Расчет насадочной ректификационной колонны непрерывного действия по разделению смеси хлороформ-бензол (стр. 2 из 3)

Определим R по этой рекомендации. Пересчитаем составы фаз из массовых долей в мольные по соотношению:

(3)

где М_х и М₆ – молекулярные массы соответственно хлороформа и бензола, кг/кмоль.

Получим:

кмоль/кмоль смеси

Аналогично найдем: X_P=0.975 кмоль/кмоль смеси; X_W=0.036 кмоль/кмоль смеси.

Тогда минимальное флегмовое число равно:

Рабочее флегмовое число:

R= 1.3*R_min+0.3 = 1.3*33,69+0.3 = 44,097

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

L_B=P*R*M_B/M_P; (4)

L_H= P*R*M_H/M_P +F*M_H/M_F; (5)

где M_P и M_F – мольные массы дистиллята и исходной смеси. M_B и M_H-средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно.

Мольную массу дистиллята в данном случае можно принять равной мольной массе легколетучего компонента-хлороформа. Средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равны:

M_B=M_XX_CP.B+M₆(1-X_CP.B);

M_H=M_XX_CP.H+M₆(1-X_CP.H);

где M_B и M_H – мольные массы хлороформа и бензола;

X_CP.B и X_CP.H– средние мольные составы жидкости соответственно в верхней и нижней частях колонны:

X_CP.B = (X_P+X_F)/2 = (0.177+0.975)/2 = 0.576 кмоль/кмоль смеси

X_CP.H= (X_F+X_W)/2 = (0.177+0.036)/2 = 0.107 кмоль/кмоль смеси

Тогда:

M_B=64*0.576+78(1-0.576)=69.9 кг/кмоль

M_H=64*0,107+78(1-0,107)=76,5 кг/кмоль

Мольная масса исходной смеси:

M_F=M_X*X_F+M₆(1-X_F)=64*0.177+78(1-0,177)=75,5 кг/кмоль

M_P=M_X*X_P+M₆(1-X_P)=64*0.975+78(1-0.975)=64.35 кг/кмоль

Подставим рассчитанные величины в уравнения (4) и (5), получим:

L_B=0,11*44,097*69,9/64,35=5,27 кг/с

L_H=0,11*44,097*76,5/64,35+0,83*76,5/75,5 = 6,61 кг/с

Уравнения рабочих линий

1. Уравнение верхней части колонны:

2. Уравнение нижней части колонны:

где F – относительный мольный расход:

Тогда получим:

1.

2.

Средние массовые потоки пара в верхней и нижней частях колонны:

G_B=P*(R+1)*M_B^’/M_P (7)

G_H=P*(R+1)* M_H^’/M_P

где M_B^’ и M_H^{’ –} средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны:

M_B^’=М_Х*y_CP.B+M_Б(1 - y_CP.B) (8)

M_H^’=М_Х*y_CP.H+M_Б(1 - y_CP.H)

где y_CP.H и y_CP.H− средние концентрации пара, найдем по уравнениям рабочих линий:

1. В верхней части колонны:

y_CP.B=0.978*X_CP.B+0.022 = 0.978*0.576+0.022 = 0.585 кмоль/кмоль смеси

2. В нижней части колонны:

y_CP.H=1.126*X_CPH– 0,0045 = 1,126*0.107 - 0,0045 = 0.116 кмоль/кмоль смеси

Тогда:

M_B^’=64*0,585+78(1-0,585)=69,81 кг/кмоль

M_H^’=64*0,116+78(1-0,116)=76,38 кг/кмоль

Подставив численные значения в уравнение (7), получим:

G_B=0,11(44,097+1)69,81/64,35 = 5,38 кг/с

G_Н=0,11(44,097+1)76,38/64,35 = 5,89 кг/с

2.2 Скорость пара и диаметр колонны

Плотность жидкости и пара в верхней и нижней частях колонны при средних температурах в них. Средние температуры паров определим по диаграмме t-x,y по средним составам фаз: t_B=75,5⁰C; t_H=79,7⁰C.

Тогда:

(9)

Отсюда получим:

=69,81*273/22,4(273+75,5) =2,44 кг/м³

=76,38*273/22,4(273+79,7)=2,64 кг/м³

Средняя плотность паров в колонне:

=( + )=(2,44+2,64)/2 = 2,54 кг/м³

В данном случае плотности жидких хлороформа и бензола близки.

Температура вверху колонны при y_D=0.975 равняется 63,4⁰С, а в кубе-испарителе при X_W=0.036 она равняется 80,3⁰С. Плотность жидкого хлороформа при 63,4⁰С:

=1405 кг/м³, а жидкого бензола: =814 кг/м³.

Тогда средняя плотность жидкости в колонне равна:

_Ж=( + )/2=(1405+814)/2 = 1109,5 кг/м³

Предельная скорость пара в верхней и нижней частях колонны:

где а – удельная поверхность насадки, м²/м³;

e – свободный объем насадки, м³/м³ (в ректификационных колоннах работающих при атмосферном давлении для разделения агрессивных жидкостей, а также в тех случаях, когда не требуется частая чистка аппарата, обычно применяют керамические кольца Рашига. Для данного случая примем насадку из керамических колец Рашига размером 50´50´50 мм. Удельная поверхность насадки 87,5 м²/м³, свободный объем насадки 0,785 м³/м³, насыпная плотность 530 кг/м³).

Вязкость жидких смесей:

Вязкости жидкостей в верхней и нижней частях колонны:

Откуда

МПа*с

МПа*с

Предельная скорость пара в верхней части колонны:

Откуда

м/с

Предельная скорость пара в нижней части колонны:

Откуда

м/с

Примем рабочую скорость на 30% ниже предельной:

м/с, м/с

Найдем среднюю скорость паров:

м/с

Ориентировочный диаметр колонны определяют из уравнения расхода:

Принимаем средний массовый поток пара в колонне G равным полусумме G_B и G_H:

G=(5,38+5,89)/2 = 5,64 кг/с

Диаметр колонны:

м

Рационально принять стандартный диаметр колонны d=1,4 м. При этом действительные рабочие скорости паров в колонне равны:

2.3 Высота колонны

ректификация бензол хлороформ колонна смесь

Эквивалентная высота насадки:

где s – поверхностное натяжение жидкости, Н/м.

m – тангенс угла наклона равновесной линии.

Высота слоя насадки:

где

- теоретическое число изменения концентраций (как видно из графика для верха – 9, для низа – 13 шт.)

Принимаем КПД насадки равное 0,7, тогда действительное число изменения концентраций:

.

Принимаем 32 шт. (13 и 19 шт.)

Высоту колонны определим по формуле [5]:

Н _К=Н_н+(n-1)h_p +Н_СЕП+Н_КУБ

где h_p – высота промежутков между секциями насадок, м;

Н_СЕП – высота сепарационного пространства, м;

Н_КУБ – расстояние между днищем колонны и насадкой, м.

Для колонны диаметром d=1,4 м по [5] принимаем:

Н_СЕП = 1000 мм

Н_КУБ = 2000 мм

Тогда высота колонны будет равна:

Н_К=11,84+(32-1)0,3+1+2=24,14 м.

2.4 Гидравлический расчет колонны

Гидравлическое сопротивление насадки Δр:

ΔР=1^169UΔР_c

Гидравлическое сопротивление сухой (неорошаемой) насадки: