Расчет ректификационной колонны непрерывного действия для разделения бинарной смеси метиловый спирт-вода

диаграмме t-x,y (Приложение А) по линии конденсации определяется температура конденсации пара t_CP, соответствующая среднемольному составу пара y_CP; t_CP = 78,5

Плотность паров при данной температуре ρ_П, кг/м³ рассчитывается по формуле:

_П =                                                              (2.13)

где P - давление в колонне, Па

T - температура паров, K

T = 78,5 + 273 = 351,5K

P_o = 0,1 МПа

T_o = 273 K

_п =  кг/м³

Объемный расход пара в колонне V_П, м³/с рассчитывается по формуле:

V_п =,                                                                (2.14)

V_п =  кг/м³

Определение объемного расхода жидкости в верхней части колонны , м³/с

Средняя температура кипения жидкой смеси в верхней части колонны ,  рассчитывается по формуле:

 =                                                              (2.15)

 

По диаграмме t-x,y (Приложение А) определяется средний мольный состав жидкой смеси в верхней части  колонны  при 70,5; = 0,64 мол. д.

Плотность метилового спирта и воды при 70,5:

_С = 746 кг/м³; _В = 977 кг/м³. [1, 420]

Средняя плотность жидкой смеси в верхней части колонны , кг/м³  рассчитывается по формуле:

=                                    (2.16)

где _НК, _ВК - плотности  низкокипящего и высококипящего                                     компонента при  , кг/м³

 801,8 кг/м³

Количество жидкости в верхней части колонны L, кг/с рассчитывается по формуле:

                                                     (2.17)

 кг/м³

Объемный расход жидкости , м³/с в верхней (концентрационной) части колонны

,                                                                    (2.18)

0,00103 м³/с

Определение объемного расхода жидкости в нижней части колонны , м³/с

Средняя температура кипения жидкой смеси в нижней части колонны рассчитывается по формуле:

,                                                              (2.19)

По диаграмме определяется средний мольный состав смеси  при температуре 86,5,  мол. д.;

 кг/м³; = 973 кг/м³. [1, 420]

Средняя плотность жидкой смеси в нижней части колонны , кг/м³ рассчитывается по формуле:

                                       (2.20)

 кг/м³

Количество жидкости  в нижней части колонны , кг/с рассчитывается по формуле:

                                         (2.21)

= G_Ф + G_F = 0,7813 · 1,1+ 1,53 = 2,389

 кг/м³

Определение рабочей скорости паров в колонне , м/с

Выбираем ситчатые тарелки h_т=400 мм, коэффициент c для ситчатых тарелок равен 0,06

= c ·,                                                                (2.22)

где с - коэффициент, зависящий от типа тарелки. Коэффициент можно определить по диаграмме.

 м/с

 м/с

                                                             (2.23)

 м/с

Рабочая скорость паров  м/с

 м/с

2.3 Конструктивный расчет

Определение диаметра колонны

Диаметр колонны d, м рассчитывается по формуле:

d=                                                                   (2.24)

d= м

Стандартный диаметр в соответствии с ГОСТ равен 1400 мм

Уточняется скорость паров в колонне по формуле:

                                                                   (2.25)

 м/с

Определение высоты ректификационной колонны

По диаграмме у-х (Приложение Б) определяется число теоретических тарелок n_Т путем вписывание ступеней между линией равновесия и рабочими линиями: n_т = 8;

Расчет относительной летучести , вязкости смеси  и определения к.п.д тарелок , , , для удобства сводится в таблицу (2.3)

Давление насыщенных паров метилового спирта и воды,  P_С и P_В при данной температуре определяется по диаграмме зависимости P от t_кип.  Вязкость метилового спирта и воды µ_С и µ_В при данной температуре берутся из [1, 432]; к.п.д тарелок определяются по диаграмме y-х (Приложение Б).

Таблица 2.3 Расчет к.п.д тарелок

Заданные параметры, определяемые параметры	Верхняя часть колонны		Эвапарационная часть колонны		Нижняя часть колонны
	tD	xD	tF	xF	tW	xW
	70,5	0,932 мол. д.	78,5	0,3598 мол. д.	86,5	0,0114 мол. д.
PС, кПа	927		1341		1897
PВ, кПа	234		355		526
Α =	3,96		3,77		3,6
µС, мПа·с	0,32		0,29		0,26
µВ, мПа·с	0,413		0,357		0,32
µсм, мПа·с	0,41		0,36		0,31
α·µсм	1,62		1,36		1,116
	0,41		0,43		0,48

Формула вязкости смеси:

µ_см = µ_С · +                                                     (2.26)

µ_см = 0,375 · + 0,29 ·  = 0,2914

µ_см = µ_С · +                                                     (2.27)

µ_см = 0,32 ·  + 0,413 · = 0,4121

µ_см = µ_С · +                                                     (2.28)

µ_см= 0,26 ·  + 0,320 ·  = 0,319994

Средний к.п.д тарелок рассчитывается по формуле:

                                                                (2.29)

= 0,44

Средний к.п.д с поправкой на длину пути:

= 0,44 + 0,105 = 0,545

Число действительных тарелок n:

n = = 15

Высота ректификационной колонны h рассчитывается по формуле:

h = h_Т · (n - 1) + h₁ + h_2,                                                    (2.30)

где h_Т - расстояние между тарелками, м;

n - число действительных тарелок;

h₁,h₂ - высота от крышки колонны до верхней тарелки и высота от                                               нижней тарелки до днища, м, принимаются конструктивно.

h = 0,4 · (15-1) + 2 + 2,5 = 10,1 м

2.4 Тепловой расчет

Количество теплоты, подводимое к испарителю для получения пара высококипящего компонента (без учета тепловых потерь) рассчитывается по формуле:

Q = G_D · (R + 1) · I_П  + G_W · i_W - G_F · i_F - G_D · R · i_ф ,                              (2.31)

Удельные теплоемкости метилового спирта и воды при данных температурах и удельную теплоту парообразования при температуре кипения дистиллята t_D определяют по [1, 430]

Таблица 2.4

Температура	Удельная теплоемкость c, Дж/кг		Удельная теплота парообразования r, Дж/кг
	СС	СВ	rС	rВ
tD = 70.5	2816	4190	1110400	2359000
tF = 78.5	2866	4190
tW = 86.5	2916	4211

Удельная теплоемкость дистиллята C_D, Дж/кг· рассчитывается по формуле:

C_D = x_D · C_НК + (1 - x_D) · C_ВК                                                 (2.32)

C_D= 0,932 · 2816 + (1 - 0,932) · 4190 = 2909,432 Дж/кг· 

Энтальпия флегмы i_Ф, Дж/кг рассчитывается по формуле:

i_ф = i_D = C_D · t_D                                                              (2.33)

i_ф = i_D = 2909,432 · 70,5 = 205114,956 Дж/кг· 

Удельная теплота конденсации флегмы r_Ф, Дж/кг рассчитывается по формуле:

r_Ф = r_D = x_D · r_НК + (1 - x_D) · r_ВК,                                                (2.34)

где r_НК, r_ВК - удельные теплоты парообразования НК и ВК при температуре t_D, Дж/кг.

r_Ф = r_D = 0,932 · 1110,4 + (1 - 0,932) · 2359 = 1195304,8 Дж/кг

Энтальпия пара, выходящего из колонны I_П, Дж/кг рассчитывается по формуле:

I_п= i_Ф + r_Ф                                                              (2.35)

I_п = 205114,956 + 1195304,8 = 1400419,756 Дж/кг

Удельная теплоемкость кубового остатка C_W, Дж/кг·  рассчитывается