Расчет и проектирование ректификационной установки. Минимальное флегмовое число. Коэффициент избытка флегмы. Результаты расчетов рабочего флегмового числа

РАСЧЕТ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ

Рассчитать и спроектировать ректификационную установку непрерывного действия для разделения под атмосферным давлением бинарной смеси этанол-вода в схеме производства этанола сернокислотной гидратацией этилена.

Производительность установки по исходной смеси ‑ G_F=13т/ч. Массовая доля легколетучего компонента в исходной смеси ‑ a_F=32%масс, в дистилляте ‑ a_Д=90%масс, в кубовом остатке ‑ a_W=0,9%масс.

Давление греющего пара p = 250 кПа, температура исходной смеси t_см = 24ºС. Смесь этанол – вода подается в ректификационную колонну при температуре кипения. Температура кубового остатка после выхода его из холодильника t_хол.W = 45 ºС, температура дистиллята после холодильника            t_хол.Д = 33 ºС. Тип контактирующих устройств – колпачковые тарелки типа ТСК.

Технологический расчет

Технологическийрасчет ректификационной колонны сводится к вычислению материальных потоков в колонне; параметров, определяющих режим работы колонны (минимального и рабочего флегмового числа); основных геометрических характеристик колонны – диаметра, высоты и некоторых ее элементов – расстояния между тарелками, диаметров штуцеров и т. п.; гидравлического сопротивления колонны; тепловых потоков в ней, позволяющих определить расход греющего пара на колонну, расход воды на дефлегматор и т.д.

При расчете процесса ректификации принимаются следующие допущения:

- концентрация паров, покидающих колонну, равна концентрации дистиллята, возвращаемого в колонну на орошение (у_Д = х_Д);

- концентрация паров, образующихся в кипятильнике, равна концентрации кубового остатка (у_W =  х_W);

- cкрытые мольные теплоты парообразования компонентов смеси равны r_A = r_B, а это значит, что каждый кмоль сконденсировавшегося пара испаряет 1 кмоль жидкости, вследствие чего, количество поднимающегося пара и стекающей жидкости по высоте колонны не изменяется, а лишь меняется их состав. Это допущение позволяет вести расчет процесса ректификации не в весовых, а в молярных величинах;

- исходная смесь поступает в колонну при температуре кипения.

Материальные расчеты процесса ректификации. Количество дистиллята и кубового остатка определяем путем совместного решения уравнений материального баланса

,                            (1)

где G_F = 13 т/ч – производительность установки по кубовому остатку; a_F= 32 % масс. – концентрация метанола в исходной смеси; a_Д = 90 % масс. – концентрация метанола в дистилляте; a_W = 0,9 % масс. – концентрация метанола в кубовом остатке.

Тогда

G_Д=G_F – G_W

G_W =8,46 т/ч

G_Д  =4,54 т/ч

Проверка:

4,16=4,16 т/ч

Количество продуктов ректификации определено верно.

Определение минимального и рабочего флегмового числа. Флегмовым числом называется отношение количества флегмы, направляемой в колонну, к количеству дистиллята, отбираемого в ходе процесса из нее. Оно показывает, в каком соотношении пары, поднимающиеся из колонны и сконденсированные в дефлегматоре, делятся на флегму и дистиллят.

Флегмовое число является важнейшим показателем работы колонны, определяющим и ее размеры (высоту) и расход пара на колонну. Минимальное флегмовое число определим аналитическим и графоаналитическим способами. Для их реализации необходимо построить фазовую диаграмму у–х по экспериментальным данным [25], представленным в табл. 1.

По данным табл. 1 строим фазовую диаграмму y-x (рис. 1) и диаграмму t–y–x (рис. 2). Так как диаграммы построены для составов фаз, выраженных в мольных долях (концентрациях), то пересчитываем заданные массовые концентрации в мольные по формуле

.                                (2)

Индексы «А» и «В» относятся к низкокипящему и высококипящему компонентам смеси, соответственно: М_А = 46кг/кмоль (этанол С₂H₅OH); М_В = 18 кг/кмоль (вода Н₂О), здесь М – молекулярная масса компонента.

 мол. дол.

мол. дол.,

мол. дол.

Минимальное флегмовое число определим по формуле

,               (3)

где  мол. дол. – состав пара, равновесный составу питательной смеси (рис. 1).

Определим значение минимального флегмового числа другим способом. На диаграмме y–x (рис. 1) из точки 1 (x_Д, y_Д) через точку 2 (x_F, ) проводим прямую до пересечения с осью ОY. Отрезок, отсекаемый по оси ОY, обозначим через В_max.

Из уравнения линии рабочих концентраций для верхней части колонны (для минимального флегмового числа)

.                                   (4)

Из (4) следует, что

.

Выполнив на y–x-диаграмме необходимые построения, определим В_max = 0,42. Значение минимального флегмового числа

.

Значение минимального флегмового числа, определенного разными способами различны (0,81 ≠ 0,85), поэтому в дальнейшем расчете будем использовать среднее значение минимального флегмового числа

.

Рабочее флегмовое число также определим двумя способами.

Воспользуемся рекомендацией [29] и формулой

                                                                 .                                                                  (5)

Тогда

.

Рабочее флегмовое число рекомендуется также определять по формуле [7, 22, 25, 29]

                                                                   ,                                                                          (6)

где β – коэффициент избытка флегмы.