Задание расчетно-графической работы

Выполнить технологический расчет полной ректификационной колонны непрерывного действия для разделения бинарной смеси по следующим исходным данным

- компоненты исходной смеси;

- производительность колонны по сырью                       F, кг/ч

- состав сырья, выраженный в виде массовой доли НКК x_F

- массовая доля отгона сырья на входе в колонну         e

- четкость разделения, выраженная в виде массовой доли НКК

– – в дистилляте                                                              y_D

– – в остатке                                                                    x_w

- абсолютное давление в верху колонны                         П_в, МПа

либо температура верха колонны                                           t_в, ⁰ С

– кратность жидкого орошения R/R_min                             n

либо парового орошения П/П_min                                    к

Контрольная работа №1

3.1 Физико-химические свойства компонентов сырья

Физико-химические свойства компонентов разделяемой бинарной смеси (плотность, мольная масса, упругость насыщенных паров в зависимости от температуры, вязкость, коэффициент поверхностного натяжения и др.) определяются по таблицам 5, 8 приложения А и по справочной литературе [4].

3.2 Фазовые диаграммы равновесия

Для построения диаграмм равновесия (изобарной  и равновесных составов ) необходимо знать давление в колонне и соответствующий этому давлению температурный интервал двухфазного состояния бинарной смеси.

Давление в колонне определяется по уравнению

                                  (3.1)

где  – абсолютное давление в верху колонны (если эта величина неизвестна, то определяется по заданной температуре верха колонны по уравнению изотермы паровой фазы, записанному в виде

                                    (3.2)

где  – давление насыщенных паров соответственно НКК и ВКК при температуре верха колонны ;

           – абсолютное давление низа колонны, определяемое с учетом гидравлического сопротивления тарелок

                           (3.3)

Полученное значение давления наносится на графическую зависимость давления насыщенных паров компонентов (  и ) от температуры (рисунок 3.1). Данные для построения указанной зависимости берутся по таблице 5 приложения А, либо рассчитываются по уравнению Антуана

,                                       (3.4)

где  – константы, зависящие от свойств вещества, значения которых приведены в таблице 6 приложения А и в справочной литературе [4, с. 165].

1 – НКК; 2 – ВКК

Рисунок 3.1 – Определение возможного температурного интервала состояния бинарной смеси при давлении

Найденный графическим путем температурный интервал двухфазного состояния системы  разбивается на 6-7 точек, в которых определяются равновесные мольные составы жидкой и паровой фаз по уравнениям

;                           (3.5)

Расчет равновесных составов жидкой и паровой фаз выполняется в виде таблицы 3.1.

Таблица 3.1 – Равновесные составы жидкой и паровой фаз

Номер позиции	Температура, оС	Давление насыщенных паров		Расчетные данные
1						1	1	1
2
3
и т.д.

Мольные составы пара и жидкости переводятся в массовые по уравнению

[5, с. 30]

;                       (3.6)

  где  – мольная масса индивидуального компонента;

 – средняя мольная масса смеси.

Результаты расчета выполняются в виде таблицы 3.2.

Таблица 3.2 – Пересчет мольных составов пара в массовый

№ позиции	Температура, оС	Состав		Мольная масса
1	t1	1	0						1
2
3	и т.д.

Аналогичная таблица заполняется для жидкой фазы.

По полученным массовым составам равновесных фаз системы строится изобарная диаграмма равновесия в системе координат ,  и кривая равновесия  (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 – Изобарная диаграмма (а) и диаграмма концентраций (б)

Для удобства графических расчетов диаграмма равновесных составов строится в виде квадрата со стороной 200 мм, изобарная диаграмма – в виде прямоугольника с высотой 100 … 150 мм.

Контрольная работа №2

4.1 Технологическая схема ректификационной установки

Выбирается аппаратурное оформление ректификационной установки, изображается технологическая схема и дается описание.

4.2 Материальный баланс ректификационной колонны

При установившемся режиме работы колонны уравнения материального баланса можно записать

 - по внешним потокам

;                                                   (4.1)

 - по низкокипящему компоненту в потоках

,                                          (4.2)

где F; D; W – производительность колонны по сырью, выход дистиллята и остатка;

 - массовые доли НКК соответственно в сырье, дистилляте и остатке, известные по заданию;

Совместное решение уравнений (4.1) и (4.2) позволяет определить массовый выход дистиллята и остатка (в кг/ч)

,                                             (4.3)

                                  (4.4)

Проверка правильности расчета материального баланса ведется по правилу аддитивности.

Результаты расчета материального баланса ректификационной колонны сводятся в таблицу 4.1.

Таблица 4.1 – Материальный баланс колонны

4.3 Температура вода сырья

Температура ввода сырья определяется методом последовательного приближения по уравнению

  или                         (4.5)

где  и  – массовые доли НКК соответственно в равновесных жидкой и паровой фазах, образующихся при однократном испарении сырья, определяемые по изобарной диаграмме при принятой температуре (рисунок 4.1)

е – данная в задании доля отгона сырья на входе в колонну;

 - массовая доля НКК в сырье;

 - нода, соответствующая температуре ввода сырья .

Рисунок 4.1 – Определение температуры ввода сырья

По условию задания в питательной секции колонны происходит однократное испарение сырья с образованием парового (G_с) и жидкого (g_с) потоков и смешивание их с потоками флегмы, стекающей из концентрационной секции колонны (g_к) и пара, поднимающегося из отгонной секции (G_л). На рисунке 4.2 показаны суммарные потоки пара (G_m) и жидкости (g_m) и концентрация НКК (y_m) и (x_m) в этих потоках.

Рисунок 4.2 – Схема потоков в питательной секции

Контрольная работа №3

5.1 Графическое определение числа теоретических тарелок в колонне по диаграмме равновесных составов

Рассмотрим графический метод расчета бинарной ректификации по диаграмме x-y (рисунок 5.1).

Для расчета числа теоретических тарелок в ректификационной колонне по равновесной диаграмме составов необходимо знать положение рабочих линий для верхней и нижней частей колонны.

Рисунок 5.1 – Расчет числа тарелок по диаграмме концентраций

Уравнение рабочей линии для верхней (укрепляющей или концентрационной) части колонны имеет вид [1, с. 112]

,                                (5.1)

  где  – концентрация НКК в паре, поднимающемся с тарелки j + 1;

          – концентрация НКК в жидкости, стекающей с вышележащей

тарелки j;

         R – флегмовое число;                                                 (5.2)

Уравнение рабочей линии для нижней (отгонной или исчерпывающей) части колонны записывается [1, с. 115]

,                                      (5.3)

  где  – концентрация НКК в паровой фазе, поднимающейся с тарелки

i + 1;

 – концентрации НКК в жидкой фазе, стекающей с вышележащей тарелки i;

П – паровое число; .                                                  (5.4)

При условии постоянных значений флегмового и парового чисел по высоте колонны уравнения (5.1) и (5.3) графически в координатах  будут представлять прямые линии.

Для линии, описываемой уравнением (5.1), координаты точек можно определить следующим образом:

1) при , что дает точку ;

2) при , что дает точку .

Для линии, описываемой уравнением (5.3)

1) при , что дает точку ;

2) при , что дает точку .

Соединив полученные точки, находят положение рабочей линии для верха колонны (BD) и низа (CW).

На диаграмму x – y наносится линия сырья [1, с. 117]

,                                    (5.5)

которая в пределах отрезка FF* (см. рисунок 5.1) является геометрическим местом точек пересечения рабочих линий для верха и низа колонны. Эта прямая проходит через точки с координатами:

;  

Пересечение линии сырья с кривой равновесия дает точку F*, координаты которой есть составы парового ( ) и жидкого ( ) потоков после однократного испарения сырья при температуре . Проведя из точки F* линии, параллельные осям координат, до пересечения с рабочими линиями для верха и низа колонны, получаем прямоугольный треугольник nF*m, гипотенуза которого есть линия  для расчета секции питания (эвапорационного пространства).

Определение числа тарелок по диаграмме концентраций проводится либо с верха колонны (начиная с точки D) вниз, либо наоборот (из точки W). Расчет сводится к построению ступенчатой линии между кривой равновесия и рабочими линиями (см. рисунок 5.1).

Число ступеней между равновесной и рабочими линиями дает число теоретических тарелок , необходимых для заданной четкости разделения бинарной смеси.

Если для отвода тепла вверху колонны используется парциальный конденсатор, принятый за одну теоретическую тарелку, то при определении высоты концентрационной части колонны число теоретических тарелок в верху колонны уменьшается на единицу. Если для подвода тепла в низ колонны используется кипятильник с паровым пространством, который эквивалентен одной теоретической тарелке, то число теоретических тарелок в отгонной секции колонны также уменьшается на единицу.

При графическом определении числа теоретических тарелок может оказаться, что при принятых значениях флегмового и парового чисел число в интервале изменения концентраций НКК в потоках окажется не целым. В этом случае или принимается ближайшее число теоретических тарелок, которые обеспечивают некоторый запас качества одного из получаемых продуктов (дистиллята или остатка в зависимости от направления расчета – с низа колонны вверх и наоборот), или производят линейную интерполяцию доли теоретической тарелки пропорционально изменению составов паров или жидкости на этом участке колонны. В этом случае число теоретических тарелок будет дробным.

5.2 Режимы орошения в колонне

Из приведенного графического определения числа теоретических тарелок в колонне видно. что их количество зависит от положения рабочих линий верха и низа колонны. При увеличении количества жидкого орошения q, а следовательно и флегмового числа R, рабочая линия укрепляющей секции колонны приближается к диагонали ОА. В пределе при  (или ) рабочая линия сольется с диагональю диаграммы x-y. При уменьшении количества жидкого орошения рабочая линия будет приближаться к кривой равновесия фаз. То же самое можно сказать о влиянии количества парового орошения (или парового числа П) на положение рабочей линии низа колонны.

В соответствии с этим в ректификационной колонне можно выделить следующие режимы:

– минимального орошения;

– рабочего орошения;

– максимального (полного) орошения.

При режиме минимального орошения в колонну подается минимальное количество жидкости ( ) за счет уменьшения до минимума количества отводимого в верху колонны тепла и минимальное количество пара ( ) за счет уменьшения количества подводимого в куб колонны тепла. Режим минимального орошения в колонне, при котором обеспечивается получение дистиллята и остатка заданного качества, соответствует условию (рисунок 4.2)

;         .            (5.6)

Равенства показывают, что при режиме минимального орошения рабочие линии верха и низа колонны пересекаются в точке F* (см. рисунок 5.2).

Режим минимального орошения характеризуется минимальными флегмовыми и паровыми числами. Из уравнений материального баланса для верхней и нижней секций колонны с учетом (5.6) следует

,                                 (5.7)

                                 (5.8)

Для реального протекания процесса ректификации должны выполняться следующие неравенства:

;     ,                        (5.9)

при которых рабочие флегмовое и паровое числа отличаются от их минимальных значений на величину коэффициента избытка или кратности жидкого либо парового орошения:

,                                                   (5.10)

.                                                 (5.11)

Рекомендуемые значения n, к находятся в пределах 1,1 … 1,5 [2, с. 329].

Рисунок 5.2 – Изображение режима минимального орошения на диаграмме концентраций

Рисунок 5.3 – Графическое определение числа теоретических тарелок при режиме полного орошения

При полном орошении колонны составы потоков паров в жидкости, являющиеся встречными на одном уровне, для любого сечения колонны, как следует из уравнений (5.1) и (5.2), будут равны

,

а число тарелок будет минимальным и равным .

Графическое определение числа теоретических тарелок при режиме полного орошения сводится к построению ступенчатой линии между кривой равновесия  и диагональю ОА (рисунок 5.3).

Число тарелок при полном орошении можно определить по уравнению Фенске

.                                (5.12)

Усредненное значение коэффициента относительной летучести компонентов  определяется по выражению

,                                        (5.13)

где  – коэффициент относительной летучести компонентов, соответствующий температуре  (см. рисунок 3.1); ;

 – коэффициент относительной летучести компонентов, соответствующий температуре  (см. рисунок 3.1); .

5.3 Последовательность выполнения контрольной работы №3

1 На диаграмму равновесных составов  наносится линия сырья по уравнению (5.5) и проводятся рабочие линии для верха и низа колонны, соответствующие режиму минимального орошения.

2 По численному значению отрезков, отсекаемых на осях координат, и их уравнениям (см. рисунок 5.2) определяются минимальные значения флегмового и парового чисел и сравнивается с этими значениями, вычисленными по уравнениям (5.7) и (5.8).

3 В зависимости от заданной кратности жидкого (парового) орошения определяется рабочее флегмовое (паровое) число. Если в задании дана кратность жидкого орошения n, то сначала определяется рабочее флегмовое число

.

Для определения рабочего парового числа на диаграмме равновесных составов (см. рисунок 5.1) измеряется величина отрезка РС

,

откуда находится значение П.

Если в задании указана кратность парового орошения к, то сначала определяется рабочее паровое число

.

Рабочее флегмовое число находится с помощью диаграммы (см. рисунок 5.1). Определяется графически длина отрезка ОВ

и вычисляется значение R.

4 Проводится рабочая линия для верха (низа) колонны и отмечается точка пересечения ее с линией сырья ЕF*.

5 Через точку W(D) и точку пересечения проводится рабочая линия для низа (верха) колонны и по уравнению отрезка, отсекаемого на координатной оси, и численному значению определяется величина рабочего парового (флегмового) числа.

6 Определяется число теоретических тарелок при рабочем режиме работы ректификационной колонны.

7 Определяется число теоретических тарелок при режиме полного орошения (графическим и аналитическим методами).

Контрольная работа №4

6.1 Расчет геометрических размеров ректификационной колонны

6.1.1 Расчет диаметра колонны