Материальный баланс

Пусть G_D и G_W –массовые расходы дистиллята и кубового остатка, кг/ч

Уравнение материального баланса:

Из системы уравнений материального баланса определили:

G_W = 4955 кг/ч; G_D=2045 кг/ч.

Сделаем пересчет концентраций из массовых долей в мольные.

М_нк (C₃H₆O) = 58 кг/кмоль – мольная масса НК(ацетон);

М_вк (C₇H₈) = 92 кг/кмоль – мольная масса ВК(толуол).

Питание:

Дистиллят:

Кубовый остаток:

По диаграмме состав-состав (x-y) (приложение, рис 1.), которую построили по данным о фазовом равновесии разделяемой системы ацетон-толуол [7, с 659] находим = 0,8300 мольная доля НК в паре, равновесном с жидкостью питания.

Рабочее флегмовое число:

Находим число питания:

Составляем уравнения рабочих линий[2, c. 320]:

а) для верхней (укрепляющей) части колонны:

б) для нижней (исчерпывающей) части колонны:

Средние концентрации жидкости:

а) верх колонны:

б) низ колонны:

Средние концентрации пара (по уравнениям рабочих линий):

а) верх колонны:

б) низ колонны:

Находим средние температуры пара и по диаграмме температура – состав, состав (t-x,y) (приложение, рис 2), которую строим по равновесным данным [7, с. 659]:

= 71⁰ С при

= 96,2⁰ С при

Средние мольные массы пара:

а) верх колонны:

б) низ колонны:

Определяем средние плотности пара:

а) верх колонны:

б) низ колонны:

Находим температуры флегмы и кубовой жидкости по диаграмме t - x,y (приложение, рис 2) [7, с. 659]

при x_D и x_W: =57,14⁰ C при х_D=0,9547

=100⁰ C при х_W=0,0620

По справочникам определяем:

а) плотность жидкого НК = 749,14 кг/м³ при =57,14⁰ C [6, c 427]

б) плотность жидкого ВК = 788кг/м³ при =100⁰ C [6, c 348]

Средняя плотность жидкости в колонне:

Максимально допустимую скорость пара в колонне определяем по формуле[3, c. 322]:

м/с

Коэффициент вычисляем по формуле[8, c. 515]:

м/с

где Н - межтарельчатое расстояние принимаем Н=0,4 м; q-линейная плотность орошения, т.е. отношение объемного расхода жидкости к периметру слива П (длине сливной планки):

q = q₀ = 10 - 25 м²/ч, возьмем q=10 м²/ч.

k₁ =1,15; k₂=1 при атмосферном давлении и повышенном давлениях;

k₃=0,34 ^. 10^-3 .

Определим мольную массу дистиллята:

Средняя температура пара в колонне:

Объемный расход пара в колонне:

м³/с

Выбираем по справочнику ближайший больший диаметр колонны D = 600 мм = 0,6 м [4, c 222]

Фактическая скорость:

Определяем периметр слива П=(0,7÷0,75) ^. D =0,7^. 0,6 = 0,4200 м

м, где R – радиус колонны

Определяем среднюю мольную массу жидкости в верхней части колонны:

Объемный расход в верхней части колонны:

Линейная плотность орошения в верхней части колонны:

м³/ч

сравниваем q₁ c ранее принятым значением q_0. Так разница q_i+1 – q= |4,993-10|=5,007.

Строим рабочую диаграмму процесса ректификации y-x т.е. чертим равновесную и рабочие лини процесса.

Вписываем прямоугольные треугольники между равновесной и рабочими линиями в интервале (x_w - x_d) (приложение, рис 3). Получаем число теоретических тарелок в верхней и нижней частях колонны:

Находим по справочникам коэффициент относительной летучести компонентов

= 1516 мм.рт.ст. [3,с 565]

= 279 мм.рт.ст. [3,с 565]

Средняя концентрация жидкости в колонне:

Коэффициент динамической вязкости жидкости смеси при средней температуре в колонне:

[3, с 516]

[3, с 517]

Вязкость жидкой смеси находим по формуле:

Вычисляем произведение:

Длина пути жидкости на тарелке:

l =D-2^. b=0,6-2^. 0,1009=0,3982м

Так как l = 0,3982, то =0[3, с 324, рис 7.5]

=0,4400∙(1+0)=0,44

Вычисляем число действительных тарелок в верхней и нижней части колонны:

Общее число тарелок в колонне с запасом:

Тарелка питания – 6 тарелка.

Высота тарельчатой части колонны:

=(12-1)·0,3=3,3 м.

Гидравлическое сопротивление тарелки равно сумме потерь напора на сухой тарелке и в слое жидкости:

, Па

а) верхняя часть колонны:

Потеря напора на неорошаемой тарелке:

-коэффициент сопротивления, для клапанной тарелки при полностью открытом клапане

где f=0,1-доля свободного сечения тарелки [5, с. 222]; -средняя плотность пара в верхней части колонны

Потеря напора в слое жидкости

-высота сливной планки принимаем м

-подпор жидкости при прямой сливной планке:

-объемный расход жидкости в верхней части колонны, м³/ч

-средняя плотность жидкости в верхней части колонны, кг/м³

Н – межтарельчатое расстояние; h_п – высота сливной планки; b – максимальная ширина сливного кармана; у – вылет ниспадающей струи; ∆ - градиент уровня жидкости; ∆h – подпор жидкости над планкой; h – высота слоя не вспененной жидкости.

Вычисляем сопротивление орошаемой тарелки:

б) нижняя часть колонны:

Сопротивление сухой тарелки:

Средняя мольная масса жидкости в нижней части колонны:

Средняя мольная масса питания:

Объемный расход жидкости в нижней части колонны:

Подпор жидкости над сливной планкой:

Сопротивление орошаемой тарелке:

Суммарное сопротивление всех тарелок:

Проверка работоспособности тарелок

Она проводится по величине межтарельчатого уноса жидкости или по пропускной способности переливного устройства.

Тарелка работает устойчиво при

-высота слоя вспененной жидкости в переливном кармане, м; -вылет ниспадающей струи, м; -максимальная ширина переливного кармана, м.

- относительная плотность вспененной жидкости для слабо- и средне-вспенивающихся жидкостей приняли равным -высота слоя невспененной жидкости в сливном устройстве:

∆ - градиент уровня жидкости, для клапанных тарелок принимаем ∆ = 0,005[9, с. 287];

сопротивление движению жидкости в перетоке:

-скорость жидкости в минимальном сечении переливного кармана:

для средне- и слабопенящихся жидкостей;

-скорость всплывания пузырей грибообразной форм:

-средний коэффициент поверхностного натяжения жидкости при средней температуре в колонне:

- для ацетона при t_СР= 78,57⁰С, [4, с 526]

- для толуола при t_СР= 78,57⁰С, [4, с. 527]

Вылет струи:

м

Рабочая скорость пара в отверстии тарелки не должна быть меньше минимальной скорости пара в отверстии тарелки, обеспечивающей беспровальную работу клапанной тарелки:

14,48 >3,22 м/с

0,446<0,4+0,05 (0,446<0,45)

0,0331<0,1009

Т.к. условие выполняется, тарелки работают устойчиво.

5.1 Расход тепла, отдаваемого парами воде при конденсации в дефлегматоре:

- теплота конденсации паров:

=524 ^. 10³ Дж/кг при , [6, с 375]

=395^. 10³ Дж/кг при , [6, с 372]

5.2 Расход тепла, получаемого кубовой жидкостью от греющего пара в кипятильнике:

при

при

при

С_нк и С_вк удельные массовые теплоемкости НК и ВК при температуре t_в, t_н , t_F.

[3, с 562]; t_F определяем по диаграмме t – x,y по х_F (приложение, рис 2).

5.3 Расход тепла в паровом подогревателе питания:

при

и удельные массовые теплоемкости НК и ВК при температуре t_ср [3,с 562].

5.4 Расход тепла, отдаваемого дистиллятом воде в холодильнике:

5.5 Расход тепла, принимаемого водой от кубового остатка в холодильнике:

при

Расход греющего пара с давлением Р_абс=4 атм. и степенью сухости X=95%

а) в кипятильнике

=2141 ^. 10³ Дж/кг удельная массовая теплота конденсации греющего пара при давлении 4 атм. [3,с 550]

б) в подогревателе питания:

Всего пара 0,2761+0,1007=0,3768 кг/с или 1,356 т/ч

Расход охлаждающей воды при нагреве её на 20 ⁰С

а) в дефлегматоре:

- теплоемкость воды при 20⁰C [3,с 537]

б) в холодильнике дистиллята:

в) в холодильнике кубового остатка:

Всего воды 5,8711+0,4848+2,201= 8,5569 кг/с или 30,805 т/ч

Диаметры штуцеров находим по объемному расходу Q жидкости или пара и максимально-допустимой скорости в штуцерах потока жидкости (газа).

Скорость выбираем из ориентированного интервала [3, с.17]

Поток жидкости при движении самотеком:

Для флегмы, кубовой жидкости и кубового остатка принимаем ; поток жидкости в напорных трубопроводах: ; для исходной смеси принимаем газы при атмосферном или близком к нему давлении в трубопроводах для выходящих из колонны паров и парожидкостной смеси принимаем

1.Диаметр штуцера для ввода в колонну питания:

При температуре питания t_F = 71,00⁰ С по справочникам определяем:

а) плотность жидкого НК = 731,4 кг/м³ [6, c 427]

б) плотность жидкого ВК = 818,7 кг/м³ [6, c 348]

Плотность питания:

Объемный расход питания:

Выбираем диаметр штуцера по ближайшим стандартным диаметрам. По

таблице 10.2. [6, с. 175] d=50 мм.

Массовый расход флегмы:

Объемный расход флегмы:

= 748 кг/м³ при =57,14⁰ C [6, c 247]

Выбираем стандартный диаметр d=50 мм.

[6, с. 175]

3. Диаметр штуцера для вывода паров из колонны:

Массовый расход паров:

Плотность паров:

Объемный расход паров:

Выбираем стандартный диаметр d_у=150 мм.

[6, с. 175]

4. Диаметр штуцера для вывода кубовой жидкости из колонны:

Средняя мольная масса питания:

Мольный расход питания:

Мольный расход кубовой жидкости:

Массовый расход кубовой жидкости:

Объемный расход кубовой жидкости:

= 790 кг/м³ при t_н = 100⁰С, [6, c 348]

Выбираем стандартный диаметр d_у=125 мм.

[6, с. 175]

5. Диаметр штуцера для выхода кубового остатка:

Объемный расход кубового остатка:

= 790 кг/м³ при t_н = 100⁰ С, [4, c 512]

Выбираем стандартный диаметр d_у=100 мм.

[6, с. 175]

6. Диаметр штуцера для ввода парожидкостной смеси в куб колонны:

Массовый расход парожидкостной смеси:

Плотность паров:

Р_н =Р_б+∆Р, Па

Р_б=101325 Па; ∆Р=14389 Па; Р₀=101325 Па

Объемный расход парожидкостной смеси:

Выбираем стандартный диаметр d_у=150 мм.

[6, с. 175]

Определяем диаметры штуцеров для теплоносителей – водяного пара и воды.

7. Диаметр штуцера для подогревателя питания:

Плотность пара при абсолютном давлении 4 атм. ρ_П=2,12 кг/м³

Объемный расход пара:

Выбираем стандартный диаметр d_у=150 мм.

[6, с. 175]

8. Диаметр штуцера для кипятильника:

Объемный расход пара:

Выбираем стандартный диаметр d_у=80 мм.

[5, с. 175]

9. Диаметр штуцера для холодильника дистиллята:

Плотность воды принимаем ρ_В=1000 кг/м³

Выбираем стандартный диаметр d_у=25 мм.

[6, с. 175]

10. Диаметр штуцера для дефлегматора:

Объемный расход воды:

Выбираем стандартный диаметр d_у=80 мм.

[6, с. 175]

11. Диаметр штуцера для холодильника кубового остатка:

Объемный расход воды:

Выбираем стандартный диаметр d_у=50 мм.

[6, с. 175]

Поиск по сайту: