Спроектировать ректификационную установку непрерывного действия с колпачковыми тарелками для разделения бинарной смеси толуол-кси

  (1.3)

При этом коэффициент избытка флегмы будет равен:

Уравнение рабочей линии верхней части колонны (укрепляющая часть колонны):

,

где — отрезок на оси У.

Y = 0,669 ∙ X + 0,301

Уравнение рабочей линии нижней части колонны (исчерпывающая часть колонны):

,

где — отрезок на оси У.

Y = 1,357 ∙ X - 0,01

 

 

 

 

2. Определение объемов пара и  жидкости, проходящих через колонну

2.1. Средний мольный состав жидкости

а) в верхней части колонны

кмоль/кмоль смеси (2.1)

б) в нижней части колонны

кмоль/кмоль смеси (2.2)

2.2. Средние мольные массы жидкости

а) в верхней части колонны

кг/кмоль  (2.3)

б) в нижней части колонны

кг/кмоль  (2.4)

Мольная масса исходной смеси

 кг/кмоль  (2.5)

Мольная масса дистиллята

 кг/кмоль  (2.6)

Мольная масса кубового остатка

 кг/кмоль (2.7)

2.3. Средние массовые расходы  (нагрузки) по жидкости

а) в верхней части колонны

  кг/с (2.8)

б) в нижней части колонны

  кг/с (2.9)

2.4. Средний мольный состав пара

 

Средние концентрации пара находим  по уравнениям рабочих линий:

а) в верхней части колонны

кмоль/кмоль смеси (2.10)

б) в нижней части колонны

  кмоль/кмоль смеси (2.11)

2.5. Средние мольные массы пара

а) в верхней части колонны

 кг/ кмоль (2.12)

б) в нижней части колонны

кг/кмоль (2.13)

2.6. Средние массовые потоки пара

а) в верхней части колонны

  кг/с (2.14)

б) в нижней части колонны

  кг/с (2.15)

 

 

 

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ ТАРЕЛЬЧАТЫХ КОЛОНН

3. Скорость пара и диаметр  колонны

3.1. Температуры паров

Средние температуры паров определим по диаграмме t – х,у.

Данная диаграмма представляет собой совмещенный график зависимостей температуры кипения жидкости от ее состава и температуры насыщенных паров от их состава. Для ее построения используются данные расчета равновесных составов паровой и жидкой фаз (таблица 2). Вначале в координатах t-х наносят точки, соответствующие температурам кипения жидкости и равновесным ее концентрациям Х. Через найденные точки проводят плавную линию, которая носит название линии кипения жидкости (рис.2). Затем на эту же диаграмму наносят точки, соответствующие температурам кипения и равновесным составам пара У^*. Полученные точки так же соединяют плавной линией, которая называется линией насыщения (или конденсации) рис.2.

Диаграмма t-х-у является основой для технологического расчета процессов разделения жидких смесей ректификацией, поскольку с ее помощью по известным значениям составов паров и жидкостей в любой точке аппарата определяются значения локальных температур, а так же решается обратная задача.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2 Диаграмма равновесия между паром и жидкостью в координатах t-x,y

 

Температура кипения исходной смеси    128,0 ⁰С

Температура кипения дистиллята    112,5 ⁰С

Температура кипения кубового остатка   143,2 ⁰С

а) Средняя температура пара в верхней части колонны

при       ⁰С

б) Средняя температура пара в нижней части колонны

при   ⁰С

                                                                                                                  ⁰С

3.2. Плотности паров в колонне

 

а) в верхней части колонны

 кг/м³ (3.1)

б) в нижней части колонны

  кг/м³ (3.2)

в) Средняя плотность пара в колонне:

 кг/м³                    (3.3)

3.3. Плотности жидкостей в колонне

Определим плотность жидкости, находящейся  в колонне:

Плотности жидких ксилола и толуола близки. Температура кипения дистиллята при 0,912 равняется 112,5 ⁰С, температура кипения кубового остатка при равняется 143,2 ⁰С.

Плотность жидкого ксилола (вверху колонны) 868,1 кг/м³  

Плотность жидкого толуола (внизу колонны)  880,8 кг/м³

Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне:

  (3.4)

3.4. Предельная скорость паров в колонне

Фиктивную скорость пара (она же предельно - допустимая) можно рассчитать по различным методикам, изложенным в справочной литературе. При этом, скорость рассчитывается отдельно для верхней и нижней частей колонны. Для колпачковых тарелок предельную скорость рассчитываем по формуле:

                   

                                                                 (3.5)

здесь w_n  - скорость пара в м/с; d_к -диаметр колпачка в м; h_к -расстояние от верхнего края колпачка до вышерасположенной тарелки, м.

Предварительно примем , расстояние между тарелками , высоту колпачка , Тогда:

Примем рабочую скорость пара на 30% меньше предельной:

Средняя скорость паров в колонне:

3.5. Диаметр колонны

Диаметр колонны рассчитаем по уравнению:

                                                        _(3.6)

                                                        _(3.7)

Рационально принять стандартный  диаметр обечайки

Объемный расход паров:

Объемный расход паров в верхней  части колонны:

Объемный расход паров в нижней части колонны:

 

4.Определение числа тарелок  и высоты колонны

Построим рабочие линии и  ступени изменения концентраций для верхней (укрепляющей) и нижней (исчерпывающей) частей колонны (рис.3) и находим число ступеней изменения концентрации n_т. В верхней части колонны n^’_т 6, в нижней части n^’’_т 8, всего 14 ступеней.

Рис. 3. Построение рабочих линий  по диаграмме Y – X.

Число тарелок:     Для определения среднего к.п.д. тарелок η находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов α = Р_т/Р_к и коэффициент динамической вязкости исходной смеси μ при средней температуре в колонне, равной 129,3^оС.

Р_Т = 1413 мм рт. ст.

Р_к = 572,2 мм рт. ст.

μ_т = 0,218 мПа∙с = 0,218∙10^-3 Па∙с

μ_к = 0,279 мПа∙с = 0,279∙10^-3 Па∙с

 

Принимаем динамический коэффициент  вязкости исходной смеси 

                                            _(4.1)

Тогда: α = 1413/572,2 = 2,48

αμ = 2,48∙0,249 = 0,617

Пусть КПД тарелок .

Пусть КПД тарелок .

Длина пути жидкости при  равна что больше 0,9м, следовательно, необходимо ввести поправку на длину пути .

 

Для сравнения рассчитывается средний  КПД тарелки η₀

η₀=                                  _(4.2)

в этой формуле безразмерные комплексы

                                                                         _(4.3)

                                                                           _(4.4)

Коэффициент диффузии

 м²/с                                                _(4.5)

Число тарелок:

в верхней части колонны:                                                _(4.6)

в нижней части колонны:                                                _(4.7)

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

Определение высоты колонны проводится по следующему уравнению:

                                                                                (4.8)

 

здесь Н_г=(N_g-1)×Н  -высота тарельчатой (рабочей ) части колонны, м;

Z_в- высота сепарационный части над верхней тарелкой, м

Z_Н-расстояние от нижней тарелки до днища колонны, м.

                                                              (4.9)

При диаметре колонны 

Тогда общая высота колонны составит:

 

      (4.10)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4. Колпачковая тарелка с диаметральным переливом жидкости.

1-диск; 2-опорный лист; 3-приёмный  порог; 4-колпачки; 5-переливной порог; 6-сменная гребёнка; 7-перегородка.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ  РАСЧЕТ

5. Гидравлический расчет тарелок

Гидравлическое сопротивление  тарелок колонны  определяется по формуле:

         (5.1)

где  и - полное гидравлическое сопротивление тарелки соответственно верхней и нижней частей, Па.

Полное гидравлическое сопротивление  тарелки складывается из трех частей:

        (5.2)

 

где  -  гидравлическое сопротивление сухой тарелки;

- гидравлическое сопротивление  газожидкостного слоя на тарелке;

- гидравлическое сопротивление,  обусловленное силами поверхностного  натяжения. Сопротивление за счет  поверхностного натяжения жидкости DР_s для колпачковых тарелок незначительно и им допускается пренебречь.

Гидравлическое  сопротивление  сухой тарелки рассчитывается по формуле:

         (5.3)

 

где - коэффициент сопротивления сухой тарелки, для колпачковых тарелок , примем ;

- средняя скорость движения  паров в колонне, м/с;

- средняя плотность паров  в колонне, кг/м³;

- доля свободного сечения  тарелки, м²/м².

Тогда

Гидравлическое сопротивление  газожидкостного слоя на тарелках различно для верхней и нижней частей колонны:

где  - ускорение свободного падения, м/с²_;

          - средняя плотность жидкости в колонне, кг/м³;

       - высота светлого слоя жидкости на тарелке.

где  - высота переливной перегородки, м;

        - линейная плотность орошения, м³/м*с, равная ;

        V – объемный расход жидкости, м³/с;

       - скорость жидкости на тарелке, м/с;

       - периметр слива, м.

Объемный расход жидкости:

В верху колонны:

    _(5.4)

В низу колонны:

       _(5.5)

 

Линейная плотность  орошения:

В верху колонны:

    (5.6)

В низу колонны:  

    (5.7)

 

Скорость жидкости на тарелке:

В верху колонны:

    (5.8)

В низу колонны:  

    (5.9)

 

  (5.10)

  (5.11)

 

Тогда

 

Тогда полное сопротивление одной  тарелки верхней и нижней частей колонны равно:

Полное гидравлическое сопротивление ректификационной колонны:

 (5.12)

Проверим, соблюдается ли при расстоянии между тарелками  (выбирается при диаметре колонны свыше ), необходимое для нормальной работы тарелок условие.

Для тарелок нижней части, у которых  гидравлическое сопротивление  больше, чем у тарелок верхней части: — вышеуказанное условие соблюдается.

 

Основной целью гидравлического  расчета является определение гидравлических сопротивлений, которые возникают в процессе прохождения пара через ректификационную колонну из куба через контактные устройства в дефлегматор. В целом общие потери напора для всех ректификационных колонн позволяют рассчитать необходимое повышение температуры кипения смеси в кубе колонны.

 

 

 

 

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ

6. Тепловой расчет

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей  воде в дефлегматоре-конденсаторе, находим по уравнению:

        _(6.1)

Здесь

 _(6.2)

 

где  и - удельные теплоты конденсации толуола и о-ксилола при 94 ^оС.

Расход теплоты, получаемой в кубе-испарителе от греющего пара, находим по уравнению:

 

 

Здесь тепловые потери приняты в  размере 3% от полезно затрачиваемой  теплоты; удельные теплоемкости взяты соответственно при ;

Расход теплоты в паровом  подогревателе исходной смеси:

Здесь тепловые потери приняты в  размере 5%, удельная теплоемкость исходной смеси взята при средней температуре (128,0+25)/2=76,5 ^оС.

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей  воде в водяном холодильнике дистиллята:

где удельная теплоемкость дистиллята  взята при средней температуре (112,5+10)/2=61,25^оС.