задача.Расчет тарельчатой ректификационной колонны. Задача. Дано Рассчитать ректификационную колонну для разделения смеси хлороформ бензол. Решение
![]()
|
Расчет тарельчатой ректификационной колонныЗадача. Дано: ![]() ![]() Рассчитать ректификационную колонну для разделения смеси хлороформ – бензол. Решение: 1. Материальный баланс ![]() ![]() Проверяем: ![]() ![]() Для дальнейших расчетов необходимо концентрации питания, дистиллята и кубового остатка выразить в молярных долях. Посчитаем молярные массы веществ участников реакции: МХ(CHCl3) = 119,5 г/моль; MБ(C6Н6) = 78 г/моль. Питание: ![]() ![]() Дистиллят: ![]() Кубовый остаток: ![]() ![]() Относительный мольный расход питания: ![]() Минимальное число флегмы: ![]() ![]() где ![]() Рабочее число флегмы: R = 1,3*Rmin + 0,3 = 1,3*0,221+ 0,3 = 0,58 Уравнение рабочих линий: а) верхней (укрепляющей) части колонны: ![]() б) нижней (исчерпывающей) части колонны: ![]() 2. Определение скорости пара и диаметра колонны. Средние составы пара: а) в верхней части колонны: ![]() ![]() б) в нижней части колонны: ![]() Средние составы пара находим по уравнениям рабочих линий: а) в верхней части колонны: ![]() ![]() ![]() б) в нижней части колонны: ![]() ![]() ![]() Средние температуры пара определяем по диаграмме t-y,x: ![]() а) при ![]() ![]() б) при ![]() ![]() Средние мольные массы и плотности пара: а) ![]() ![]() ![]() ![]() б) ![]() ![]() ![]() ![]() Средняя плотность пара в колонне: ![]() Температура вверху колонны при ХD = 0,969, t = 63 ºС, а в кубе–испарителе при ХW= 0,011, t = 79º С. Плотность хлороформа при t = 63 ºС pх= 1405 кг/м3, а бензола при t = 79ºС – pб = 823,5 кг/м3. Средняя плотность жидкости в колонне: ![]() Расстояние между тарелками h=300мм. Для ситчатых тарелок по графику находим с = 0,032. Определим скорость пара в колонне по следующему уравнению: ![]() ![]() Объемный расход, проходящего через колонну пара при средней температуре в колонне: ![]() ![]() ![]() Диаметр колонны: ![]() По каталогу-справочнику принимаем D = 3000мм Тогда скорость пара в колонне будет равна: ![]() 3. Гидравлический расчет тарелок. Принимаем следующие значения ситчатой тарелки: диаметр отверстия d0 = 4 мм; высота сливной перегородки hп = 40 мм; свободное сечение тарелки (суммарная площадь отверстий) 8% от общей площади тарелки; площадь, занимаемая двумя сегментными переливными стаканами, составляет 20% от общей площади тарелки. Сопротивление пароожиженного слоя на тарелке: а) верхняя часть колонны. Гидравлическое сопротивление сухой тарелки: ![]() где ![]() ![]() Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения: ![]() где σ = 20,6*10-3 Н/м – поверхностное натяжение жидкости при средней температуре в верхней части колонны 96,60 С; d0 = 0,004 м – диаметр отверстий тарелки. Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке: ![]() Высота парожидкостного слоя: hпж = hп + ∆h где величина ∆h – высота слоя над сливной перегородкой Vж – объемный расход жидкости, м3/с; П – периметр сливной перегородки, м; k = ![]() жидкости. Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения: ![]() Объемный расход жидкости в верхней части колонны: ![]() Периметр сливной перегородки П находим решая систему уравнений: ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Решение даёт: П = 1,14 м; b = 0,53 м. Находим Δh: ![]() Высота парожидкостного слоя: ![]() Общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части: ![]() б) нижняя часть колонны. Гидравлическое сопротивление сухой тарелки: ![]() Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения: ![]() где σ = 19,8*10-3 Н/м – поверхностное натяжение жидкости при средней температуре в верхней части колонны 1050 С; d0 = 0,004 м – диаметр отверстий тарелки. Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке: ![]() Высота парожидкостного слоя: hпж = hп + ∆h = 0,04 + 0,0202 = 0,0602м. где величина ∆h – высота слоя над сливной перегородкой Vж – объемный расход жидкости, м3/с; П – периметр сливной перегородки, м; k = ![]() жидкости. Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения: ![]() ![]() Объемный расход жидкости в нижней части колонны: ![]() Находим Δh: ![]() Общее гидравлическое сопротивление тарелки в нижней части: ![]() 4. Определение числа тарелок и высоты колонны. ![]() а) наносим на диаграмму у – х рабочие линии верхней и нижней части колонны и находим число ступеней изменения концентрации пт. Всего 9 ступеней. Число тарелок рассчитывается по уравнению: п = ![]() ![]() Для определения среднего к.п.д. тарелок η находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов: α = ![]() Динамическая вязкость хлороформа при 100 °С ![]() ![]() ![]() Принимаем динамическую вязкость смеси исходного состава как среднее арифметическое значение: Тогда ![]() ![]() Длина пути, проходимого жидкостью по тарелке: ![]() где b = 0,53. По значению длины пути находим значение поправки на длину пути. Так как она очень мала, то ею можно пренебречь. Средний КПД тарелок определяется по уравнению: ![]() Для сравнения рассчитывают средний КПД тарелки ![]() ![]() В этой формуле безразмерные комплексы: ![]() где w – скорость пара в колонне, м/с; Sсв – относительная площадь свободного сечения тарелки; hп – высота сливной перегородки, м; ρп и ρж – плотности пара и жидкости, кг/м3; Dж – коэффициент диффузии легколетучего компонента в исходной смеси; σ – поверхностное натяжение жидкости питания, Н/м. Коэффициент диффузии легколетучего компонента в исходной смеси: ![]() ![]() ![]() Молекулярный объем диффундирующего вещества равен: ![]() ![]() ![]() ![]() Число тарелок определяется по наименьшему благоприятному значению ![]() а) в верхней части колонны: ![]() в) в нижней части колонны: ![]() Общее число тарелок n = 20. С запасом принимаем 25 тарелок, из них 13 тарелок в верхней части и 12 в нижней. Высота тарельчатой части колонны: Общее гидравлическое сопротивление тарелок: ![]() ![]() 5. Тепловой расчет. Тепловой поток, отдаваемый охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе: QД = ![]() Здесь ![]() где RБ, RХ- удельная теплота конденсации CHCl3 и C6H6.Расход теплоты, получаемой в кубе-испарителе от греющего пара: ![]() Здесь тепловые потери Qпот приняты в размере 3%. Тепловой поток в паровом подогревателе исходной смеси: ![]() Здесь тепловые потери Qпот приняты в размере 5%, удельная теплоемкость смеси ![]() ![]() Тепловой поток, отдаваемый охлаждающей воде в холодильнике дистиллята: ![]() где удельная теплоемкость дистиллята ![]() ![]() Тепловой поток, отдаваемый охлаждающей воде в холодильнике кубового остатка: ![]() где удельная теплоемкость кубового остатка ![]() ![]() Расход греющего пара, имеющего давление pабс=4 Па и влажности 5%: а) в кубе-испарителе: ![]() б) в подогревателе исходной смеси: ![]() Общий расход греющего пара на установку: ![]() Расход охлаждающей воды при нагреве ее на 200С: а) в дефлегматоре ![]() б) в водяном холодильнике дистиллята ![]() в) в водяном холодильнике кубового остатка ![]() Общий расход охлаждающей воды на всю установку ![]() Вывод: Рассчитали ректификационную колонну непрерывного действия с ситчатыми тарелками Список литературы. 1. Тынерский Ю.В. Процессы и аппараты химической технологии. В 2-х кн. Часть 2. Массообменные процессы и аппараты.- М.: «Химия», 1995 г. 2. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов - Л.: «Химия», 1987 г. 3. Справочник химика. М.: «Химия», 1996г. 4. КасаткинА. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. – М.: «Госхимиздат», 1961г. |