реферат, рефераты скачать Информационно-образоательный портал
Рефераты, курсовые, дипломы, научные работы,
реферат, рефераты скачать
реферат, рефераты скачать
МЕНЮ|
реферат, рефераты скачать
поиск
Расчет двух ректификационных установок непрерывного действия для разделения смеси этилацетат – толуол

Расчет двух ректификационных установок непрерывного действия для разделения смеси этилацетат – толуол

ВВЕДЕНИЕ


Ректификация - массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаев в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными используемыми в процессе абсорбции. Поэтому методы подхода к расчету и проектированию ректификационных и абсорбционных установок имеют много общего. Тем не менее ряд особенностей процесса ректификации (различное соотношение нагрузок по жидкости и пару в нижней и верхней частях колонны, переменные по высоте колонны физические свойства фаз и коэффициент распределения, совместное протекание процессов массо- и теплопереноса) осложняет его расчет.

Одна из сложностей заключается в отсутствии обобщенных закономерностей для расчета кинетических коэффициентов процесса ректификации. В наибольшей степени это относится к колоннам диаметром более 800 мм с насадками и тарелками, широко применяемым в химических производствах. Большинство рекомендаций сводится к использованию для расчета ректификационных колон кинетических зависимостей, получаемых при исследовании абсорбционных процессов.

Большое разнообразие тарельчатых контактных устройств затрудняет выбор оптимальной конструкции тарелки. При этом наряду с общими требованиями (высокая интенсивность единицы объема аппарата, его стоимость и др.) ряд требований может определяться спецификой производства: большим интервалом устойчивой работы при изменении нагрузок по фазам, способность тарелок работать в среде загрязненных жидкостей, возможностью защиты от коррозии и т.п. Зачастую эти качества становятся превалирующими, определяющими пригодность той или иной конструкции для использования в каждом конкретном процессе.

Размеры тарельчатой колонны (диаметр и высота) обусловлены нагрузками по пару и жидкости, типом контактного устройства (тарелки), физическими свойствами взаимодействующих фаз.

Ректификацию жидкостей, не содержащих взвешенные частицы и не инструктирующих, при атмосферном давлении в аппаратах большой производительности часто осуществляют на ситчатых переточных тарелках.


1- емкость для исходной смеси; 2, 9 – насосы; 3 – теплообменник-подогреватель; 4 – кипятильник; 5 – ректификационная колонна; 6 – дефлегматор; 7 – холодильник дистиллята; 8 – емкость для сбора дистиллята; 10 – холодильник кубовой жидкости; 11 – емкость для кубовой жидкости

Рисунок 1 – Принципиальная схема ректификационной установки


Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рис.1. Исходную смесь из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подают в теплообменник 3, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси xp.

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении в кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка xw, т.е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава xp, получаемой в дефлегматоре 6 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения – дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в промежуточную емкость 8.

Из кубовой части колонны насосом 9 непрерывно выводится кубовая жидкость – продукт обогащены труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 10 и направляется в емкость 11.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента) и кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).



1. Ректификационной колонны непрерывного действия

1.1           Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число


Производительность колонны по дистилляту Р и кубовому остатку W определим из уравнений материального баланса колонны:


 (1.1)


где F, P и W – производительность колонны по исходному веществу, по дистилляту и по кубовому остатку, соответственно, кг/с.


 (1.2)

Отсюда находим:

 (1.3)


где ,  и  - массовые доли по дистилляту, исходной смеси и кубового остатка, соответственно, кг/кг смеси.

Пересчитаем составы фаз из мольных долей в массовые доли по соотношению:


 (1.4)


где ,  и  - мольные доли по дистилляту, исходной смеси и кубового остатка соответственно, кмоль/кмоль смеси;

,  - молекулярные массы соответственно этилацетата и толуола, кг/кмоль.

 (1.5)

 (1.6)

кг/кг смеси

 кг/кг смеси

 кг/кг смеси


Находим производительность по кубовому остатку:


 кг/с


Находим производительность колоны по дистилляту:


 кг/с


Нагрузки ректификационной колоны по пару и жидкости определяется рабочим флегмовым числом R; его оптимальное значение Rопт можно найти путём технико-экономического расчёта. Ввиду отсутствия надёжной методики оценки Rопт используют приближённые вычисления, основанные на определении коэффициента избытка флегмы (орошения)  Здесь  - минимальное флегмовое число:


 (1.7)

где  и  - мольные доли легколетучего компонента соответственно в исходной смеси и дистилляте, кмоль/кмоль смеси;

  - концентрация легколетучего компонента в паре, находящемся в равновесии с исходной смесью, кмоль/кмоль смеси.

Один из возможных приближённых методов расчёта R заключается в нахождении такого флегмового числа, которому соответствует минимальное произведение N(R+1), пропорциональное объёму ректификационной колонны (N – число ступеней изменения концентрации или теоретических тарелок, определяющее высоту колонны, а (R+1) − расход паров и, следовательно, сечение колонны).



Задавшись различными значениями коэффициентов избытка флегмы , определим соответствующие флегмовые числа.


 (1.8)


Графическим построением ступеней изменения концентраций между равновесной и рабочими линиями на диаграмме состав пара Y – состав жидкости X, находим число ступеней N. Равновесные данные приведены в справочнике [3 с.36].

Результаты расчётов рабочего флегмового числа, представлены на рисунке 7 и приведены ниже:         


1,050

1,350

1,750

2,350

3,300

R

0,903

1,161

1,505

2,021

2,838

N

11

7,8

6,8

6

5,5

N(R+1)

53,447

46,935

47,000

51,766


Рисунок 7 – Определение рабочего флегмового числа.


Минимальное произведение N(R+1) соответствует флегмовому числу R=1,21При этом коэффициент избытка флегмы β=1,210/0,860=1,4 На рисунке , изображены рабочие линии и ступени изменения концентраций для верхней (укрепляющей) и нижней (исчерпывающей) частей колоны в соответствии с найденным значением R.

Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости для верхней и нижней частей колонны определяют из соотношений:


 (1.9)

 (1.10)


где  и  - мольные массы дистиллята и исходной смеси;

 и  - средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны.

Мольную массу дистиллята в данном случае можно принять равной мольной массе легколетучего компонента – этилацетат. Средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равны:


 (1.11)

 (1.12)


где  и  - мольные массы этилацетата и толуола;

 и  - средний мольный состав жидкости соответственно в верхней и нижней частях колонны:

Тогда


Мольная масса исходной смеси:



Подставим рассчитанные величины в уравнения (1.9) и (1.10), получим:



Средние массовые потоки пара в верхней  и нижней  частях колоны соответственно равны:


 (1.13)

 (1.14)


где  и  - средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны:


 (1.15)

 (1.16)


где  и  - мольные массы этилацетата и толуола, [3 c.36];

  и  - средний мольный состав пара соответственно в верхней и нижней частях колонны:


Тогда


Подставим численные значения в уравнение , получим:



1.2 Скорость пара и диаметр колонны


Найдём плотности жидкости ,  и пара ,  в верхних и нижних частях колонны, при средних температурах в них .

Средние температуры паров определим по диаграмме  по средним составам фаз:

tв=73,6 оС tн=88,1 оС [приложение А Диаграмма 1].

Тогда

 (1.18)

  (1.19)


Отсюда получим:



Плотность физических смесей жидкостей подчиняется закону аддитивности:


 (1.20)


где  - объёмная доля компонента в смеси;

,  - плотности компонентов, при средней температуре жидкости вверху и внизу колонны, кг/м3.

Произведём пересчёт из мольных долей в объёмные доли для этилацетата вверху колонны:


 (1.21)


где  - мольная доля этилацетата в дистилляте;

,,,  - плотности и мольные массы этилацетата и толуола при 20 0С соответственно,[3 c.36]..


Произведём пересчёт из мольных долей в объёмные доли для этилацетата в кубовой части колонны:


 


где  - мольная доля этилацетата в кубовой части колонны;

,,,  - плотности и мольные массы этилацетата и толуола при 20 0С соответственно, [3 c.36].



Подставим в уравнение (1.20), получим:



Вязкость жидких смесей  находим по уравнению:


 (1.22)


где  и  - вязкости жидких этилацетата и толуола при температуре смеси, Па∙с

[2 рис. V c. 556].

 


Предельная скорость паров в верхней части колонны :



Предельная скорость паров в нижней части колонны :



Примем рабочую скорость  на 30% ниже предельной:


 


Диаметр колонны ректификационной колонны определим из уравнения расхода:


 (1.23)


Отсюда диаметр верхней и нижней части колонны равны соответственно:


Рационально принять стандартный диаметр обечайки  [1 разд. 5.1.4 с. 197], одинаковым для обеих частей колонны. При этом действительные рабочие скорости паров в колонне равны:


 


что составляет соответственно 43% и 34% от предельных скоростей.


1.3 Высота насадки


Высоту насадки Н определяют по модифицированному уравнению массопередачи:


 (1.24)


где  - общее число единиц переноса по паровой фазе;

 - общая высота единицы переноса, м.

Общее число единиц переноса вычисляют по уравнения:


 (1.25)


Решим этот интеграл методом графического интегрирования:


 (1.26)

где S – площадь, ограниченная кривой, ординатами  и осью абсцисс рис. 8; Мх, Мy – масштабы осей координат.

Данные для графического изображения функции  приведены ниже:


y

y*-y

1/(y*-y)


y

y*-y

1/(y*-y)

0,020

0,043

23,26


0,629

0,096

10,42

0,064

0,060

16,67


0,703

0,092

10,87

0,097

0,068

14,70


0,8

0,075

13,34

0,137

0,079

12,66


0,837

0,061

16,39

0,265

0,100

10,00


0,867

0,05

20,00

0,391

0,084

11,90


0,899

0,035

28,57

0,500

0,064

15,62


0,928

0,027

37,04

0,528

0,072

13,89


0,953

0,022

45,45

0,545

0,080

12,50


0,967

0,018

55,55

0,564

0,086

11,63


0,970

0,015

66,67


Рисунок 8 – Графическое определение общего числа единиц переноса в паровой фазе для верхней (укрепляющей) части колонны в интервале изменения состава пара от уF до уР и для нижней (исчерпывающей) – в интервале от от уW до уF.

По рисунку находим общее число единиц переноса в верхней  и нижней  частях колонны:


; .


Общую высоту единиц переноса  определим по уравнению аддитивности:

 (1.27)


где  и  - частные высоты единиц переноса соответственно в жидкой и паровой фазах;

 - средний коэффициент распределения в условиях равновесия для соответствующей части колоны.

Отношение нагрузок по пару и жидкости G/L, кмоль/кмоль, равно:

для верхней части колонны


 (1.28)


для нижней части колонны


 (1.29)

где

 (1.30)


Подставив численные значения, получим:



Высота единицы переноса в жидкой фазе


 (1.31)


где  - коэффициенты, определяемые по рисунку;

 - критерий Прандтля для жидкости;

 - высота слоя насадки одной секции, которая из условия прочности опорной решётки и нижних слоёв насадки, а также из условия равномерности распределения жидкости по насадке не должна превышать 3 м.

Высота единиц переноса в паровой фазе


 (1.32)


где  - коэффициент, определяемые по рисунку ;

 - критерий Прандтля для пара;

 - массовая плотность орошения, кг/(м2с);

 - диаметр колонны, м;



Поверхностное натяжение  для верхней части колонны, принимаем поверхностное натяжение легколетучего компонента при температуре верха колонны, а поверхностное натяжение для нижней части колонны, принимаем поверхностное натяжение для тяжело кипящего компонента при температуре низа колонны.

Необходимо определить вязкость паров и коэффициенты диффузии в жидкой  и паровой  фазах. Вязкость паров для верхней части колонны:

 (1.33)


где  и  - вязкость паров этилацетата и толуола при средней температуре верхней части колонны, [3 c.36], мПас;

Примечание: так как нет надёжных данных для определения вязкости паров этилацетата, поэтому берём вязкость паров для диэтилового эфира.

 - средняя концентрация паров:  

Подставив, получим:



Аналогично расчётом для нижней части колонны находим


 (1.34)

Страницы: 1, 2



© 2003-2013
Рефераты бесплатно, рефераты литература, курсовые работы, реферат, доклады, рефераты медицина, рефераты на тему, сочинения, реферат бесплатно, рефераты авиация, курсовые, рефераты биология, большая бибилиотека рефератов, дипломы, научные работы, рефераты право, рефераты, рефераты скачать, рефераты психология, рефераты математика, рефераты кулинария, рефераты логистика, рефераты анатомия, рефераты маркетинг, рефераты релиния, рефераты социология, рефераты менеджемент.