Файл: И. О. Фамилия Проектирование тарельчатой ректификационной колонны для разделения смеси метанол бензол.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 12.01.2024
Просмотров: 189
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
СОДЕРЖАНИЕ
1.3 Построение фазовых диаграмм
1.4 Определение рабочего флегмового числа
Скорость пара и диаметр колонны
2.2 Расчет вязкости компонентов
2.3 Скорость пара и диаметр колонны
3.1 Расчет высоты светлого слоя жидкости на тарелке и паросодержания барботажного слоя
3.2 Определение коэффициентов массопередачи и высоты колонны
Расчет гидравлического сопротивления тарелок колонны
5.1 Выбор материала ректификационной колонны
=0,08 32 + 78 (1-0,08) = 74,32 [кг/кмоль]
MWСМ =0,02 32 + 78 (1-0,02) = 77,08 [кг/кмоль]
Концентрация для дистиллята xP
= = 0,316 [кг/кг смеси]
Концентрация для исходной смеси xF
= = 0,034 [кг/кг смеси]
Концентрация для кубового остатка xW
= = 0,0083 [кг/кг смеси]
Материальный баланс ректификационной колонны по потокам:
W = (1.7)
W= = 3,20766
P = 3,5 – 3,20766 = 0,292
Произведем проверку
F + (1.8)
3,5 0,034 = 3,207 0,0083 + 0,292 0,316
0,119 = 0,119
Материальный баланс сошелся. Следовательно, количество продуктов ректификации определено верно.
В целях упрощения проектного расчета производим расчет для азеотропной смеси метанол - бензол.
Для расчета необходимого числа теоретических тарелок необходимо построение фазовых диаграмм.
Необходимо построить t-x-y - диаграмму заданной бинарной смеси и ее линию равновесия. Для построения этих диаграмм нужно определить равновесные составы паровой и жидкой фаз разделяемой смеси. Воспользуемся справочными данными.
Таблица 1 - Равновесные составы жидкости (x) и пара (y) и температуры кипения (t) азеотропной смеси метанол-бензол.
Рисунок 1.5 - Диаграмма равновесия между паром и жидкостью (состава пара – состав жидкость)
Согласно (рисунку 1.5) произвели определение значений мольных долей пропилена в паре, кмоль/кмоль смеси:
yp = 0,61
yF = 0,48
yW=0,18
tXP = 58,0
tXF = 62,2
tXW =74,1
yXP = 58,0
yXF = 62,2
yXW =74,1
Рисунок 1.6 - Диаграмма равновесия между паром и жидкостью (температура- состава пара и жидкости)
По графику видно, что данная смесь является азеотропной смесью, т.к. температуры пара и жидкости равны.
В целях достижения наибольшей точности расчета проведем определение оптимального флегмового числа и числа теоретических тарелок графическим методом, с последующим сопоставлением результатов с количеством тарелок реально существующей колонны.
Определяем оптимальное рабочее флегмовое число графическим методом, для этого:
Определяем минимальное флегмовое число по формуле [4]:
Rmin = (1.9)
Где xP, xF, y*F – массовые доли в дистилляте, исходной смеси и в паре исходной смеси.
Rmin = = 0,125
Определим значение минимального флегмового числа другим способом. На диаграмме y-x (рисунок 1.1) из точки 1 (xP, yP) через точку 2 (xF, y*F) проводим прямую до пересечения с осью Oy. Отрезок, отсекаемый по оси Oy, обозначим через Bmax.
Из уравнения линий рабочих концентраций для верхней части колонны (для минимального флегмового числа)
Bmax = (1.10)
Из (4) следует, что
Rmin = -1 (1.11)
Выполнив на y-x диаграмме необходимые построения, определим Bmax = 0,476. Значения минимального флегмового числа
Rmin = -1 = 0,113
Значения минимального флегмового числа, определенного разными способами, различны (0,125 0,113), поэтому в дальнейшем расчете будем использовать среднее значение минимального флегмового числа.
Bmax = = 0,119
Рабочее флегмовое число рекомендуется также определять по формуле
Rраб = 1,3
Rmin + 0,3 (1.12)
Тогда
Rраб = 1,3 0,119 +0,3 = 0,4547
Рабочее флегмовое число рекомендуется также определять по формуле
Rраб = Rmin (1.13)
Где – коэффициент избытка флегмы.
В соответствии коэффициент избытка флегмы рекомендовано принимать в интервале от 1,05 до 1,5. Примем значение коэффициента избытка флегмы в пределах от 1,1 до 2,5, поскольку лишь в данных пределах вариации коэффициента избытка флегмы, возможно определение по x-y диаграмме числа теоретических тарелок (рисунок 14-20). При принятии в расчетах коэффициента избытка флегмы 1,1 и менее, значение отрезка B1 увеличивается, увеличивая тем самым и угол наклона рабочей линией укрепляющей части колонны, которая при значении β≤1,1 не пересекает вертикаль заданного состава исходной жидкости, в результате чего не возможно адекватное определение числа теоретических тарелок методом Мак-Кэба и Тиле. Задаемся рядом значений коэффициента избытка флегмы β от 1,05 до 2,5 и рассчитаем соответствующие рабочие флегмовые числа R по формуле (1.13):
Тогда
R1 = 0,125 1,35 = 0,169
R2 = 0,125 1,7 = 0,213
R3 = 0,125 2,3 = 0,288
R4 = 0,125 2,8 = 0,350
R5 = 0,125 3,4 = 0,438
Для каждого значения R на y-x диаграмме строим рабочие линии укрепляющей и исчерпывающей частей колонны по уравнениям:
для укрепляющей части:
y = (1.14)
для исчерпывающей части:
y = (1.15)
Для каждого случая определяем теоретическое число ступеней изменения концентраций Nт по методу Мак-Кэба и Тиле. Рассчитаем число B:
В1 =
= 0,456
В2 = = 0,437
В3 = = 0,411
В4 = = 0,393
В5 = = 0,359
Построим диаграммы x,y. На диаграммах отложим значения В, затем построим рабочие линии укрепляющей и исчерпывающей части колонны и нанесем линии обозначающие теоретические тарелки. По количеству ступеней изменения концентрации, определим число теоретических тарелок (Nт).
Все результаты расчетов для удобства занесены в таблицу 2. Таблица 2. Определение оптимального рабочего флегмового числа
Таблица 2 - Определение оптимального рабочего флегмового числа
= 1,35
R = 0,169
B=0,456
N= 11,5
Рисунок 1.7 - Диаграмма равновесия между паром и жидкостью (состав пара-состав жидкость)
= 1,7
R = 0,213
B=0,437
N= 9,5
MWСМ =0,02 32 + 78 (1-0,02) = 77,08 [кг/кмоль]
Концентрация для дистиллята xP
= = 0,316 [кг/кг смеси]
Концентрация для исходной смеси xF
= = 0,034 [кг/кг смеси]
Концентрация для кубового остатка xW
= = 0,0083 [кг/кг смеси]
Материальный баланс ректификационной колонны по потокам:
W = (1.7)
W= = 3,20766
P = 3,5 – 3,20766 = 0,292
Произведем проверку
F + (1.8)
3,5 0,034 = 3,207 0,0083 + 0,292 0,316
0,119 = 0,119
Материальный баланс сошелся. Следовательно, количество продуктов ректификации определено верно.
1.3 Построение фазовых диаграмм
В целях упрощения проектного расчета производим расчет для азеотропной смеси метанол - бензол.
Для расчета необходимого числа теоретических тарелок необходимо построение фазовых диаграмм.
Необходимо построить t-x-y - диаграмму заданной бинарной смеси и ее линию равновесия. Для построения этих диаграмм нужно определить равновесные составы паровой и жидкой фаз разделяемой смеси. Воспользуемся справочными данными.
Таблица 1 - Равновесные составы жидкости (x) и пара (y) и температуры кипения (t) азеотропной смеси метанол-бензол.
Метиловый спирт – бензол | ||
t °C | x, мольная доля | y, мольная доля |
80,2 | 0 | 0 |
66,9 | 0,05 | 38,5 |
61,1 | 0,10 | 50 |
58,6 | 0,20 | 56 |
58 | 0,30 | 58 |
57,8 | 0,40 | 59 |
57,7 | 0,50 | 60 |
57,6 | 0,60 | 61 |
57,6 | 0,70 | 62 |
58 | 0,80 | 66 |
59,6 | 0,90 | 75 |
64,9 | 1 | 1 |
Рисунок 1.5 - Диаграмма равновесия между паром и жидкостью (состава пара – состав жидкость)
Согласно (рисунку 1.5) произвели определение значений мольных долей пропилена в паре, кмоль/кмоль смеси:
yp = 0,61
yF = 0,48
yW=0,18
tXP = 58,0
tXF = 62,2
tXW =74,1
yXP = 58,0
yXF = 62,2
yXW =74,1
Рисунок 1.6 - Диаграмма равновесия между паром и жидкостью (температура- состава пара и жидкости)
По графику видно, что данная смесь является азеотропной смесью, т.к. температуры пара и жидкости равны.
В целях достижения наибольшей точности расчета проведем определение оптимального флегмового числа и числа теоретических тарелок графическим методом, с последующим сопоставлением результатов с количеством тарелок реально существующей колонны.
1.4 Определение рабочего флегмового числа
Определяем оптимальное рабочее флегмовое число графическим методом, для этого:
Определяем минимальное флегмовое число по формуле [4]:
Rmin = (1.9)
Где xP, xF, y*F – массовые доли в дистилляте, исходной смеси и в паре исходной смеси.
Rmin = = 0,125
Определим значение минимального флегмового числа другим способом. На диаграмме y-x (рисунок 1.1) из точки 1 (xP, yP) через точку 2 (xF, y*F) проводим прямую до пересечения с осью Oy. Отрезок, отсекаемый по оси Oy, обозначим через Bmax.
Из уравнения линий рабочих концентраций для верхней части колонны (для минимального флегмового числа)
Bmax = (1.10)
Из (4) следует, что
Rmin = -1 (1.11)
Выполнив на y-x диаграмме необходимые построения, определим Bmax = 0,476. Значения минимального флегмового числа
Rmin = -1 = 0,113
Значения минимального флегмового числа, определенного разными способами, различны (0,125 0,113), поэтому в дальнейшем расчете будем использовать среднее значение минимального флегмового числа.
Bmax = = 0,119
Рабочее флегмовое число рекомендуется также определять по формуле
Rраб = 1,3
Rmin + 0,3 (1.12)
Тогда
Rраб = 1,3 0,119 +0,3 = 0,4547
Рабочее флегмовое число рекомендуется также определять по формуле
Rраб = Rmin (1.13)
Где – коэффициент избытка флегмы.
В соответствии коэффициент избытка флегмы рекомендовано принимать в интервале от 1,05 до 1,5. Примем значение коэффициента избытка флегмы в пределах от 1,1 до 2,5, поскольку лишь в данных пределах вариации коэффициента избытка флегмы, возможно определение по x-y диаграмме числа теоретических тарелок (рисунок 14-20). При принятии в расчетах коэффициента избытка флегмы 1,1 и менее, значение отрезка B1 увеличивается, увеличивая тем самым и угол наклона рабочей линией укрепляющей части колонны, которая при значении β≤1,1 не пересекает вертикаль заданного состава исходной жидкости, в результате чего не возможно адекватное определение числа теоретических тарелок методом Мак-Кэба и Тиле. Задаемся рядом значений коэффициента избытка флегмы β от 1,05 до 2,5 и рассчитаем соответствующие рабочие флегмовые числа R по формуле (1.13):
Тогда
R1 = 0,125 1,35 = 0,169
R2 = 0,125 1,7 = 0,213
R3 = 0,125 2,3 = 0,288
R4 = 0,125 2,8 = 0,350
R5 = 0,125 3,4 = 0,438
Для каждого значения R на y-x диаграмме строим рабочие линии укрепляющей и исчерпывающей частей колонны по уравнениям:
для укрепляющей части:
y = (1.14)
для исчерпывающей части:
y = (1.15)
Для каждого случая определяем теоретическое число ступеней изменения концентраций Nт по методу Мак-Кэба и Тиле. Рассчитаем число B:
В1 =
= 0,456
В2 = = 0,437
В3 = = 0,411
В4 = = 0,393
В5 = = 0,359
Построим диаграммы x,y. На диаграммах отложим значения В, затем построим рабочие линии укрепляющей и исчерпывающей части колонны и нанесем линии обозначающие теоретические тарелки. По количеству ступеней изменения концентрации, определим число теоретических тарелок (Nт).
Все результаты расчетов для удобства занесены в таблицу 2. Таблица 2. Определение оптимального рабочего флегмового числа
Таблица 2 - Определение оптимального рабочего флегмового числа
№ | | R | N | N(R+1) |
1 | 1,35 | 0,169 | 11,5 | 13,444 |
2 | 1,7 | 0,213 | 9,5 | 11,524 |
3 | 2,3 | 0,288 | 8,5 | 10,948 |
4 | 2,8 | 0,350 | 7,5 | 10,125 |
5 | 3,8 | 0,475 | 7,5 | 11,0625 |
= 1,35
R = 0,169
B=0,456
N= 11,5
Рисунок 1.7 - Диаграмма равновесия между паром и жидкостью (состав пара-состав жидкость)
= 1,7
R = 0,213
B=0,437
N= 9,5