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

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

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