Расчет ректификационной колонны для разделения смеси хлороформ-бензол производительностью 13200 кг/ч

Смесь для ректификации: хлороформ (СНСl3) и бензол (C6H6)

Равновесие в системе пар - жидкость при давлении 760 мм.рт. ст.:

Хлороформ - бензол

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОСНОВНОГО АППАРАТА

1.1 МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС

Обозначим весовой расход дистиллята через GD [кг/ч], расход кубового остатка GW [кг/ч] и расход исходной смеси GF [кг/ч]. Массовый расход дистиллята GD и кубового остатка GW определяем из уравнения материального баланса колонны по низкокипящему компоненту (по хлороформу):

Проверяем:

Для дальнейших расчетов необходимо концентрации питания, дистиллята и кубового остатка выразить в молярных долях. Посчитаем молярные массы веществ участников реакции:

М(CHCl3)=119,5 г/моль M(C6H6)=78 г/моль

Питание:

Дистиллят:

Кубовый остаток:

Относительный мольный расход питания:

Определим минимальное число флегмы:

y*=0,306

где - мольная доля хлороформа в паре, равновесном с жидкостью питания, определяется по диаграмме y*-x

Рабочее число флегмы: R = 1,3·Rmin + 0,3; R = 1,3·5+ 0,3= 6,8

Уравнение рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части колонны:

; у = 0,872 + 0,113

б) нижней (исчерпывающей) части колонны:

;

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ПАРА И ДИАМЕТРА КОЛОННЫ

Средние составы пара:

а) в верхней части колонны:

;

б) в нижней части колонны:

Средние составы пара находим по уравнениям рабочих линий:

а) в верхней части колонны:

= 0,85 + 0,130 = 0,85•0,543+0,130= 0,592

б) в нижней части колонны:

= 1,35 - 0,0103 = 1,35 ·0.132 - 0,0103 = 0,168

Средние температуры пара определяем по диаграмме t-y,x:

а) при = 0,592 = 75,5 єС,

б) при = 0,168 = 79,5 єС.

Средние мольные массы и плотности пара:

а) = •Мх+(1-)•Мб = 0,592·119,5 + 0,408 ·78 = 102,57 кг/кмоль

б) = •Мх+(1-)•Мб= 0,168·119,5+ 0,832·78 =84,97 кг/кмоль

Средняя плотность пара в колонне:

Температура вверху колонны при хD = 0,883 t = 65 єС, а в кубе-испарителе при xW= 0,061 t = 82є С. Плотность хлороформа при t = 65 єС pх=1366,5 кг/м3, а бензола при t = 82 єС - pб = 812,8 кг/м3.

Средняя плотность жидкости:

Расстояние между тарелками h=300мм.

Определим скорость пара в колонне по следующему уравнению:

м/с

Объемный расход, проходящего через колонну пара при средней температуре в колонне:

; 0C

;

МD=кг/кмоль

м3/с

Диаметр колонны:

м

По каталогу-справочнику принимаем D = 2000 мм

Тогда скорость пара в колонне будет равна:

; м/с

3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТАРЕЛОК

Принимаем следующие значения ситчатой тарелки: диаметр отверстия d0= 4 мм, высота сливной перегородки hп = 40 мм, свободное сечение тарелки (суммарная площадь отверстий) 8% от общей площади тарелки. Площадь, занимаемая двумя сегментными переливными стаканами, составляет 20% от общей площади тарелки.

Рассчитаем гидравлическое сопротивление тарелки в верхней и нижней части колонны:

Сопротивление пароожиженного слоя на тарелке:

а) Верхняя часть колонны.

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

- коэффициент сопротивления тарелок со свободным сечение 8%; щ0 = 0,54/0,08 = 6,75 м/с - скорость пара в отверстиях тарелки.

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

где у = 22,1·10-3 Н/м - поверхностное натяжение жидкости при средней температуре в верхней части колонны 75,5 оС (у хлороформа и бензола практически одинаковое поверхностное натяжение); d0=0,004 м - диаметр отверстий тарелки.

Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

Объемный расход жидкости в верхней части колонны:

Периметр сливной перегородки П находим решая систему уравнений:

где R = 1 м - радиус тарелки; - приближённое значение площади сегмента.

Решение даёт: П = 1,47 м; b = 0,32 м. Находим Дh:

Высота парожидкостного слоя:

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части:

б) Нижняя часть колонны.

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

при 79,5 °С у= 21,4·10-3 Н/м

Сопротивление пароожиженного слоя на тарелке:

где - средняя мольная масса жидкости, кг/кмольVж - объёмный расход жидкости, м3/с; П - периметр сливной перегородки, м; k = спж/сж - отношение плотности парожидкостного слоя (пены) к плотности жидкости, принимаем приближённо равным 0,5.

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части:

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛА ТАРЕЛОК И ВЫСОТЫ КОЛОННЫ

Находим число ступеней изменения концентрации в верхней части колонны , в нижней части , всего 20 ступеней.

При средней температуре в колонне 77,5 °С давление насыщенного пара хлороформа Рх = 1544 мм.рт. ст., а бензола Рб = 683 мм. рт. ст.

Тогда компонент относительной летучести компонентов:

Динамическая вязкость хлороформа при 77,5 °С, бензола

.

Принимаем динамическую вязкость смеси исходного состава как среднее арифметическое значение:

Тогда

Тогда по таблице находим .

Длина пути, проходимого жидкостью по тарелке:,

где b = 0,32

По значению длины пути находим значение поправки на длину пути. Так как она очень мала, то ею можно пренебречь.

Средний КПД тарелок определяется по уравнению:

Для сравнения рассчитывают средний КПД тарелки по критериальной формуле:

,

где

Коэффициент диффузии легколетучего компонента в исходной смеси:

,

,

Молекулярный объем диффундирующего вещества равен:

Средний КПД тарелки:

Число тарелок определяется по наименьшему благоприятному значению :

а) в верхней части колонны:

27 + 2 = 29

в) в нижней части колонны:

18 + 3 = 21

Общее число тарелок n = 45. С запасом принимаем 50 тарелок, из них 29 тарелок в верхней части и 21 в нижней.

Высота тарельчатой части колонны:

Общее гидравлическое сопротивление тарелок:

5. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ

Тепловой поток, отдаваемый охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе:

Здесь ,

где rб,rх- удельная теплота конденсации CHCl3 и C6H6.

Тепловой поток, получаемый в кубе-испарителе от греющего пара: