Материальный баланс колонны

Размещено на http://www.allbest.ru/

Технологический расчет

Дано:

Смесь хлороформ-бензол, G = 15000 кг/ч=4,167 кг/с

Тарелки колонны - ситчатые.

Материальный баланс, рабочее флегмовое число.

Производительность колонны по дистилляту D и кубовому остатку W определим из уравнений материального баланса колонны:

Отсюда находим:

Переводим массовые концентрации в мольные доли:

, здесь

М₁=119,38 кг/кмоль - мольная масса хлороформа;

М₂=78,11 кг/кмоль - мольная масса бензола.

Относительный мольный расход питания:

По данным строим равновесную кривую на рис. 1

Определяем по рисунку =0,547

Минимальное флегмовое число:

Для определения оптимального флегмового числа:

Пусть в=1,05 - коэффициент избытка флегмы, тогда рабочее флегмовое число R=в? R_min=1,05?2,411=2,531

Уравнение рабочей прямой верхней части колонны:

,

строим на рис. 1



В нижней части рабочая линия выше равновесной, отбрасываем эту точку.

Уравнение рабочей прямой верхней части колонны:

Пусть в=1,35 - коэффициент избытка флегмы, тогда рабочее флегмовое число R=в? R_min=1,35?2,411=3,255

Уравнение рабочей прямой верхней части колонны:

,

строим на рис. 2



Пусть в=1,75 - коэффициент избытка флегмы, тогда рабочее флегмовое число R=в? R_min=1,75?2,411=4,219

строим на рис. 3



Пусть в=2,35 - коэффициент избытка флегмы, тогда рабочее флегмовое число R=в? R_min=2,35?2,411=5,666

Уравнение рабочей прямой верхней части колонны:

,

строим на рис. 4



Пусть в=3 - коэффициент избытка флегмы, тогда рабочее флегмовое число R=в? R_min=3?2,411=7,233

Уравнение рабочей прямой верхней части колонны:

,

строим на рис. 5



Пусть в=3,3 - коэффициент избытка флегмы, тогда рабочее флегмовое число R=в? R_min=3,3?2,411=7,956

Уравнение рабочей прямой верхней части колонны:

,

строим на рис. 6



Пусть в=3,7 - коэффициент избытка флегмы, тогда рабочее флегмовое число R=в? R_min=3,7?2,411=8,921

Уравнение рабочей прямой верхней части колонны:

,

строим на рис. 7



Полученные результаты сводим в таблицу:

в	1,35	1,75	2,35	3	3,3	3,7
R	3,255	4,219	5,666	7,233	7,956	8,921
N	66	38	28	24	23	22
N(R+1)	280,83	198,32	186,648	197,59	206	218,26

По данным таблицы строим график зависимости N(R+1) от R cм. Рис. 8.



По графическим данным Rопт=5,666

Тогда рабочие прямые:

,

строим их на рис. 9.



Средние массовые расходы по жидкости для верхней и нижней частей колонны определяем из соотношений:

LВ = D?R?МВ/МD;

LН = D?R?МН/МD + F·МН/МF,

здесь

МD = хD·М1 + (1 - хD)·М2 = 0,911 · 119,38 + (1 - 0,911) · 78,11 = 115,71 кг/кмоль - мольная масса дистиллята;

МF = хF ·М1 + (1- хF) · М2 = 0,396·119,38 + (1-0,396) · 78,11 = 94,45 кг/кмоль - мольная масса исходной смеси;

МВ, МН - средние мольные массы жидкости для верхней и нижней частей колонны:

МВ = хсрв · М1 + (1 - хсрв) · М2

МН = хсрн · М1 + (1 - хсрн) · М2, здесь средние концентрации:

xсрв = (хF + хD) / 2 = (0,396 + 0,911) / 2 = 0,654 кмоль/кмоль

xсрн = (хF + хW) / 2 = (0,396 + 0,027) / 2 = 0,212 кмоль/кмоль

МВ = 0,654 · 119,38 + (1 - 0,654) · 78,11 = 105,1 кг/кмоль

МН = 0,212 · 119,38 + (1 - 0,212) · 78,11 = 86,9 кг/кмоль, тогда

LВ = 2,13 · 5,666 · (105,1 /115,71) = 10,96 кг/с

LН = 2,13· 5,666 · (86,9/116,33) + 4,167 · (86,9 /94,45) =12,67 кг/с

Средние массовые потоки пара в верхней GВ и нижней GН частях колонны:

GВ = D·(R + 1) М'В /МD

GН = D·(R + 1) М'Н /МD,

здесь М'В, М'Н - средние мольные массы паров в

верхней и нижней частях колонны

М'В = yсрв · М1 + (1 - yсрв) · М2

М'Н = yсрн · М1 + (1 - yсрн) · М2,

здесь средние концентрации паров определяем из уравнений рабочих прямых:

усрв = (уF + уD) / 2 = (0,547 + 0,965)/2=0,756 кмоль/кмоль

усрн = (уF + уW) / 2=(0,547+0,032)/2=0,29 кмоль/кмоль

М'В = 0,756 · 119,38+ (1 - 0,756) · 78,11 =109,31 кг/кмоль

М'Н = 0,29 · 119,38+ (1 - 0,29) · 78,11 =90,08 кг/кмоль, тогда

GВ =2,13 · (5,666 + 1) ·109,31 /115,71 =13,41 кг/с

GН = 2,13 · (5,666 + 1) ·90,08/115,71 =11,05 кг/с

Скорость пара и диаметр колонны

Расчет скорости пара для ситчатых тарелок выполняется по уравнению:

Коэффициент C зависит от расстояния между тарелками. Примем h=0,5 м. С=0,05. Таким образом, скорость пара для ситчатых тарелок:

Определяем средние температуры паров и жидкости по данным t-x,y-диаграммы из равновесных данных [1]:

При y_срв=0,756 кмоль/кмоль t_yв=72,93єС

При y_срн=0,29 кмоль/кмоль t_yн=78,28

При x_срв=0,654 кмоль/кмоль t_xв=74,66єС

При x_срн=0,212 кмоль/кмоль t_xн=78,3єС

су - плотность паров;

Плотность пара для верхней части колонны:

Средняя плотность жидкости:

,

здесь концентрации в объемных долях, при 74,66єС и 78,3єС.

Скорость пара:

м/с

Диаметр колонны

в верхней части колонны:

в нижней части колонны:

Принимаем стандартный диаметр колонны 2000 мм.

При этом рабочая скорость пара:

Для колонны диаметром 2000 мм выбираем ситчатую однотопочную тарелку ТС-Р диаметром 2000мм со следующими конструктивными размерами:

Свободное сечение тарелки F_с = 15,8

Высота переливного порога h_пер=30 мм;

Относительная площадь для прохода паров F_с=10,9%;

Рабочее сечение тарелки S_т=2,822 м²;

Ширина переливного порога b=1190 мм;

Шаг между отверстиями d_o=15 мм;

Скорость пара в рабочем сечении тарелки:

W_Т=w· 0,785·d²/ S_т=1,114·0,785·4/2,822=1,239 м/с.

Высота светлого слоя жидкости на тарелке и газосодержание барботажного слоя.

Высоту светлого слоя жидкости h₀ для ситчатых тарелок находят по уравнению:

h₀=0,787q^0,2h_пер^0,56m[1-0,31exp(-0,11м_x)] (у_x/у_в)^0,09,

где q=L/(с_хb) - удельный расход жидкости на 1 м ширины сливной перегородки, м²/с;

b - ширина переливного порога, м;

h_пер - высота переливного порога, м;

у_x, у_б - поверхностное натяжение соответственно хлороформа и бензола при средней температуре в колонне;

м_x - динамическая вязкость хлороформа в мПас

m=0,05-4,6 h_пер=0,05-4,60,03=-0,088

Для верхней части колонны:

h_0в=0,787(10,96/(1434•1,19))^0,20,03^0,561,047^-0,088 [1-0,31exp(-0,11)0,316] (25,1/58,9)^0,09=0,023 м

Для нижней части колонны:

h_0н=0,787(12,76/(1388•1,19))^0,20,03^0,561,047^-0,088 [1-0,31exp(-0,11)0,371] (25,1/58,9)^0,09=0,022 м

Паросодержание барботажного слоя находим по формуле:

,

где Fr=²/(gh₀)

Для верхней части колонны:

Fr_в=1,239²/(9,810,023)=6,8;

Для нижней части колонны:

Fr_н=1,239²/(9,810,022)=7,113; ;

Коэффициенты массопередачи и высота колонны.

Вычисляем коэффициенты массоотдачи:

D_x= D_x20[1+b(t-20)]

Коэффициенты диффузии в жидкостях:

D_x20 при 20?С по формуле:

D_x20=,

где А,В - коэффициенты, зависящие от свойств растворённого вещества и растворителя;

, - мольные объёмы компонентов в жидком состоянии при температуре кипения, см³/моль;

- вязкость жидкости при 20?С, мПас

Вязкость жидких смесей µ_x находим по уравнению:

lg µ_x =x_ср· lg µ_xх+(1-х_ср) ·lg µ_xб. ,

где µ_xх и µ_б-вязкость хлороформа и бензола при температуре смеси.

lg µ_xв=0.654 ·lg0.279+(1 - 0.654)· lg0.455= - 0.5

lg µ_xн=0.212 ·lg0.264+(1 - 0.212)· lg0.428= - 0.43

µ_xв=0,316 мПа·с µ_xн=0,371 мПа·с

µ_x = (µ_xв+ µ_xн)/2=(0,316+0,371)/2=0,344 мПа·с

D_x20==6,2710^-9 м²/с

Температурный коэффициент рассчитываем по формуле:

,

где значения берём при 20?С

Тогда

D_xв= 6,2710^-9 [1+0,02(74,66-20)]=17,9810^-9 м²/с

Аналогично для нижней части:

D_xн= 6,2710^-9 [1+0,02(78,3-20)]=16,4310^-9 м²/с

Коэффициент диффузии в паровой фазе может быть вычислен по уравнению:

D_y=

Т- средняя температура в соответствующей части колонны, К;

Р- абсолютное давление в колонне, Па.

Для верхней части колонны:

D_yв=

Для нижней части колонны:

D_yн=

Коэффициенты массоотдачи:

Для верхней части колонны коэффициент массоотдачи в жидкой фазе:

Определяем вязкость паров для верхней части колонны:

- вязкость паров хлороформа и бензола при средней и верхней части колонны, МПас, y_в- средняя концентрация паров.

Тогда для нижней части колонны аналогично:

Примем:

Тогда коэффициент массоотдачи в паровой фазе:

Для нижней части колонны коэффициент массоотдачи в жидкой фазе:

коэффициент массоотдачи в паровой фазе:

Пересчитаем коэффициент массоотдачи на кмоль/(м²с) для верхней части колонны:

=0,529=0,5291434/105,1=7,218 кмоль/(м²с)

=0,27 =0,273,851/109,31=0,0095 кмоль/(м²с)

Для нижней части колонны:

2,4317=2,43171388/86,9=38,84 кмоль/(м²с)

= =1,563,125/90,08=0,054 кмоль/(м²с)

колонна дистиллят флегма

Размещено на Allbest.ru