Расчет ректификационной колонны для разделения бинарной смеси бензол – толуол

1. Введение
2. Исходные данные для расчета
3. Расчетная часть
3.1. Построение диаграмм: зависимости давления насыщенных паров от температуры; изобары; энтальпийная диаграмма; х-у
3.2. Расчет однократного испарения бинарной смеси
3.3. Расчет материального баланса ректификационной колонны
3.4. Расчет теплового баланса ректификационной колонны
3.5. Расчет режима полного орошения.
3.6. Расчет числа теоретических тарелок на комбинированной и х-у 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

3. Расчетная часть

3.1. Построение зависимости давления насыщенных паров от температуры, кривых изобар пара, жидкости и энтальпильной диаграммы.

3.1.1. Построение зависимости давления насыщенных паров от температуры.

Для построения кривых изобар необходимо определить крайние точки кривых, т. е. температуры кипения HKK и ВКК при заданном давлении в колонне .
Уравнение Антуана:

где давление насыщенных паров;
- константы Антуана;
Представим эту формулу в следующем виде (1) и рассчитаем , . Коэффициенты подберём из таблицы 1.
Таблица 1 – значения М для бензола и толуола.


Бензол
Толуол
Полученный интервал температур кипения разбиваем на 6 примерно равных интервалов, и при данных температурах рассчитываются давления насыщенных паров компонентов P1 и Р2 по следующему уравнению:



1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)

По этим точкам строим график зависимости давления насыщенных паров от температуры.
...

3.5 Расчет режима полного орошения.

Рассмотрим режим полного орошения (РПО).
РПО – это режим работы ректификационной колонны, при котором число теоретических тарелок в колонне N: N = Nmin и флегмовое число R: R → ∞.
Рассчитаем минимальное число тарелок с помощью кривой равновесия фаз на диаграмме х-у. Для этого построим ступенчатые линии между кривой равновесия фаз и диагональю, которая является уравнением рабочей линии РПО (построение начинаем с точки D и завершаем не ближе точки W).
Получаем: Nmin = 9.
...

3.4. Расчет профиля концентраций и нагрузок по высоте колонны
3.4.1. Расчет флегмового и парового числа
Расчет флегмового Rn и парового Пn числа производиться по тепловой диаграмме как отношение отрезков для концентрационной и отгонной частей ректификационной колонны:
и ;
Для тарелки №1:
Для тарелки №7:
Для тарелки №8:
Для тарелки №13:
Полученные результаты введем в таблицу 5 и покажем в виде диаграмме.
Таблица 5. - Распределение флегмового и парового чисел по высоте колонны.
№ тарелки
Rn
№
тарелки
Пn
1
3.50
8
1.78
2
3.41
9
1.82
3
3.33
10
1.89
4
3.25
11
1.92
5
3.17
12
1.95
6
3.09
13
1.98
7
3.02



Диаграмма 4 - Зависимость флегмового и парового числа от числа тарелок.
Определим, удовлетворяет ли найденное нами флегмовое число в режиме рабочего орошения. Для этого нужно определить, лежит ли точка А с координатами (RРРО; NРРО) пределах рабочей области:
Режим минимального орошения: Nmin = 9; Rmin = 2.
...

3.5. Расчет фактического числа тарелок
Расчет по вышеописанному алгоритму числа теоретических тарелок, необходимых для получения продуктов ректификации заданного качества, основан на использовании законов Дальтона и Рауля, применимых лишь для идеальных газов и растворов. В реальности поведение газов и растворов в той или иной степени отклоняется от поведения идеальных газов и растворов. А также при однократном контакте не достигается полного равновесия взаимодействующих фаз и давление переменно по высоте колонны.
Для определения числа реальных тарелок необходимо принять коэффициент полезного действия тарелок - величина, учитывающая отклонение реального от идеального поведения газов и растворов в процессе ректификации. Для концентрационной (укрепляющей) секции колонны КПД тарелок лежит в пределах: () а для отгонной секции - в пределах().
...

Расчет диаметра колонны проводится по наиболее нагруженному по
паровому потоку сечению колонны – в укрепляющей секции под верхней тарелкой. Сечение Fk и соответствующий диаметр колонны Dk определяются по секундному объемному расходу паров Vc в наиболее нагруженном сечении и допустимой скорости паров в свободном сечении Wдоп по следующим формуле:

где - диаметр ректификационной колонны, м;
- допустимая скорость паров в полном сечении колонны, м/с;
- объемный расход пара на второй тарелке, м3/ч;
, - плотности жидкости, пара и при температуре t соответственно на второй тарелке;
С – коэффициент, величина которого зависит от конструкции тарелок, расстояния между тарелками и поверхностного натяжения жидкости принимаем C=900;
α - коэффициент объемного расширения жидкости.
...

3.7. Расчет высоты ректификационной колонны
Высота цилиндрической части корпуса колонны определяется прежде всего числом реальных тарелок и расстоянием между ними, который зависит от условий проектируемого процесса. Кроме того, следует учесть высоту над верхней тарелкой h1 (h1 - высота необходимая для монтажа штуцера распределителя жидкости и сепарации потока) и нижней тарелкой колонны h3 (h3 - высота зоны под нижней тарелкой, необходимая для создания столба жидкости, обеспечивающего самотек), а также высоту зоны питания h2 (h2 – высота зоны сепарации сырьевого парожидкостного потока, а также для монтажа отбойников).

Рисунок 4 – Принципиальная схема колонны для расчета её высоты.
...

3.9. Расчет кипятильника

В расчете поверхности кипятильника, используемой в ректификационной колонне, учтем, что насыщенный пар конденсируется при постоянной температуре tвп , соответствующей его давлению, и температура в кипятильнике tw остаётся постоянной. Кипятильник изображен на рисунке 4.
Выберем значение температуры насыщенного пара по её давлению и приведём её теплоту парообразования при этой температуре, исходя из условия, что разность температур была не менее 20°С:
Таблица 7 - Теплота парообразования насыщенного
водяного пара в зависимости от давления

Давление
пара,
атм
Температура
tвп, °С
Теплота парообразования

6
158,1
500

Найдем разность температур между тепло-обменивающимися средами - остатком и паром:

- температура водяного пара;
- температура жидкости, стекающей из отгонной части в
ребойлер, т. е.
...

3.10. Расчет диаметров штуцеров ректификационной колонны
Расчет диаметров штуцеров ректификационной колонны производиться как и диаметр самой колонны - в зависимости от объемного расхода и допустимой линейной скорости.
Приведем схему колонны со штуцерами и обозначим их:

Рисунок 4 – Принципиальная схема колонны со штуцерами

3.10.1. Расчет штуцеров вывода паров дистиллята и орошения
Расчет диаметра производиться по формуле:

Массовый расход на выходе из колонны равен массовому расходу пара поднимающемся из второй теоретической тарелки.






В соответствии со стандартом, диаметр принимаем d1=0.4м.

3.10.2. Расчет диаметра штуцера ввода холодного орошения
Расчет диаметра производиться по формуле:

Массовый расход орошения равен массовому расходу жидкости на первой теоретической тарелке:







В соответствии со стандартом, диаметр принимаем d2=0.07м.
...

4. Заключение
В данной работе по исходным данным в пункте 2 была спроектирована ректификационная колонна. Для этого был изучен процесс ректификации; рассчитаны размеры колонны и её основные показатели работы; также подобраны диаметры штуцеров ввода и вывода сырья, паров и жидкости, параметры конденсатора-холодильника и кипятильника (которые являются составной частью колонны):
• число теоретических тарелок в колонне - Nт = 13;
• число фактических тарелок вверху колонны - Nукр = 10;
• число фактических тарелок внизу колонны - Nотг = 13;
• диаметр колонны - dК = 1.6 м;
• высота колонны - HК = 13.5 м;
• размеры штуцеров:
◦ d1 = 0.4 м;
◦ d2 = 0.07 м;
◦ d3 = 0.05 м;
◦ d4 = 0.4 м;
◦ d5 = 0.175 м;
• поверхность конденсатора – холодильника -
• расход жидкости в конденсатора – холодильника -
• поверхность кипятильника -
• расход пара в кипятильнике -
Также, в работе приведена графическая схема колонны.
...