Сущность процесса периодической ректификации бинарных смесей. Принципы работы непрерывно действующей ректификационной установки для разделения бинарных смесей. Расчет материального и теплового баланса. Определение скорости пара и диаметра колонны.
Аннотация к работе
Ректификация представляет собой процесс многократного частичного испарения жидкости и конденсации паров. Процесс осуществляется путем контакта потоков пара и жидкости, имеющих различную температуру кипения и проводится обычно в колонных аппаратах. При каждом контакте из жидкости испаряется преимущественно низко кипящий компонент, а из паров конденсируется высоко кипящий компонент, переходящий в жидкость.Процессы ректификации осуществляются периодически или непрерывно при различных давлениях: атмосферном, под вакуумом (для разделения смесей высококипящих веществ), а так же под давлением больше атмосферного (для разделения смесей, являющихся газообразными при нормальных температурах).Процессы периодической ректификации могут проводиться при постоянном флегмовом числе (R=const), и при постоянном составе дистиллята. При периодической ректификации содержание НК в смеси, кипящей в кубе, уменьшается во времени. Поэтому при возврате постоянного количества флегмы в колонну, т.е. в случае работы при R=const, дистиллят так же постепенно соединяется с НК. Осуществление процесса таким способом связано с автоматическим регулированием количества флегмы, возвращаемой в колонну, или количества пара, поступающего из кипятильника, что усложняет установку. Поэтому зависимость между рабочими концентрациями фаз определяется для всей колонны одной рабочей линией, соответствующей уравнению: Роль исчерпывающей части колонны выполняет куб.Снизу вверх по колонне движутся пары, поступающие в нижнюю часть аппарата из кипятильника, который находится внизу колонны (встроен в куб). В результате взаимодействия между жидкостью и паром, имеющим более высокую температуру, жидкость частично испаряется, причем в пар переходит преимущественно НК. Из пара конденсируется и переходит в жидкость преимущественно ВК, содержание которого в поступающем на тарелку паре выше равновесного с составом жидкости на тарелке. На второй тарелке жидкость имеет состав , содержит больше НК, чем на первой, и соответственно кипит при более низкой температуре. Таким образом, пар представляющий собой на выходе из кипятильника почти чистый ВК, по мере движения вверх все более обогащается НК и покидает верхнюю тарелку колонны в виде почти чистого НК, который практически полностью переходит в паровую фазу на пути пара от кипятильника до верха колонны.Обозначим массовый расход по кубовому остатку кг/с, по дистилляту кг/с, питания кг/с. Из уравнений материального баланса: где: находим: , Для дальнейших расчетов выразим концентрации питания, дистиллята и кубового остатка в массовых долях: Относительный мольный расход питания: .Средние концентрации жидкости в верхней части колонны: Средние концентрации жидкости в нижней части колонны: Средние концентрации пара в колонне находим по уравнениям рабочих линий: Средние температуры определяем по диаграмме t-x,y: При ; приДля верхней части колонны а) Для верхней части колонны: б) Для нижней части колонны: Примем диаметр колонны . Тогда скорость пара в колонне будет: а) Для верхней части колонны: б) Для нижней части колонны: Выберем размеры тарелки: размер щелиОпределим поверхностное натяжение для жидкости в верхней и нижней частях колонны при соответствующих температурах: а) Для верхней части колонны: б) Для нижней части колонны: Поверхностное натяжение смеси жидкостей найдем по соотношению см.Высоту светлого слоя жидкости определим по формуле см.Гидравлическое сопротивление тарелки определим по уравнению: , где-гидравлическое сопротивление тарелки, ;-коэффициент гидравлического сопротивления сухой тарелки;-безразмерный коэффициент;-доля площади отверстий, занятая стекающей жидкостью;-поверхностное натяжение, ;-эквивалентный диаметр щели (удвоенная величина ширины щели), .Брызгоунос рассчитывается по формуле: , где-высота сепарационного пространства, ;-рабочая скорость пара, ;-поправочный коэффициент.ректификационная установка бинарная смесьДля определения коэффициентов диффузии в жидкости при воспользуемся формулой: , где-динамический коэффициент вязкости жидкости, ; и-мольные массы исходных веществ, ; и-мольные объемы растворенного вещества и растворителя, ; и-коэффициенты, зависящие от свойств растворенного вещества и растворителя. Для бензола: Для толуола: Вязкость жидкости найдем, зная ее состав по теплофизическим свойствам: Коэффициент диффузии при заданной температуре определим по формуле: , где-коэффициент диффузии бинарной смеси при , . Коэффициент может быть определен по эмпирической формуле: , где - динамический коэффициент вязкости жидкости, ;-плотность жидкости при , . а) Для верхней части колонны: б) Для нижней части колонны: Коэффициент диффузии для пара рассчитывают по приближенной формуле: , где-средняя температура пара, ;-среднее давление в колонне, . а) Для верхней части колонны: б) Для нижней части колонны: Коэффициенты массоотдачи для паровой фазы будем находить из соотношения: , где-диффузионный критерий Нуссельта;-коэффициент массоотдачи, ;-коэффициент диффузии, ;-высота светлого слоя жидкости, .По известным ко
План
Содержание
Введение
1. Аналитический обзор
1.1 Периодическая ректификация бинарных смесей
1.2 Непрерывно действующие ректификационные установки для разделения бинарных смесей
2. Расчетная часть
2.1 Материальный баланс
2.2 Гидравлический расчет
2.2.1 Определение скорости пара и диаметра колонны
2.2.2 Определение диаметра колонны
2.2.3 Расчет высоты газожидкостного (барботажного) слоя жидкости
2.2.4 Расчет высоты светлого слоя жидкости
2.2.5 Расчет гидравлического сопротивления тарелки
2.2.6 Расчет брызгоуноса
2.3 Расчет высоты колонны
2.3.1 Определение коэффициентов массоотдачи
2.3.2 Определение количества тарелок
2.3.3 Расчет высоты
2.3.4 Расчет гидравлического сопротивления колонны
В данной курсовой работе рассматривается процесс ректификации, осуществляющийся непрерывно при атмосферном давлении. Ректификация представляет собой процесс многократного частичного испарения жидкости и конденсации паров. Процесс осуществляется путем контакта потоков пара и жидкости, имеющих различную температуру кипения и проводится обычно в колонных аппаратах. При каждом контакте из жидкости испаряется преимущественно низко кипящий компонент, а из паров конденсируется высоко кипящий компонент, переходящий в жидкость.
Такой двусторонний обмен компонентами повторяемый многократно, позволяет получить в конечном итоге пары представляющие собой почти чистый НК. Эти пары после конденсации в отдельном аппарате дают дистиллят и флегму-жидкость, возвращаемую для орошения колоны и взаимодействия с поднимающимися парами. Пары получают путем частичного испарения снизу колоны остатка, являющегося почти чистым ВК.
Ректификация известна с начала 19 века как один из важнейших технологических процессов главным образом спиртовой и нефтяной промышленности. В настоящее время ее все шире применяют в самых различных областях химической технологии, где выделение компонентов в чистом виде имеет весьма важное значение (производство полимеров, полупроводников и различных других веществ высокой чистоты).