Описание технологической схемы установки
Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рис. 1. Исходную смесь из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подают в теплообменник 3, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси хF.
Рисунок 1 - Принципиальная схема ректификационной установки:1 - ёмкость для исходной смеси; 2, 9 - насосы; 3 – теплообменник-подогреватель; 4 - кипятильник; 5 - ректификационная колонна; 6 - дефлегматор; 7 - холодильник дистиллята; 8 - ёмкость для сбора дистиллята, 10 - холодильник кубовой жидкости; 11 - ёмкость для кубовой жидкости.
Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка хW , т. е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава хР, получаемой в дефлегматоре 6 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в промежуточную емкость 8.
Из кубовой части колонны насосом 9 непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 10 и направляется в емкость 11.
Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента) и кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).
Выбор конструкционного материала
Материал для изготовления колонны и теплообменной аппаратуры выбирают в соответствии с условиями их эксплуатации (прочность, механическая обработка, свариваемость). Главным требованием является коррозионная и химическая стойкости. При конструировании химической аппаратуры учитывают все виды коррозирующего разрушения материалов в агрессивной среде при ее рабочих параметрах. Необходимо стремится к минимальному значению коррозийности (П) (предпочтительно значение не превышающее 0,1).
Для данной бинарной смеси выберем материал Сталь Х17Н13M2T (ГОСТ 5632-61). Эта сталь устойчива к агрессивным средам.
1.Технологический расчет
1.1 Материальный баланс.
Зная производительность колонны и необходимые концентрации, определим недостающие данные, т. е. Производительность по дистилляту и по кубовому остатку(GW и GD), на основании уравнений материального баланса.
где
- содержание легколетучего компонента
в исходной смеси, дистилляте и кубовом
остатке соответственно.
Отсюда найдем:
Пересчитаем составы фаз из массовых в мольные доли по соотношению
где Мх иМб - молекулярные массы соответственно хлороформа и бензола, кг/кмоль.[1,с.228]
Низкокипящий компонент (легколетучий) – хлороформ
tкип=61,2°C
Высококипящий компонент (труднолетучий) – бензол
tкип=80,1°C
По
диаграмме y-x
находим
при соответствующем значении
,
таким образом
= 0,72, где
-
концентрация легколетучего компонента
в паре, находящаяся в равновесии с
жидкостью (питанием исходной смеси).
Равновесные составы жидкости и пара для системы хлороформ - бензол[3]
|
t, °C |
x |
y |
|
80,6 |
0 |
0 |
|
79,8 |
0,08 |
0,1 |
|
79,0 |
0,15 |
0,2 |
|
78,2 |
0,22 |
0,3 |
|
77,3 |
0,29 |
0,4 |
|
76,4 |
0,36 |
0,5 |
|
75,3 |
0,44 |
0,6 |
|
74,0 |
0,54 |
0,7 |
|
71,9 |
0,69 |
0,8 |
|
68,9 |
0,79 |
0,9 |
|
61,4 |
1 |
1 |
Относительный мольный расход питания
Минимальное флегмовое число :
[1,с.228]
Нагрузки
ректификационной колонны по пару и
жидкости определяются рабочим флегмовым
числом R.
Rопт
определяют, используя приближенные
вычисления, основанные на определении
коэффициента избытка флегмы
.
Один из возможных приближенных методов
расчетаR
заключается в нахождении такого
флегмового числа, которому соответствует
минимальное произведение N(R+1),
пропорциональное объему ректификационной
колонны.
При β =1,05, R=1,05×1,53=1,61
Уравнение рабочей линии верхней укрепляющей части колонны
Уравнение рабочей линии нижней укрепляющей части колонны
При β =1,35, R=1,35×1,53=2,07
Уравнение рабочей линии верхней укрепляющей части колонны
Уравнение рабочей линии нижней укрепляющей части колонны
При β =1,75, R=1,75×1,53=2,68
Уравнение рабочей линии верхней укрепляющей части колонны
Уравнение рабочей линии нижней укрепляющей части колонны
При β =2,35, R=2,35×1,53=3,6
Уравнение рабочей линии верхней укрепляющей части колонны
Уравнение рабочей линии нижней укрепляющей части колонны
При β =3,3, R=3,3×1,53=5,05
Уравнение рабочей линии верхней укрепляющей части колонны
Уравнение рабочей линии нижней укрепляющей части колонны
При β =6,25, R=6,25×1,53=9,56
Уравнение рабочей линии верхней укрепляющей части колонны
Уравнение рабочей линии нижней укрепляющей части колонны
|
β |
1,05 |
1,35 |
1,75 |
2,35 |
3,30 |
6,25 |
|
R |
1,61 |
2,07 |
2,68 |
3,6 |
5,05 |
9,56 |
|
N |
68 |
46 |
40,3 |
25 |
20,1 |
19 |
|
N(R+1) |
177,48 |
141,22 |
148,304 |
115 |
121,605 |
200,64 |
Минимальное произведение N(R+1) соответствует флегмовому числу R=4,1. При этом коэффициент избытка флегмы β = 2,68.
Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости для верхней и нижней частей колонны определяются из соотношений:
[1,с.229]
где MD и MF - мольные массы дистиллята и исходной смеси;
МВ и МН - средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны.
Мольную массу дистиллята в данном случае можно принять равной мольной массе легколетучего компонента – вода. Мольная масса жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равна:
[1,с.
230]
где Мх иМб - мольные массы хлороформа и бензола;
хср.в и хср.н - средний мольный состав жидкости соответственно в верхней и нижней части колонны:
[1,с.228]
Тогда
Мольная масса исходной смеси
[1,с.228]
Подставив, получим:
кг/с
кг/с
Средние массовые потоки пара в верхней GВ и нижней GН частях колонны соответственно равны:
[1,с.228]
Здесь
и
-
средние мольные массы паров в верхней
и нижней частях колонны:
[1,с.228]
где
[1,с.228]
[1,с.228]
Тогда
Подставив, получим:
