исправление), разделение жидких смесей на практически чистые компоненты, отличающиеся т-рами...
-
Таблица 1. Исходные технологические данные для расчета ректификационной колонны 25 Количество тарелок 0 Расход газообразного дистиллята, кг/ч 6200 Расход...
-
Насосы - НАСАДОЧНАЯ РЕКТИФИКАЦИОННАЯ КОЛОННА ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ БИНАРНОЙ СМЕСИ ДИОКСАН - ТОЛУОЛА
Для перекачки кубового остатка и исходной смеси исходя из расходы и высоты, на которую подается жидкость, выберем насосы из таблицы соответственно под...
-
Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе, находим по уравнению: QД=GD - (1+R) - rD, (3.28) Где rD-удельная теплота...
-
Определение скорости пара и диаметра колонны - Колонные аппараты
Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости для верхней и нижней частей колонны определяют из соотношений: Где МD и МF - мольные массы дистиллята...
-
Цель расчета Целью технологического расчета колонны ректификации является составление материального баланса, расчет диаметра колонны, числа тарелок и...
-
Емкости - НАСАДОЧНАЯ РЕКТИФИКАЦИОННАЯ КОЛОННА ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ БИНАРНОЙ СМЕСИ ДИОКСАН - ТОЛУОЛА
Емкости рассчитываются на непрерывную работу в течении 2 - 8 часов. Предельные объемы емкостей находим из соотношения: V(max) = G - t(max)/p t(max) =...
-
Определение числа тарелок - Колонные аппараты
Для определения числа тарелок воспользуемся методом кинетической кривой. Этот метод основан на определении КПД тарелки по Мэрфи и позволяет находить...
-
Высота колонны, Гидравлическое сопротивление тарелок колонны - Колонные аппараты
Высоту тарельчатой ректификационной колонны определим по формуле: Где h - расстояние между тарелками, м; - расстояние соответственно между верхней...
-
Основные уравнения модели - Математическое моделирование процесса ректификации
Модель содержит следующие уравнения. Для тарелки i: (число тарелок равно N, нумерация тарелок - снизу вверх, куб считается нулевой тарелкой, дефлегматор...
-
Порядок расчетов - Математическое моделирование процесса ректификации
Решение приведенных выше уравнений математической модели ректификационной колонны проводят в следующей последовательности: 1. Задаются данные,...
-
Физико-химические основы процесса производства этилбензола алкилированием в присутствии хлорида алюминия Исходные продукты (бензол и олефины) для...
-
Описание объекта моделирования - Математическое моделирование процесса ректификации
Ректификационная установка представляет собой совокупность следующих аппаратов: ректификационной колонны, дефлегматора (теплообменника-холодильника и...
-
Описание схемы ректификационной установки - Колонные аппараты
Процесс непрерывной ректификации осуществляется в ректификационной установке, включающей колонну ректификации, подогреватель исходной смеси, дефлегматор,...
-
Расчет насоса. Насос № 2 - Расчет трехкорпусной выпарной установки для выпаривания хлорида кальция
В системе стоит два параллельных насоса с одинаковыми характеристиками. Подберем насос для перекачивания жидкости при температуре t=21°С из открытой...
-
Принимаем, что обогрев производится греющим паром - насыщенным водяным паром давлением РГ1=10*9,81*104ПА=0,981 МПа Общий перепад давлений в установке...
-
Программа позволяет автоматизировать расчеты, для определения всех видов информации иерархической системы, а именно: расчет максимальной информация...
-
Матричный узловой цепь Недостатком метода расчета, основанного на непосредственном решении уравнений электрической цепи, является необходимость...
-
В современных выпарных установках выпариваются очень большое количество воды. Выше было сказано, что в однокорпусном аппарате для выпаривания 1 кг воды...
-
Теоретические основы процесса выпаривания Для осуществления процесса выпаривания необходимо теплоту от теплоносителя передать кипящему раствору, что...
-
Пример успешного использования методов многошагового обучения для задачи управления производством. Рассмотрим простейший вариант, когда производится лишь...
-
Выбор опоры - Колонные аппараты
Выбор опоры осуществляется по максимальным и минимальным приведенным нагрузкам. Максимальная приведенная нагрузка для нижнего сечения опорной обечайки...
-
Вычислим значения коэффициента массопередачи в мольных и массовых единицах: (2.7.1) (2.7.2) Подставляя данные в формулы (2.7.1) и (2.7.2) получим: кмоль...
-
Для регрессии вида Найдем коэффициенты по формулам Вычислим Тогда Откуда Тогда линейная регрессия будет иметь вид Смысл коэффициента beta заключается в...
-
Метод конечных разностей -- широко известный и простейший метод интерполяции. Его суть заключается в замене дифференциальных коэффициентов уравнения на...
-
Эконометрика контроллинг анализ технология Почему старые методы эконометрики не подходят для новых условий? При взгляде на эконометрику со стороны часто...
-
Ангидритным способом в лабораторных условиях Разложение фосфата серной кислотой проводим согласно уравнению реакции: Ca3(PO4)2 + 3H2SO4 > 3CaSO4(тв)...
-
Основная масса высокооктановых, бензинов как автомобильных, так и авиационных представляет собой смесь преобладающего по объему основного (базового)...
Пример расчета ректификационной колонны для перегонки смеси бензол - толуол - Массообменный процесс ректификации