Процесс ректификации бинарной смеси ацетон – этиловый спирт

Производительность колонны по дистиллятору и кубовому остатку определяется по уравнению материального баланса:

(3.6)

(3.7)

Определяем оптимальное флегмовое число.

Найдем минимальное флегмовое число по формуле:

(3.8)

где  - определяем из таблицы 4.1 по значению x_F

Таблица 4.1 – Таблица оптимальных значений[6c.594]

Компоненты		Содержание компонента А, мол.%		Температура кипения, °С	Общее давление, мм.рт.ст.
А	В	В жидкости х	В паре у
Ацетон	Этиловый спирт	0	0	78,3	760
		5,0	15,5	75,4
		10,0	26,2	73,0
		15,0	34,8	71,0
		20,0	41,7	69,0
		25,0	47,8	67,3
		30,0	52,4	65,9
		35,0	56,6	64,7
		40,0	60,5	63,6
		50,0	67,7	61,8
		60,0	73,2	60,4
		70,0	80,2	59,1
		80,0	86,5	58,0
		90,0	92,9	57,0
		100,0	100,0	56,1

(3.9)

Задавшись несколькими значениями коэффициента избытка флегмы, определим соответствующие флегмовые числа R. Число теоретических тарелок найдем графическим построением ступеней изменения концентрации между равновесной и рабочей линиями на диаграмме x-y. Результаты расчетов, необходимых для построения, приведены в таблице 4.2.

Таблица 4.2 – Результаты расчетов

σ	1,2	1,3	1,4	1,5	1,6	1,7
R	1,963	2,127	2,290	2,454	2,618	2,781
N	26	24	22	18	16	17
N(R+1)	77,038	75,048	72,380	62,172	57,888	64,277
b	0,32	0,30	0,29	0,28	0,26	0,25

Рисунок 4.1 – Определение оптимального флегмового числа

По графику определим R_опт:

R_опт = 2,65.

По R_опт построим график и определим число теоретических тарелок. Данный график представлен на рисунке 4.2.

Данному флегмовому числу соответствует 18 теоретических тарелок или ступеней (13 теоретических тарелок в верхней части колонны и 5 теоретических тарелок в нижней части колонны).

Рисунок 4.2 – Расчет числа теоретических тарелок

Материальный поток в верней и нижней частях колонны

Определим расход жидкости L_B, кг/с, по формуле:

(3.10)

Объемный расход жидкости, L_VB, м³/с:

(3.11)

Массовый расход пара, G_B, кг/с:

(3.12)

Объемный расход пара, G_{V B}, м³/с:

(3.13)

где ρ_{y В} – температура кипения ацетона при атмосферном давлении, кг/м³, определяется по формуле:

(3.14)

где T₀ = 273 K;

P_B = P₀ = 0,1 МПа[1c.84];

t_B – температура кипения ацетона при атмосферном давлении, (t_B = 56,2 °С);

Материальные потоки в нижней части колонны

Температура в нижней части колонны принимаем равной температуре кипения этилового спирта выходящей из кипятильника.

Массовый расход жидкости, L_H, кг/с:

(3.15)

Массовый расход пара, G_H, кг/с:

(3.16)

Объемный расход жидкости, L_VH, м³/с:

(3.17)

Объемный расход пара, G_{V H}, м³/с:

(3.18)

где ρ_{y Н} – температура кипения ацетона при атмосферном давлении, кг/м³, определяется по формуле:

(3.19)

где P_B = 0,11 МПа [1c.85];

t_B – температура кипения этилового спирта при атмосферном давлении, (t_B = 78,4 °С) ;

Результаты расчетов сводим в таблицу 4.3.

Таблица 4.3 – Результаты расчетов материального баланса

	Пар			Жидкость
	G,кг/с	ρy, кг/м3	GV, кг/с	L,кг/с	ρx, кг/м3	LV, кг/с
Верхняя часть	9,745	2,147	4,539	7,075	810	0,00874
Нижняя часть	9,745	1,755	5,553	14,575	790	0,0185

3.2 Гидравлический расчет

Расчет диаметра колонны

Скорость пара в сечении колонны, соответствующую захлебыванию, w, м/с, определим по формуле:

(3.20)

где a– удельная поверхность, м²/м³;

ε – свободный объем, м³/м³;

μ_x– вязкость жидкости, Па·с, (для ацетона μ_x = 0,247 Па·с[13], для этанола μ_x = 0,476 Па·с[13]);

b, c – коэффициенты, (при ректификации b = - 0,125[1c.76], c = 1,75[1c.76])

Для керамических колец Рашига: a/ε³ = 137,2[1c.62].

Для верхней части колонны скорость пара равна:

Для нижней части колонны скорость пара равна:

Найдем допустимую скорость пара, w_g, м/с:

(3.21)

Для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

Определим предварительный диаметр колонны, D_K, м:

(3.22)

где К₇ – коэффициент возможного увеличения производительности (K₇ = 1,1[1c77]);

Для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

Принимаем предварительный диаметр D_К = 1,8 м.

Определим предварительное свободное сечение колонны, f_пр, м²:

(3.23)

Определим предварительную скорость жидкости, L_{V пр}, м/с:

(3.24)

Для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

Определим максимально допустимую скорость пара в колонне с учетом типа и материала насадки, w_{g max}, м/с:

(3.25)

где коэффициенты для керамических колец Рашига (50Х50Х5):

К₁ = 0,083 [1c.76];

К₂ = 0,077 [1c.76];

К₃ = 15,5 [1c.76];

К₄ = 955·10^-8 [1c.76];

К₅ = 0,3 [1c.76];

К₆ = 0,08 [1c.76];

A– коэффициент зависящий от вязкости жидкости, и определяется по формуле:

(3.26)

Для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

Для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

Найдем скорость пара, w_p, м/с, по формуле:

(3.27)

Для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

Определим расчетный диаметр колонны, D_P, м, по формуле:

(3.28)

Для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

Принимаем расчетный диаметр колонны D_P = 3 м.

Определим свободное сечение в колонне для диаметра равным 3 м, f_K, м/с, по формуле:

(3.29)

Объемная скорость жидкости, L_Vf, м/с, равна:

(3.30)

Для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

Фактор паровой нагрузки, F_F, кг^0,5/(м^0,5·с),:

(3.31)

Для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

Определим гидравлическое сопротивление 1 м высоты насадки, ΔP, Па:

(3.32)

где L_f– массовая скорость жидкости, кг/(м²·с), определяется по формуле:

(3.33)

Для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

w– скорость, м/с, определяющаяся по формуле:

(3.34)

Для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

Для верхней части колонны:

Для верхней части колонны:

Среднее гидравлическое сопротивление 1 м высоты насадки, ΔP_ср, Па:

(3.35)

Расчет высоты колонны

Высота насадки, эквивалентная теоретической тарелки, h_экв:

(3.36)

где h – допустимая высота насадки между перераспределительными тарелками, м.

Для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

величина f(d/D_K) принимается равной 1, так как d/D_K≤ 0,043[1c.78];

Высота насадки для верхней части колонны равна:

Высота насадки для нижней части колонны равна:

Общая высота насадки, H_нас, м:

(3.37)

Принимаем H_нас = 18 м.

Примем высоту перераспределительной зоны H = 0,5 м.

Расстояние от верха насадки до крышки колонны с учетом установки перераспределительного устройства для орошения насадки и установки отбойников в сепарационном пространстве примем H_В = 2,5 м.

Расстояние между днищем и насадкой рассчитываем, исходя из соотношения:

Общая высота ректификационной колонны определяется по формуле, H, м:

(3.38)

Принимаем общую высоту ректификационной колонны равной