Проект ректификационной установки непрерывного действия для разделения смеси метиловый - этиловый спирт (стр. 2 из 7)
Когда жидкость достигает нижней тарелки, она становится практически чистым ВК и поступает в кипятильник, обогреваемый глухим паром или другим теплоносителем.
На некотором расстоянии от верха колонны к жидкости из дефлегматора присоединяется исходная смесь, которая поступает на так называемую питающую тарелку колонны. Для того чтобы уменьшить тепловую нагрузку кипятильника, исходную смесь обычно предварительно нагревают в подогревателе до температуры кипения жидкости на питающей тарелке.
Питающая тарелка как бы делит колонну на две части, имеющие различное назначение. В верхней части (от питающей до верхней тарелки) должно быть обеспечено, возможно, большее укрепление паров, т. е. обогащение их НК с тем, чтобы в дефлегматор направлялись пары, близкие по составу к чистому НК. Поэтому данная часть колонны называется укрепляющей. В нижней части (от питающей до нижней тарелки) необходимо в максимальной степени удалить из жидкости НК, т. е. исчерпать жидкость для того, чтобы в кипятильник стекала жидкость, близкая по составу к чистому ВК. Соответственно эта часть колонны называется исчерпывающей.
В дефлегматоре могут быть сконденсированы либо все пары, поступающие из колонны, либо только часть их, соответствующая количеству возвращаемой в колонну флегмы. В первом случае часть конденсата, остающаяся после отделения флегмы, представляет собой дистиллят (ректификат), или, верхний продукт, который после охлаждения в холодильнике 6 направляется в сборник дистиллята. Во втором случае несконденсированные в дефлегматоре пары одновременно конденсируются и охлаждаются в холодильнике, который при таком варианте работы служит конденсатором-холодильником дистиллята,
Жидкость, выходящая из низа колонны (близкая по составу ВК), также делится на две части. Одна часть, как указывалось, направляется в кипятильник, а другая — остаток (нижний продукт) после охлаждения водой в холодильнике направляется в сборник
Физико-химические характеристики продукта
Продуктом этой смеси являются метиловый и этиловый спирты.
Метиловый спирт
Молекулярный вес32 кг/моль
Плотность 792 кг/м3 при 20оС
Температура кипения 64,509оС
Бесцветная жидкость
Этиловый спирт
Молекулярный вес 46 кг/моль
Плотность 789 кг/м3 при 20оС
Температура кипения 76,605оС
Бесцветная жидкость
Используя опытные данные о равновесии между жидкостью и паром или расчетные. Равновесные данные для указанной бинарной системы при заданном давлении в ректификационной колонне заносят в таблицу 1.
Таблица 1 – Равновесные составы жидкостей (х) и пара (у) в мол % и температуре кипения (t) ºС двойных смесей при атмосферном давлении.
| х, % мольн | у, % мольн | t, оС | P, мм рт ст |
| 0,0 | 0 | 78,3 | 760 |
| 13,4 | 18,3 | 76,3 | |
| 24,2 | 32,6 | 75 | |
| 32,0 | 42,8 | 73,6 | |
| 40,1 | 52,9 | 72,3 | |
| 43,5 | 56,6 | 71,7 | |
| 54,2 | 67,6 | 70 | |
| 65,2 | 75,9 | 68,6 | |
| 72,8 | 81,3 | 67,7 | |
| 79,0 | 85,8 | 66,9 | |
| 81,4 | 87,5 | 66,6 | |
| 87,3 | 91,9 | 65,8 | |
| 91,0 | 93,7 | 65,6 | |
| 100 | 100 | 64,5 |
Материальный баланс всей ректификационной колонны может быть представлен двумя уравнениями: по всему продукту
,по легколетучему компоненту
,где хf, хD, хw – молярные составы (мольные доли) низкокипящего компонента (НК) соответственно в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке.
Для дальнейших расчетов необходимо концентрации исходной смеси дистиллята и кубового остатка выразить в массовых долях.
; 
; 
,где хА – мольная доля низкокипящего компонента в жидкости;
МА – молекулярная масса низкокипящего компонента, кг/кмоль;
МВ – молекулярная масса высококипящего компонента, кг/кмоль.
Молекулярная масса метилового спирта – 32 кг/кмоль, этилового спирта – 46 кг/кмоль.
Массовый расход исходной смеси, кг/с, определим по формуле
кг/сМассовый расход кубового остатка, кг/с, определим по формуле
Gw = Gf – Gd = 8,13-1,32=7,81кг/с
По имеющимся данным о равновесии между жидкостью и паром строим изобары температур кипения и конденсации смеси t=f(x,y) (Рисунок 1) и линию равновесия на диаграмме y=f(x) (Рисунок - 1).
Рисунок 1- Зависимость температур кипения и конденсации от состава фаз
Затем рассчитаем минимальное флегмовое число
Rmin=( xd– у*f )/( у*f – xf )=( 0.95 - 0.3)/(0.3-0.22) = 8,06
где у*f- мольная доля НКК в паре, равновесном с исходной смесью, определяется по диаграмме х-у (рис 2) у*f= 0,3
Оптимальное флегмовое число определим из условия получения минимального объема колонны, пропорционального произведению nT(R+1),где nT–число ступеней изменения концентрации (теоретическое число тарелок).
Таблица 2- Данные для расчета оптимального флегмового числа
| β | R= β Rmin | В | nт | nт(R+1) |
| 1,1 | 8,87 | 0,09 | 17 | 167,7 |
| 1,2 | 9,67 | 0,08 | 15 | 160,05 |
| 2,0 | 16,1 | 0,05 | 12 | 205,2 |
| 2,8 | 22,57 | 0,04 | 11 | 259,3 |
| 3,6 | 29,02 | 0,03 | 10 | 300,2 |
Строим график зависимости nт(R+1) от R. Находим min точку и опускаем из неё перпендикуляр на ось Х. Эта точка и будет являться оптимальным флегмовым числом. В нашем случае Rопт=9,67.
Рисунок2 – Определение оптимального флегмового числа.
Уравнение рабочих линий
А) Верхней (укрепляющей) части колонны
Б) Нижней (исчерпывающей) части колонны
1.2 Определение скорости пара и диаметра колонны
Рассчитываем средние концентрации низкокипящего компонента в жидкости:
а) верхней (укрепляющей) части колонны:
; 
.б) нижней (исчерпывающей) части колонны:
; 
.Средние температуры пара определяем по t - x,y (Рисунок 1):
а) при
;б) при
.Средняя плотность жидкости в колонне:
где: ρА,ρВ – плотности низкокипящего и высококипящего компонентовпри средней температуре в колонне, соответственно, кг/м3
а) верхней (укрепляющей) части колонны:
б) нижней (исчерпывающей) части колонны:
Для колоны в целом:
Рассчитываем средние концентрации низкокипящего компонента в паре:
yF – концентрация низкокипящего компонента в паре на питающей тарелке. Определяется в точке пересечения линий рабочих концентраций, построенных при оптимальном флегмовом числе R=9,67.
yF=0,29
а) верхней (укрепляющей) части колонны:
.б) нижней (исчерпывающей) части колонны:
.Средние температуры пара определяем по t - x,y (рис.4):
а) при
;б) при
.Средние мольные массы и плотности пара:
а) в верхней части колонны
;б)в нижней части колонны
.Средняя плотность пара в колонне:
;а) в верхней части колонны