Расчет ректификационной колонны непрерывного действия для разделения смеси бензол-толуол

;

;

.

Рассчитаем средние  молекулярные массы дистиллята, выходной смеси и кубового остатка по формуле:

, где Х – соответствующая  мольная концентрация компонента

Для дистиллята: кг/кмоль

Для смеси: кг/кмоль

Для кубового остатка: кг/кмоль

Для расчета материальных потоков составим уравнение материального  баланса для всей смеси и для легкого компонента:

;

 кг/с

Получаем систему уравнений:

;

Откуда: кг/с; кг/с.

По результатам расчетов составим и заполним сведенную таблицу 2.1.

 

Наименование	Средняя молекулярная масса  кг/кмоль	Состав		Расход
		Мольные доли	Массовые доли	кг/с
Дистиллят	79,24	0,92	0,91	1,17
Смесь	87,924	0,30	0,266	1,53
Кубовый остаток	92,07	0,07	0,06	0,36

 

2.2 Определение флегмового  числа

 

Используя справочную литературу, составим таблицу 2.2

Таблица 2.2 - Парожидкостное равновесие системы бензол–толуол

T,0С	Pб, мм.рт.ст. ¤	Рт, мм.рт.ст. ¤	П, мм.рт.ст.	x=(П–Рт)/(Рб–Рт)	y=(Рб/П)x
80	760,0	300,0	760	1	1
84	852,0	333,0	760	0,823	0,922
88	957,0	379,5	760	0,659	0,830
92	1078,0	432,0	760	0,508	0,720
96	1204,0	492,5	760	0,376	0,596
100	1344,0	559,0	760	0,256	0,453
104	1495,0	625,5	760	0,155	0,304
108	1659,0	704,5	760	0,058	0,128
110	1748,0	760,0	760	0	0

 

Строим диаграммы t-X (рис. 2.1) и Y-X (рис. 2.2). На ординате диаграммы Y-X по оси абсцисс откладываем составы жидкой фазы, а по оси ординат – газообразной. Соответствие выражается линией равновесия. Дополнительно на данную диаграмму наносим вспомогательную линию, уравнение которой Y=X (рис. 2.2).

 

Рисунок 2.1 - Диаграмма равновесия t–x,y системы бензол–толуол

Рисунок 2.2 – Диаграмма равновесия Y-X системы бензол – толуол

 

 

Линия АВ (рис. 2.2) – теоретическая рабочая линия верхней части колоны при минимальном флегмовом числе . Пересечение этой линии с осью ординат дает точку . Следовательно, минимальное флегмовое число:

Далее, задав различные  значения коэффициента избытка флегмы β, определим флегмовые числа. Графическим построением определим число ступеней изменения концентраций для каждого флегмового числа (покажем наиболее значимые для расчетов).

 

Таблица 2.2 Данные для расчета рабочего флегмового числа

β=R/Rmin	1	1,02	1,05	1,1	1,3	2	2,5	3,5	4	5
R	2,07	2,1114	2,1735	2,277	2,691	4,14	5,175	7,245	8,28	10,35
В=XР/(R+1)	0,30	0,30	0,29	0,28	0,25	0,18	0,15	0,11	0,10	0,08
N	16	16	15	12	10	8	8	7	7	6
N(R+1)	52,19	49,7824	47,6025	45,878	44,292	41,12	49,4	57,715	64,96	68,1

Рисунок 2.3 – Расчет числа тарелок (N) для β=1,02

 Рисунок 2.4 – Расчет числа тарелок (N) для β=2

Рисунок 2.5 – Расчет числа  тарелок (N) для β=4

Рисунок 2.6 – Расчет числа  тарелок (N) для β=5

Рисунок 2.7 – График для  расчета оптимального флегмового числа

 

Как видно из графика (рис. 2.7) оптимальное флегмовое число достигается при R=4,14 и коэффициентом избытка флегмы β=2.

Число тарелок в верхней части колонны – 5 в нижней части колонны – 3 (рис. 2.4)

2.3 Расчет высоты и  диаметра ректификационной колонны

 

2.3.1 Расчет параметров  жидкостной смеси

 

Определим средние составы  в верхней части колонны:

 кмоль/кмоль смеси

 кмоль/кмоль смеси

Средние мольные массы:

 

Средние температуры  жидкости по диаграмме равновесия t–x,y (рис. 2.1).

С для 

С для 

Зная плотность жидкого  бензола  при t=80⁰С→ρ_Б=815 кг/м³; при t=100⁰С→ρ_Б=793 кг/м³ , найдем плотность бензола при

 кг/м³

Зная плотность жидкого  бензола  при t=100⁰С→ρ_Б=793 кг/м³; при t=120⁰С→ρ_Б=769 кг/м³ , найдем плотность бензола при

 кг/м³

Зная плотность жидкого  толуола при при t=80⁰С→ρ_Б=808 кг/м³; при t=100⁰С→ρ_Б=788 кг/м³ , найдем плотность толуола при

 кг/м³

Плотность жидкого толуола при t_W=102⁰С:

При t=100⁰С→ρ_T=788 кг/м³; при t=120⁰С→ρ_T=766 кг/м³

 

 кг/м³

Определим средние плотности  жидкостей по формуле:

 кг/м³

 кг/м³

Средний объемный расход жидкости для  верхней и нижней части колонны:

 м³/с

 м³/с

 

2.3.2 Расчет параметров смеси пара

 

Для смеси пара найдем состав в  верхней и нижней части колонны, используя рис. 2.1, 2.2.

 для 

 для 

Средние температуры пара найдем по данным диаграммы (рис. 2.1).

С для 

С для 

Найдем средние молярные массы по и по .

 кг/моль

 кг/моль

Средние плотности пара по и по рассчитаем, используя формулу:

, где  - из исходных условий, Т₀=273⁰К

;

 

2.3.3 Определение среднего диаметра  колонны

 

Определим ориентировочный диаметр ректификационной колонны по формуле:

, где

 м³/с

Выберем расстояние между  тарелками 0,3 м, тогда скорость движения пара (по таблице 17 [1]) м/с. Поскольку, согласно варианта задания задана ситчастная тарелка данное значение нужно умножить на 1,35. В итоге получим: м/с.

Средний диаметр ректификационной колонны равен:

 м.

Выберем стандартный диаметр ректификационной колонны 1400 мм (приложение 18 [1]) и пересчитаем скорость пара для данного диаметра:

 м/с.

 

2.4 Построение кинетической кривой

 

Для построения кинетической кривой определим коэффициент обогащения тарелки:

, где  .

Коэффициент выбираем . (из исходных данных). Остается рассчитать коэффициент массопередачи [кмоль/(м²∙с)].

, где  коэффициент распределения, который определяет тангенс угля наклона равновесной линии .

Коэффициент массоотдачи  в паровой фазе, кмоль/(м²∙с) определим по формуле:

, где  ;

Средний коэффициент диффузии в паровой фазе найдем по формуле:

; см³/моль;  см³/моль

 

 м²/с.

Определим среднюю вязкость парового потока для расчета критерия Рейнольдса:

Определим вязкости бензола  и толуола при средних температурах верхней и нижней частей колонны  интерполяцией с использованием справочной информации по вязкости веществ [8]:

Вязкость бензола при t_{ср.пара}=87⁰С:

µ⁸⁰_Б=0,316 мПа·с; µ¹⁰⁰_Б=0,261 мПа·с

 мПа·с

Вязкость толуола при t_{ср.пара}=87⁰С:

µ⁸⁰_Т=0,319 мПа·с; µ¹⁰⁰_Т=0,271 мПа·с

 мПа·с

 

Вязкость бензола при t_ср.Н.=105⁰С:

µ¹⁰⁰_Б=0,261 мПа·с; µ¹²⁰_Б=0,219 мПа·с

 мПа·с

Вязкость толуола при t_ср.Н.=105⁰С:

µ¹⁰⁰_Т=0,271 мПа·с; µ¹²⁰_Т=0,231 мПа·с.

 мПа·с.

 мПа·с.

Средняя вязкость парового потока:

 мПа·с.

Критерий Рейнольдса:

Коэффициент массоотдачи  в паровой фазе:

 кмоль/(м²∙с)

Рассчитаем коэффициент  массотдачи в жидкой фазе по формуле:

;

Вязкость жидкости найдём, зная её состав по теплофизическим свойствам:

Коэффициенты А и В для бензола и толуола равны 1, следовательно

 

.

 м²/с.

Критерий Прандтля:

.

Предварительные расчеты  проведены, можем найти коэффициент  массоотдачи в жидкой фазе:

 кмоль/(м²∙с).

По результатам расчетов заполним таблицу 2.3.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.8 – К построению кинетической кривой

 

Таблиця 2.3 – К построению кинетической кривой

							AB
0,92	0,08	0,04	0,5	0,00199072	0,0195196	1,01971135	0,039227
0,8	0,12	0,055	0,4583	0,00210251	0,02061576	1,02082973	0,053878
0,6	0,2	0,11	0,55	0,00187132	0,01834885	1,01851822	0,108
0,4	0,2	0,18	0,9	0,00131797	0,01292311	1,01300698	0,177689
0,2	0,2	0,13	0,65	0,00167089	0,01638354	1,01651848	0,127887
0,07	0,13	0,23	1,7692	0,00075991	0,00745117	1,007479	0,228293