Расчет ректификационной колонны (стр. 1 из 7)
Введение
Ректификация – массообменный процесс разделения однородной смеси летучих компонентов, осуществляемый путем противоточного многократного взаимодействия паров, образующихся при перегонке, с жидкостью, образующейся при конденсации этих паров.
Разделение жидкой смеси основано на различной летучести веществ. При ректификации исходная смесь делится на две части: дистиллят – смесь, обогащенную низкокипящим компонентом (НК), и кубовый остаток – смесь, обогащенную высококипящим компонентом (ВК).
Процесс ректификации осуществляется в ректификационной установке, основным аппаратом которой является ректификационная колонна, в которой пары перегоняемой жидкости поднимаются снизу, а навстречу парам стекает жидкость, подаваемая в виде флегмы в верхнюю часть аппарата.
Процесс ректификации может протекать при атмосферном давлении, а также при давлениях выше и ниже атмосферного. Под вакуумом ректификацию проводят, когда разделению подлежат высококипящие жидкие смеси. Повышенное давление применяют для разделения смесей, находящихся в газообразном состоянии при более низком давлении. Атмосферное давление принимают при разделении смесей, имеющих температуру кипения от 30 до 150ْ С.
Степень разделения смеси жидкостей на составляющие компоненты и чистота получаемых дистиллята и кубового остатка зависят от того, насколько развита поверхность контакта фаз, от количества подаваемой на орошение флегмы и устройства ректификационной колонны.
Ректификация известна с начала XIX века как один из важнейших технологических процессов главным образом спиртовой и нефтяной промышленности. В настоящее время ректификацию все шире применяют в самых различных областях химической технологии, где выделение компонентов в чистом виде имеет весьма важное значение (в производствах органического синтеза, изотопов, полимеров, полупроводников и различных других веществ высокой чистоты).
1. Расчет ректификационной колонны
1.1 Материальный баланс процесса
Составляем материальный баланс для определения количеств и состава веществ, участвующих в процессах ректификации.
Материальный баланс колонны, обогреваемой паром:
, (1.1)где GF—производительность установки по исходной смеси, GД –производительность установки по дистилляту, GW— производительность установки по кубовому остатку.
Материальный баланс для НК:
, (1.2)где хF, xД, хW— массовая доля легколетучего компонента в исходной смеси, дистилляте, кубовом остатке соответственно. Преобразуем выражение (1.2)
,3,06·28=(3,06-GW)86+ GW ·0,5,
3,06·28=3,06·86- GW ·86+ GW ·0,5,
85,68=263,16- GW ·85,5,
,GW =2,08 кг/с.
Из уравнения (1.1) определяем расход дистиллята, кг/с.
GД=GF-- GW,
GД =3,06-2,08=0,98 кг/с.
Для дальнейших расчётов выразим концентрации исходной смеси, дистиллята и кубового остатка в мольных долях.
Исходная смесь:
. (1.3)Дистиллят:
. (1.4)Кубовый остаток:
, (1.5)где Мв ,М э— молярная масса воды и этилового спирта соответственно. Мв =18, М э=46.
, 
, 
.1.2 Определение минимального флегмового числа
Для определения минимального флегмового числа строим кривую равновесия, предварительно выполнив расчет равновесного состава жидкости и пара смеси этанол—вода.
Таблица 1— Равновесный состав жидкости и пара смеси этиловый спирт—вода
| t, ْC | х, мол | у, мол |
| t=100 | 0 | 0 |
| t=90,5 | 0,05 | 0,332 |
| t=86,5 | 0,1 | 0,442 |
| t=83,2 | 0,2 | 0,531 |
| t=81,7 | 0,3 | 0,576 |
| t=80,8 | 0,4 | 0,614 |
| t=80 | 0,5 | 0,654 |
| t=79,4 | 0,6 | 0,699 |
| t=79 | 0,7 | 0,753 |
| t=78,6 | 0,8 | 0,818 |
| t=78,4 | 0,9 | 0,898 |
| t=78,4 | 1,0 | 1,0 |
Проводим прямую CВ, для этого на диагонали наносим точку С с абсциссой хД=0,71, а на кривой равновесия точку В с абсциссой хF=0,132 (см. прил.) Измерив отрезок вмах, отсекаемый прямой СВ на оси ординат находим Rmin по формуле:
, (1.6)откуда выражаем значение минимального флегмового числа:
, 
.В уравнение рабочих линий входит рабочее флегмовое число R, определяемое как
, (1.7) 
1.3 Построение рабочих линий укрепляющих и исчерпывающей частей колонны. Определение числа теоретических тарелок
Чтобы определить количество тарелок, надо графически изобразить линии рабочего процесса в колонне. Колонну непрерывного действия от места ввода исходной смеси делят на две части: верхняя часть колонны называется укрепляющей, а нижняя часть— исчерпывающей. При построении линий рабочих концентраций укрепляющей и исчерпывающей части колонны откладываем на оси ординат отрезок ОД, длина которого определяется соотношением:
, (1.8) 
Через точки С и Д проводим прямую СД, а через точку В—вертикаль до пересечения с линией СД и получаем точку В1, соединив ее с А и С, получаем СВ1 – линия рабочих концентраций укрепляющей части колонны, АВ1 – линия концентраций исчерпывающей части колонны.
Число теоретических тарелок определяем путем построения ступенчатой линии между линией равновесия и линиями рабочих концентраций в пределах от хД до хW. Количество теоретических тарелок в нижней части –3, в верхней части колонны — 5. Всего 8 теоретических тарелок.
1.4.1 Определение КПД тарелки
Для выбора КПД тарелки η воспользуемся обобщенным опытным графиком [5, рис. 90]
В зависимости КПД от произведения относительной летучести α на коэффициент динамической вязкости µ перегоняемой смеси.
Относительная летучесть α, динамические коэффициенты вязкости смеси µ и отдельных компонентов определяются при температурах кипения исходной смеси, дистиллята и кубового остатка, определяемые по диаграмме t –x,y (см. прил).
Относительную летучесть находим по формуле:
, (1.9)где Рэ, Рв – давление насыщенного пара низкокипящего и высококипящего компонента соответственно, Па.
Для исходной смеси:
t=85°C
,для дистиллята:
t=79°С
,для кубового остатка:
t=99°C
.По номограмме V [4] определяем коэффициент динамической вязкости:
t=85°C µэ=0,38·10-3 Па µв=0,299·10-3 Па
t=79°С µэ=0,44 ·10-3 Па µв=0,344·10-3 Па
t=99°C µэ=0,3·10-3 Па µв=0,287 ·10-3 Па
Вязкость исходной смеси, дистиллята и кубового остатка определяем по формуле:
, (1.10)где хЭ , хВ – молярные доли компонентов (воды и этилового спирта);
µэ, µв – вязкость компонентов жидкой смеси при температуре смеси.
Для исходной смеси:
, 
Для дистиллята:
, 
Для кубового остатка:
, 
Определяем произведение α,µ и выбираем соответствующее КПД [5]:
η1=0,53, 
η2=0,5, 
η3=0,59.Средний КПД тарелки:
, (1.11) 
.Для укрепляющей части колонны действительное число тарелок
, 
.