Процесс ректификации бинарной смеси ацетон – этиловый спирт

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

Определяем оптимальное флегмовое число.

Найдем минимальное флегмовое число по формуле:

где  - определяем из таблицы 4.1 по значению x_F

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

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

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:

Объемный расход жидкости, L_VB, м³/с:

Массовый расход пара, G_B, кг/с:

Объемный расход пара, G_{V B}, м³/с:

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

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:

Массовый расход пара, G_H, кг/с:

Объемный расход жидкости, L_VH, м³/с:

Объемный расход пара, G_{V H}, м³/с:

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

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

3.2 Гидравлический расчет

Расчет диаметра колонны

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

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:

Для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

Определим предварительный диаметр колонны, D_K, м:

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:

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

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:

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:

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:

Для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

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

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:

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

Для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

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

Для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

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

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

Для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

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

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:

Расчет высоты колонны

Высота насадки, эквивалентная теоретической тарелки, h_экв:

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:

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:

Принимаем общую высоту ректификационной колонны равной