Реферат: Расчет разделения смеси диоксан-толуол в насадочной ректификационной колонне

Расчет ректификационной колонны сводится к определению ее основных геометрических размеров — диаметра и высоты. Оба параметра в значительной мере определяются гидродинамическим режимом работы колонны, который, в свою очередь, зависит, от скоростей и физических свойств фаз, а также от типа и размеров насадок.

При проведении процессов вакуумной ректификации с целью снижения гид­равлического сопротивления выбирают специальные виды насадок, обладающих боль­шим свободным объемом. Наиболее правильно выбор оптимального типа и размера насадки может быть осуществлен на основе технико-экономического анализа общих затрат на разделение в конкретном технологическом процессе.

Ориентировочный выбор размера насадочных тел можно осуществить исходя из следующих соображений. Чем больше размер элемента насадки, тем больше ее сво­бодный объем (живое сечение) и, следовательно, выше производительность. Однако вследствие меньшей удельной поверхности эффективность крупных насадок несколько ниже. Поэтому насадку большого размера применяют, когда требуются высокая произ­водительность   и   сравнительно   невысокая   степень   чистоты   продуктов   разделения.

В ректификационных колоннах для разделения агрессивных жидкостей, а также в тех случаях, когда не требуется частая чистка аппарата, обычно применяют керамические кольца Рашига. Но вследствие малой удельной поверхности таких колец и плохой разделяемости данной жидкости для данного случая примем насадку из керамических колец Палля размером 35х35х4. Удельная поверхность такой насадки а=165 м2/м3, свободный объём ε=0,76 м3/м3, насыпная плотность 540 кг/ м3 , dэ=0,018, число штук в м3 18500.

Насадочные колонны могут работать в различных гидродинамических режимах: пленочном, подвисания и эмульгирования. В колоннах большой производительности с крупной насадкой осуществление процесса в режиме эмульгирования приводит к резкому уменьшению эффективности разделения, что объясняется существенным воз­растанием обратного перемешивания жидкости и значительной неравномерностью скорости паров по сечению аппарата. Ведение процесса в режиме подвисания затруднено вследствие узкого интервала изменения скоростей пара, в котором этот режим существует. Поэтому выберем плёночный режим работы колонны.

3.2 Материальный баланс и рабочее флегмовое число

Обозначим массовый расход дистиллята через GD кг/с, кубового остатка GW  кг/с, исходной GF кг/с.

Из уравнений материального баланса ректификационной колонны непрерывного действия:

GF = GD + GW;                                                                                        (3.1)  

GFXF = GDXD+ GWXW,                                                                          (3.2)

где GF , GD ,GW – массовые  расходы питания, дистиллята и кубового остатка; XF, XD, XW – содержание легколетучего компонента в питании, дистилляте и кубовом остатке, массовые доли.  

          Для расчетов выразим концентрации питания, дистиллята и кубового остатка в массовых долях , X.

X = x∙MД/(x∙MД + (1 – x)∙MТ),                                                                       (3.3)

где MД=88, MТ=92 – мольные массы диоксана и толуола.

XF = (88∙0,45)/(88∙0,45 + (1 – 0,45)∙92) = 0,439 кг/кг смеси.

XD = (88∙0,9)/(88∙0,9 + (1 – 0,9)∙92) = 0,896 кг/кг смеси.

XW = (88∙0,02)/(88∙0,02 + (1 – 0,02)∙92) = 0,019 кг/кг смеси.

          Из уравнений материального баланса

GF =  GW +1000   

GF∙0,439 = GW∙0,019 +1000∙0,896

GF=2088 кг/ч = 0,580 кг/с; GW = 1088 кг/ч = 0,302 кг/с; GD=0,278 кг/с.

Определяем минимальное число флегмы по уравнению:

RMIN = (XD-Y*F)/(Y*F–XF);                                                                       (3.4)

где Y*F = 0,54- мольная доля диоксана в паре (из приложения Д).

RMIN = (0,9 – 0,54)/(0,54 – 0,45) = 4.

          Задавшись различными значениями коэффициентов избытка флегмы β, определим соответствующие флегмовые числа. Графическим построением ступеней изменения концентраций между равновесной и рабочей линиям на диаграмме состав параY – состав жидкости X находим N [1]. Определение N приведены в приложениях А, Б, В, Г, а результаты в таблице 3.2:     

Таблица 3.2

β	1,05	1,35	1,75	2,35
R	4,2	5,4	7	9,4
N	58	42	32	29
N(R+1)	301,6	268,8	256	301,6

Используя данные из таблицы, построим зависимостьN(R+1)=f(R):

Рисунок 3.2 Зависимость N(R+1) от R     

  

Минимальное произведение N(R+1) соответствует флегмовому числу R=6,6 (из рис.3.2).

Уравнения рабочих линий:

а) верхней(укрепляющей) части колонны:

          y = ((R/(R+1))∙x)+(xD/(R+1));                                                               (3.5)                                                                     

          y = 0,868∙x+0,118;

б) нижней (исчерпывающей) части колонны:

          y = (R+F)/(R+1)∙x - (F-1)/(R+1)∙ xW,

где F -  относительный мольный расход питания.

F =  (xD- xW)/(xF-xW) ; F = (0,9-0,02)/(0,45-0,02)=2,047;

y = 1,138∙x – 0,003.

Из приложения Д nт=35 – число теоретических тарелок, nт в  = 20 – число теоретических тарелок  в верхней части колонны, nт н = 15 – в нижней.

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

LВ = GDRMВ /MD;                                                                                    (3.6)

LН = GDRMН /MP+GF MН/MF,                                                                 (3.7)

где МD и МF — мольные массы дистиллята и исходной смеси; МВ и МН — средние моль­ные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны. Средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равны:

МВ = МД x ср. в + М Т (1 — x ср. в );

МН = МД x ср. н + М Т (1 — x ср. н );                                                            (3.8)

где МД и МТ — мольные массы диоксана и толуола; хср.в и хср.н— средний мольный состав жидкости соответственно в верхней и нижней частях колонны:

xcр. в=(xD+xF)/2 =(0,9 + 0,45)/2 = 0,675 кмоль/кмоль смеси;

xcр. н= (xF+xW)/2= (0,45 + 0,02)/2 = 0,235 кмоль/кмоль смеси.

Тогда:

МВ = 88 ∙ 0,675 + 92 (1 - 0,675) = 89,30 кг/кмоль;

МН = 88 ∙ 0,235 + 92 (1 - 0,235) = 91,06 кг/кмоль.

Мольная масса исходной смеси и дистиллята:

MF = 88 ∙ 0,45 + 92(1 — 0,45) = 90,2 кг/кмоль,

MD = 88 ∙ 0,9 + 92(1 — 0,9) = 88,4 кг/кмоль.

Подставим рассчитанные величины в уравнения (3.6) и (3.7), получим:

LВ = 0,278 ∙ 6,6 ∙ 89,3 / 88,4 = 1,853 кг / с;

LН = 0,278 ∙ 6,6 ∙ 91,06 / 88,4 + 0,58 ∙ 91,06 / 90,2 = 2,476 кг / с.

Средние массовые потоки пара в верхней GВ и нижней GH частях колонны соот­ветственно равны:

GВ = GD(R+1)M’В / M D;              

GН = GD(R+1)M’Н / M D .                                                                  (3.9)

Здесь M’В и M’Н  - средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны:

М’В = МД y ср. в + М Т (1 — y ср. в );

М’Н = МД y ср. н + М Т (1 — y ср. н );                                                            (3.10)

где

ycр. в=(yD+yF)/2 =(0,9 + 0,51)/2 = 0,705 кмоль/кмоль смеси;

ycр. н= (yF+yW)/2= (0,51 + 0,02)/2 = 0,265 кмоль/кмоль смеси.

Тогда

М’В = 88 ∙ 0,705 + 92(1 - 0,705) = 89,18 кг/кмоль;

М’Н = 88 ∙ 0,265 + 92(1 – 0,265) = 90,94 кг/кмоль.

GH = 1,73(2,1 + 1) 87,8/78 = 6,04 кг/с.

Подставив численные значения в уравнение (3.9), получим:

GВ = 0,278 (6,6+1)89,18 / 88,4 = 2,131 кг/с;              

GН =0,278 (6,6+1) 90,94 / 88,4 = 2,174 кг/с.

3.3 Скорость пара и диаметр колонны

Для ректи­фикационных колонн, работающих в пленочном режиме при атмосферном давлении, рабочую скорость можно принять на 20—30 % ниже скорости захлебывания [5].

Предельную фиктивную скорость пара wп, при которой происходит захлебывание насадочных колонн, определяют по уравнению [6]:

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5