Расчет ректификационной установки непрерывного действия для разделения смеси бензол – уксусная кислота (Расчет ректификационной колонны)

Равновесные составы жидкости (Х), пара (Y) и    температуры кипения (t) исходной смеси при давлении 760 мм.рт.ст.

X, %	Y, %	t, ºС	P, мм.рт.ст.
0	0	118,7	760
5	26	111,4
10	42	105,8
20	59	99
30	68,6	94
40	75	90,3
50	79	88
60	83	85,7
70	88	83,5
80	92,5	82
90	97	80,8
100	100	80,2

2.1.1 Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число.

Производительность колонны по дистилляту D и кубовому остатку W определим из уравнения материального баланса колонны

GD+GW=GF;   GD*XD=GW*XW+GF*XF.

Отсюда находим:

GW=GF*(XD-XF)/(XD-XW);  G_D=G_F-G_W, где GF – производительность колонны по исходной смеси, кг/с;

XD – массовая доля бензола в дистилляте;

ХF – массовая доля бензола в исходной смеси;

ХW – массовая доля бензола в кубовом остатке.

GW=0,95*(0,98-0,35)/(0,98-0,017)=0,622 кг/с; G_D=0,95-0,622=0,328 кг/с.

Пересчитаем составы фаз из массовых долей в мольные по соотношению

ХF=(XF/Mб)/(XF/Mб+(1-ХF)/Mук), где XF – мольная концентрация бензола в исходной смеси, кмоль/кмоль смеси;

Mб и Mук – молекулярные массы соответственно бензола и уксусной кислоты, кг/кмоль.

Получим:

ХF=(0,35/78)/(0,65/78+(1-0,35)/60)=0,293 кмоль/кмоль смеси.

Аналогично найдем: ХD=0,974; XW=0,013 кмоль/кмоль смеси.

Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются рабочим флегмовым числом R; его оптимальное значение Rопт можно найти путем технико-экономического расчета. Ввиду отсутствия надежной

методики определения Rопт используют приближенные вычисления, основанные на определении коэффициента избытка флегмы (орошения)

β=R/Rmin. Здесь Rmin – минимальное флегмовое число, рассчитываемое по формуле

Rmin=(XD-Y˙F)/ (Y˙F-XF), где XD – мольная доля бензола в дистилляте, кмоль/кмоль смеси;

XF – мольная доля бензола в исходной смеси, кмоль/кмоль смеси;

Y˙F – концентрация бензола в паре, находящемся в равновесии с исходной смесью, кмоль/кмоль смеси, (см. рис. 2.1.1.1)

Rmin=(0,974-0,68)/(0,68-0,293)=0,757.

Относительный молярный расход питания рассчитывается по формуле

F=,

        F=

Задавшись различными значениями коэффициентов избытка флегмы β, определим соответствующие флегмовые числа.

1. Пусть β1=1,05, тогда R=1,05*0,757=0,79485.

Уравнения рабочих линий:

А). верхней (укрепляющей) части колонны точка В: X=XD=0,974 кмоль/кмоль смеси;

точка А1: Х=0; Y=XD/(1+R), подставив численные значения получим

Y=0,974/(1+0,79485)=0,5426 кмоль/кмоль смеси.

Б). нижней (исчерпывающей) части колонны точка А: X=Y=Xw=0,013 кмоль/кмоль смеси;

точка В1: Y=1 кмоль/кмоль смеси.

Y=, подставив значения получим

Y=2,335*X-0,0176. Так как Y=1, то Х=0,432.

Графическим построением ступеней изменения концентраций между равновесной и рабочими линиями на диаграмме состав пара Y – состав жидкости Х находим число теоретических тарелок N (рис. 2.1.1.3)

2. Пусть β2=1,15, тогда R=1,15*0,757=0,87.

Уравнения рабочих линий:

А). верхней (укрепляющей) части колонны точка В: X=XD=0,974 кмоль/кмоль смеси;

точка А1: Х=0; Y=XD/(1+R), подставив численные значения получим

Y=0,974/(1+0,87)=0,52 кмоль/кмоль смеси.

Б). нижней (исчерпывающей) части колонны точка А: X=Y=Xw=0,013 кмоль/кмоль смеси;

точка В1: Y=1 кмоль/кмоль смеси.

Y=, подставив значения получим

Y=2,3*X-0,0169. Т.к. Y=1, то Х=0,442.

Графическим построением ступеней изменения концентраций между равновесной и рабочими линиями на диаграмме состав пара Y – состав жидкости Х находим число теоретических тарелок N (рис. 2.1.1.4).

3. Пусть β3=1,3, тогда R=1,3*0,757=0,984.

Уравнения рабочих линий:

А). верхней (укрепляющей) части колонны точка В: X=XD=0,974 кмоль/кмоль смеси;

точка А1: Х=0; Y=XD/(1+R), подставив численные значения получим

Y=0,974/(1+0,984)=0,49 кмоль/кмоль смеси.

Б). нижней (исчерпывающей) части колонны точка А: X=Y=Xw=0,013 кмоль/кмоль смеси;

точка В1: Y=1 кмоль/кмоль смеси.

Y=, подставив значения получим

Y=2,226*X-0,016. Т.к. Y=1, то Х=0,456.

Графическим построением ступеней изменения концентраций между равновесной и рабочими линиями на диаграмме состав пара Y – состав жидкости Х находим число теоретических тарелок N (рис.2.1.1.5)

4. Пусть β4=1,75, тогда R=1,75*0,757=1,325.

Уравнения рабочих линий:

А). верхней (укрепляющей) части колонны точка В: X=XD=0,974 кмоль/кмоль смеси;

точка А1: Х=0; Y=XD/(1+R), подставив численные значения получим

Y=0,974/(1+1,325)=0,419 кмоль/кмоль смеси.

Б). нижней (исчерпывающей) части колонны точка А: X=Y=Xw=0,013 кмоль/кмоль смеси;

точка В1: Y=1 кмоль/кмоль смеси.

Y=, подставив значения получим

Y=2,046*X-0,0136. Т.к. Y=1, то Х=0,495.

Графическим построением ступеней изменения концентраций между равновесной и рабочими линиями на диаграмме состав пара Y – состав жидкости Х находим число теоретических тарелок N (рис. 2.1.1.6).

Сведем полученные данные в таблицу.

β	1,05	1,15	1,3	1,75
R	0,79485	0,87	0,984	1,325
N	18	14	12	9
N(1+R)	32,31	26,18	23,81	20,925

Минимальное произведение N(1+R) соответствует флегмовому числу R=1,325, при этом коэффициент избытка флегмы β=1,75.

2.1.2 Средние массовые расходы

Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости для верхней и нижней частей колонны определим из соотношений:

                                              (2.1.2.1)

F,                         (2.1.2.2)

где MD и МF – мольные массы дистиллята и исходной смеси, кг/кмоль;

MВ и Мн – средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях