Ректифікація

Ректифікація — массообменный процес, що роблять в противоточных колонных апаратах з контактними елементами (насадки, тарілки). У процесі ректифікації відбувається безперервний обмін між рідкої і паровий фазою. Рідка фаза збагачується більш высококипящим компонентом, а парова фаза — більш низкокипящим. Процес масообміну іде за рахунок всієї висоті колони між водою, що вниз флегмой і поднимающимся вгору пором. Що інтенсифікувати процес масообміну застосовують контактні елементи, що дозволяє поверхню масообміну. Що стосується застосування насадки рідина стікає тонкої плівкою з її поверхні, від застосування тарілок пар проходить через шар рідини лежить на поверхні тарілок. У цьому роботі наведено розрахунок тарельчатой ректифікаційної колони потреби ділити бінарною суміші бензол — толуол.

1 Особливості розрахунку тарельчатой ректифікаційної колонны.

Зазвичай, розрахунок ректифікаційної колони виробляється для заданих: складі вихідної суміші, кубового залишку, дистиляту, продуктивності і робочому тиску в колонне.

На початку визначається матеріальний баланс колони і робочий флегмовое число. І тому використовується діаграма yx. Потім підбирається тип тарілок, визначається швидкість пара, діаметр колони, коефіцієнти массопередачи, висота колони, гідравлічне опір тарілок. Після цього можна провести розрахунок експлуатаційних властивостей, і навіть економічні показники її использования.

2 Приклад розрахунку ректифікаційної колони для перегонки суміші бензол — толуол.

Наприклад, розрахуємо колону при змісті легколетучего компонента (тобто. бензолу) в вихідної суміші 35%(масс.), в дистилляте 98%, в кубової рідини 1,7%. Продуктивність по вихідної суміші 5кг/с.

2.1 Матеріальні расчеты.

2.1.1 Матеріальний баланс колонны.

Продуктивність по дистилляту P і кубовому залишку W визначається з рівняння матеріального балансу ректифікаційної колонны:

(1).

Откуда:

(2).

(3).

Усі у разі ведуться для легкокипящего компонента, отже x є концентрація бензолу. Для подальших розрахунків необхідно перелічити склади фаз з масових в мольные за співвідношенням :

(4).

де x — мольная частка компонента А,.

— масова частка компонента А, % (масс.).

МА — мольная маса компонента А,.

МВ — мольная маса компонента У,.

Підставивши мольные маси бензолу і толуолу получаем:

2.1.2 Визначення робочого флегмового числа.

Навантаження ректифікаційної колони по пару і рідини визначаються значенням робочого флегмового числа R. Флегмовое число являє собою співвідношення кількості флегмы до кількості дистиляту. Це може перебувати у інтервалі від Rmin до ?. При мінімальному флегмовом числі можна було одержати якомога більше дистиляту, але число тарілок стає нескінченно великим. Якщо флегмовое число прийняти рівним нескінченності, вийде, що колона працює сама він. При флегмовом числі менше мінімального ми за яких умов не зможемо отримати кінцевий продукт із наперед заданими свойствами.

Малюнок 1.

Діаграма «жидкость-пар «для суміші бензол-толуол.

Взагалі флегмовое число відбиває кут нахилу робочої лінії до осі абсцис для верхню частину колони і входячи в рівняння робочої лінії. Рівняння робочої лінії для верхню частину колони виглядає как:

(5).

yD, як утім і yW визначаються рівними xD і xW відповідно. Інакше висловлюючись передбачається що склад паровий і переробки рідкої фази однаковий як низу так верхи колони. Усе це побачити малюнку 1.

Мінімальна флегмовое число визначається за такою формуле:

(6).

де — мольная частка спирту за парі, котрий у рівновазі із вихідною сумішшю, визначається по y-x диаграмме.

Тогда:

Робоча значення флегмового числа приймемо рівним 2,1. Для визначення робочого флегмового числа є безліч рекомендацій, ми їх гаємо, але можна знайти у [3].

2.1.3 Побудова робочої лінії з діаграми «рідина — пар».

Робоча лінія процесу ректифікації, на відміну процесу абсорбції, є сукупність робочих ліній для верхньої й у частині колони разом й характеризується зламом у точці відповідної складу живильним смеси.

Для верхню частину колони можна скористатися рівнянням (5), а частині колони існує уравнение:

(6).

Вигляд робочої лінії представлений тому-таки малюнку 1.

2.1.4 Визначення середнього масового витрати по жидкости.

Середні масові витрати на рідини для верхньої та нижньої частин колони визначаються з співвідношень :

(7).

(8).

де МP і МF — мольные маси дистиляту і вихідної суміші,.

МВ і МН — мольные маси рідини у верхній та нижньої частинах,.

Мольная маса рідини у верхній та нижньої частинах колони соответственно.

дорівнює :

(9).

(10).

де МБ і Мгт — мольные маси бензолу і толуола.

xср.в і xср. н — середній мольный склад рідини відповідно верхньої і нижньої частинах колонны:

Тогда.

Аналогічно перебуває мольная маса вихідної смеси:

Мольную масу дистиляту можна взяти рівної мольной масі бензола.

Підставивши результати співвідношення в (7) і (8) получаем:

2.1.5 Визначення середнього масового витрати по пару.

Середні масові потоки пара у верхній та нижньої частинах колонны.

відповідно рівні :

(11).

(12).

де і - середні мольные маси парів у верхній та нижньої частинах колонны:

(13).

(14).

де середні значення складу паровий фази розраховуються аналогічно рідкої фазі і равны:

Тоді з формул (13) і (14) следует.

Підставивши результати в (11) і (12) получаем:

2.2 Швидкість пара і діаметр колонны.

І на цій стадії необхідно вибрати тип тарілки. Оскільки передбачається, що рідина зовсім позбавлений зважених частинок виберемо використовуємо ситчатые тарелки.

Припустима швидкість верхньої та нижньої частини колони визначається по формуле:

(15).

Оскільки щільності бензолу і толуолу близькі, то щільність рідкої фази то, можливо наближено визначено як 796 кг/м3.

Середня щільність пара для нижньої й у верхню частину колони може бути оцінена по формуле:

(16).

де t — температура для верхньої або заради частині колонны.

Температура в колоні, своєю чергою, визначається по діаграмі t — x, y, що можна побачити малюнку 2.

Малюнок 2.

Діаграма t — x, y.

По середнім складам фаз визначимо температуру у верхній частині колони 89? С, у нижній частині колони 102? С.

Тоді формулі (16) розраховуємо щільність паровий фази відповідно нижньої і верхню частину колонны.

Нині можна розрахувати допустимі швидкості як і верхньої, і у частині колонны:

Діаметр колони то, можливо визначено по формуле:

(17).

Діаметр колони приймається однаковим у всій її висоті та зазвичай дорівнює більшого з певних. Проте, у разі різницю між швидкостями у верхній та нижньої частини колони не великі тому треба використовувати середні значения:

Підставивши в формулу (17) получим:

м.

Прийнявши стандартний розмір обечайки рівним 1,8 м уточнимо робочу швидкість пара. Вона рівної 0,82м/с.

На цьому етапі необхідно вибрати тарілку з низки стандартних. Опускаючи процес вибору, відзначимо, що це тарілка ТС-Р з нижче наведеними характеристиками:

Діаметр отворів в тарілці d0 8 мм.

Крок між отворами t 15 мм.

Вільне перетин тарілки Fc 18,8%.

Висота переливного порога hпер 30 мм.

Ширина переливного порога b 1050 мм.

Робоча перетин тарілки Sт 2,294 м².

Швидкість пара у робочому сечении тарелки:

2.3 Визначення висоти колонны.

Кількість тарілок в колоні можна визначити або за числу теоретичних тарілок, або за кінетичною кривой.

2.3.1 Визначення висоти колони за кількістю теоретичних тарелок.

Стисло суть цього методу зводиться побудувати щаблів з діаграми y — x. Кожен щабель є ще однією тарілку. При побудові передбачається, що у кожної тарілці досягається рівновагу між рідкої і паровий фазою. Реалізацію цього помітні малюнку 3.

Малюнок 3.

Визначення числа теоретичних тарелок.

Як бачимо число теоретичних тарілок у разі становить 8 для частині колони і аналогічних сім для верхньої, у сумі 15. Для визначення дійсного числа тарілок їх кількість необхідно поділити к.п.д. окремо взятому тарілки. Попри те що, що є методи оцінки к.п.д. тарілок, його перестав бути точним, бо кожної тарілки к.п.д. може відрізнятиметься від среднего.

Висота колони визначається з числа дійсних тарілок і відстані між тарілками. Зазвичай відстань між тарілками стандартизовано і то, можливо вибрано з каталога.

2.3.2 Визначення висоти колони по кінетичної кривой.

Він точніше ніж попередня. Вона складається у визначенні ефективності тарілок по Мерфі з урахуванням подовжнього перемішування, межтарельчатого віднесення і частки байпасирующей рідини. Для визначення значень ефективності тарілок використовуються критериальные рівняння, про котрих тут не наводяться, унаслідок їх громіздкість і вузької специализации.

Знаючи ефективність по Мерфі, можна визначити концентрацію легколетучего компонента у парі виході з тарілки yк по соотношению:

(18).

З цієї формули з діаграми y — x будується кінетична крива, що є залежність yк від x, та був аналогічно попередньому методу графічно вибудовуються щаблі. Графічну ілюстрацію цього помітні малюнку 4.

Малюнок 4.

Побудова кінетичної кривою й визначення дійсного числа тарелок.

У результаті ми маємо 9 тарілок у нижній частині колони і 9-те у верхній. Прийнявши відстань між тарілками 0,5 м, відстань між нижньої тарілкою і дном 2 м, відстань між верхом колони і верхньої тарілкою 1 м, одержимо повну висоту колони 11,5 м.

Заключение

.

Ми коротко описали процес розрахунку ректифікаційної колони потреби ділити бінарних сумішей. Процес розрахунку чи проектування у цьому не закінчується. Надалі розраховується гідравлічне опір колони і підбирається допоміжна аппаратура.

Проте, слід зазначити, що з массообменного процесу, яким є процес ректифікації, насамперед необхідно описати обмін між фазами. Робиться з допомогою діаграми стану «жидкость-пар», якої ми намагалися приділити підвищену увагу, можливо, на шкоду іншим, щонайменше важливим сторонам процесса.

Список використаної литературы.

1. Гельперин Н.І. Основні процеси иаппараты хімічної технології - М.: Хімія, 1981.

2. Кувшинский М. Н., Соболева О. П. Курсове проектування на уроках «Процеси і апарати хімічної промисловості». М.: Вищу школу, 1980.

3. Основні процеси та апарати хімічної технології: Допомога за проектированию/Г.С. Борисов, В. П. Бриков, Ю.І. Дытнерский та інших. Під ред. Ю.І. Дытнерского, М.:Химия, 1991.

4. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Приклади і завдання курсу процесів і апаратів хімічної технології. Навчальний посібник для вузов/Под ред. чл.-кор. АН СРСР П. Г. Романкова. Л.:Химия, 1987.

5.