Сущность ректификации как диффузионного процесса разделения жидких смесей. Построение зависимости давления насыщенных паров от температуры, энтальпийная диаграмма. Расчет материального и теплового баланса колонны, профиля концентраций и нагрузок.
Аннотация к работе
При проведении процессов ОИ и ОК получают пар, более богатый НКК, а жидкость более богатую ВКК, чем исходная система. Для получения продуктов с любой желаемой концентрацией компонентов и с высокими выходами служит процесс ректификации, заключающийся в многократно повторяющемся контактировании неравновесных паровой и жидкой фаз. Образованные в результате контакта паровая и жидкая фазы будут отличаться по составу от вступивших в контакт встречных неравновесных потоков паровой и жидкой фаз. Производя многократное контактирование неравновесных потоков паровой и жидкой фаз, направляя после каждой ступени пары на смешение с жидкостью, а жидкость на контакт с парами, более бедными НКК, можно изменить составы фаз желаемым образом.Рассчитать основные показатели работы и размеры ректификационной колонны для разделения бинарной смеси бензол-толуол. Расчет основных показателей работы и размеров ректификационной колонны производим по следующим исходным данным: ? давление в середине колонны ? =1,35 ата; ? мольная доля бензола в сырье x"F =0,48;Зависимость между температурой t и давлением насыщенных паров компонента Рі, описывается эмпирическим уравнением Антуана: (1) Для определения температур кипения бензола (низкокипящего компонента) ткип Б и толуола (высококипящего компонента) ткип Т, т.е. крайних точек изобарных температурных кривых, при заданном рабочем давлении уравнение Антуана нам надо решить относительно температуры t. Для этого вместо давления насыщенных паров компонента Рі в уравнение подставим давление в середине колонны ?, т.е. Далее в пределах рассчитанных температур кипения компонентов зададимся пятью температурами. Давления насыщенных паров компонентов РБ и РТ найдем по уравнению (1): При температуре t1 = 90,167 °CМатериальный баланс процесса однократного испарения может быть представлен уравнениями: общее: F = GF GF, (6) для низкокипящего компонента: F· x"F = GF · y*F GF · x*F, (7) где GF и GF - расходы пара и жидкости; Отношение массы образовавшихся паров G к массе исходной смеси F называется массовой долей отгона и обозначается через е. Точка N, чья абсцисса соответствует величине , лежит на диагонали x"-у"-диаграммы. По координатам точки F определим мольные доли низкокипящего компонента в жидкости и в паре, полученные в результате ОИ, т.е. и . Энтальпийная диаграмма в координатах «содержание низкокипящего компонента в жидкой и паровой фазах - энтальпия жидкой и паровой фаз» включает линию (кривую) энтальпии кипящей жидкости и линию энтальпии равновесных паров.Материальный баланс составим в мольных и массовых единицах. Средняя молекулярная масса дистиллята: Средняя молекулярная масса остатка: Переведем расход сырья в мольные единицы, для чего по закону аддитивности рассчитаем среднюю молекулярную массу: где - расход сырья, кмоль/ч, F - расход сырья, кг/ч, - средняя молекулярная масса сырья. Из уравнения (21) выразим : Аналогично рассчитаем выход остатка: Таким образом, расход дистиллята и остатка по сырью: Проверка по уравнению (14) Рассчитаем материальный баланс по каждому компоненту: Сколько бензола в кмоль/ч в исходной смеси: Переведем мольные единицы в массовые. Далее рассчитаем, сколько бензола будет в дистилляте: Сколько толуола будет в дистилляте: Сколько будет бензола в остатке: Сколько будет толуола в остатке: Таблица 4 - Материальный баланс ректификационной колонныТепловой баланс колонны (без учета теплопотерь) включает: статьи прихода - тепло вносимое сырьем и через кипятильник , Статьи расхода - тепло выносимое дистиллятом , остатком и через конденсатор где - подвод тепла, - съем тепла. Расходы сырья F, дистиллята D, остатка W, энтальпию сырья , дистиллята и остатка мы рассчитали выше. Построим комбинированную диаграмму и по ней определим минимальный теплоподвод и теплосъем. Из этих точек проведем вертикальные пунктирные прямые до пересечения с энтальпиями. Продолжим эту ноду до пересечения с вертикальными линиями и , получим минимальный теплосъем Pmin(D) и минимальный теплоподвод Pmin(w).Для аналитического расчета минимального числа тарелок рассчитаем коэффициенты относительной летучести вверху и внизу колонны - и . определяется как отношение давления насыщенных паров бензола к давлению насыщенных паров толуола при температуре верха колонны t=91,3 °C. определяется аналогично, но при температуре низа колонны t=120,3 °C. Температура низа и верха колонны определяются по изобаре: Средний коэффициент относительной летучести определим из уравнения: Для расчета минимального числа тарелок воспользуемся уравнением Фенске-Андервуда: Полученное число округляем в большую сторону и получаем, что число минимальных тарелок, соответствующих режиму полного орошения, равно 9. Подобное число мы получим графическим методом на x-y-диаграмме путем построения ступенчатой линии между кривой равновесия и рабочей линии, соответствующей режиму полного орошения, т.е. диагональю квадрата. Найдем минимальное флегмовое число, для чего на x-y-диаграмме отложим прямую, соединяющую точку D (откладыв
План
Содержание
1. Введение
2. Цель. Исходные данные для расчета
3. Расчетная часть
3.1. Построение зависимости давления насыщенных паров от температуры.
3.6. Расчет числа теоретических тарелок на комбинированной и X-Y диаграмме
3.7. Расчет профиля концентраций и нагрузок по высоте колонны
3.8. Расчет фактического числа тарелок
3.9. Расчет диаметра колонны
3.10. Расчет высоты ректификационной колонны
3.11. Расчет конденсатора - холодильника
3.12. Расчет кипятильника
3.13. Расчет диаметров штуцеров
3.14. Графическая схема колонны
4. Заключение
5. Список использованной литературы
Введение
При проведении процессов ОИ и ОК получают пар, более богатый НКК, а жидкость более богатую ВКК, чем исходная система. Однако достаточно хорошая степень разделения таким образом не достигается.
Для получения продуктов с любой желаемой концентрацией компонентов и с высокими выходами служит процесс ректификации, заключающийся в многократно повторяющемся контактировании неравновесных паровой и жидкой фаз.
Образованные в результате контакта паровая и жидкая фазы будут отличаться по составу от вступивших в контакт встречных неравновесных потоков паровой и жидкой фаз. В итоге такого контакта пар обогатится низкокипящим компонентом, а жидкость - высококипящим. Если исходные пары и жидкость находились при одинаковом давлении, то для обеспечения этих условий требуется, чтобы температура вступающей в контакт жидкости была ниже температуры паров. После контактирования температуры пара и жидкости выравниваются, так как система стремится к состоянию равновесия.
Производя многократное контактирование неравновесных потоков паровой и жидкой фаз, направляя после каждой ступени пары на смешение с жидкостью, а жидкость на контакт с парами, более бедными НКК, можно изменить составы фаз желаемым образом.
Подобное контактирование фаз по схеме противотока в целом по аппарату осуществляется в специальных аппаратах - ректификационных колоннах, заполненных различными контактными устройствами: тарелками, насадками ит.д.
Таким образом, процесс ректификации есть диффузионный процесс разделения жидких смесей, компоненты которых различаются по температурам кипения, осуществляемый путем противоточного контактирования неравновесных паров и жидкости.
Расчет ректификационной колонны сводится к определению ее основных геометрических размеров - диаметра и высоты. Оба параметра определяются гидродинамическим режимом работы колонны, который, в свою очередь, зависит от скоростей и физических свойств взаимодействующих фаз, а также от типа контактного устройства.