Реферат: Ректификация

Введение

Ректификация — массообменныйпроцесс, который осуществляется в противоточных колонных аппаратах сконтактными элементами (насадки, тарелки). В процессе ректификации происходитнепрерывный обмен между жидкой и паровой фазой. Жидкая фаза обогащается болеевысококипящим компонентом, а паровая фаза — более низкокипящим. Процессмассообмена происходит по всей высоте колонны между стекающей вниз флегмой иподнимающимся вверх паром. Что интенсифицировать процесс массообмена применяютконтактные элементы, что позволяет увеличить поверхность массообмена. В случаеприменения насадки жидкость стекает тонкой пленкой по ее поверхности, в случаеприменения тарелок пар проходит через слой жидкости на поверхности тарелок. Вданной работе приведен расчет тарельчатой ректификационной колонны дляразделения бинарной смеси бензол — толуол.

<span Times New Roman",«serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: RU;mso-bidi-language:AR-SA">

1 Особенности расчета тарельчатой ректификационной колонны

Как правило, расчетректификационной колонны производится для заданных: составе исходной смеси,кубового остатка, дистиллята, производительности и рабочем давлении в колонне.

В начале определяется   материальный баланс колонны и рабочеефлегмовое число. Для этого используется диаграмма y -x .  Затемподбирается тип тарелок, определяется скорость пара, диаметр колонны, коэффициентымассопередачи, высота колонны, гидравлическое сопротивление тарелок. Послеэтого можно провести расчет эксплуатационных свойств, а также экономическиепоказатели ее использования.

2 Пример расчета ректификационной колонны для перегонки смеси бензол — толуол

Для примера, рассчитаемколонну при содержании легколетучего компонента (т.е. бензола) в исходной смеси35%(масс.), в дистилляте 98%, в кубовой жидкости 1,7%. Производительность поисходной смеси 5кг/с.

<span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language:EN-US">2.1

<span Times New Roman",«serif»">Материальные расчеты<span Times New Roman",«serif»">

<span Times New Roman",«serif»">2.1.1 Материальныйбаланс колонны

<span Times New Roman",«serif»">

Производительность подистилляту Pи кубовому остатку Wопределяется из уравнения материального баланса ректификационнойколонны:

            <img src="/cache/referats/1967/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1025">

            <img src="/cache/referats/1967/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1026">                (1)

Откуда:

        <img src="/cache/referats/1967/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1027"><img src="/cache/referats/1967/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1028"> (2)

        <img src="/cache/referats/1967/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1029"><img src="/cache/referats/1967/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1030">         (3)

Все расчеты в данном случаеведутся для легкокипящего компонента, а значит х есть концентрация бензола. Для дальнейших расчетов необходимопересчитать составы фаз из массовых в мольные по соотношению :

            <img src="/cache/referats/1967/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1031">               (4)

где  x — мольная доля компонента А, <img src="/cache/referats/1967/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1032">

        <img src="/cache/referats/1967/image016.gif" v:shapes="_x0000_i1033">, % (масс.)

        МА — мольная масса компонентаА, <img src="/cache/referats/1967/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1034">

        МВ — мольная масса компонентаВ, <img src="/cache/referats/1967/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1035">

Подставив мольные массыбензола и толуола  получаем:

        <img src="/cache/referats/1967/image020.gif" v:shapes="_x0000_i1036"><img src="/cache/referats/1967/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1037">

        <img src="/cache/referats/1967/image022.gif" v:shapes="_x0000_i1038"><img src="/cache/referats/1967/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1039">        

        <img src="/cache/referats/1967/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1040"><img src="/cache/referats/1967/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1041">

<span Times New Roman",«serif»">2.1.2 Определениерабочего флегмового числа

<span Times New Roman",«serif»">

Нагрузки ректификационнойколонны по пару и жидкости определяются значением рабочего флегмового числа R. Флегмовое числоявляет собой отношение количества флегмы к количеству дистиллята. Оно можетнаходиться в интервале от Rminдо <span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol;font-style:normal">¥

. При минимальном флегмовом числеможно получить максимальное количество дистиллята, но число тарелок становитсябесконечно большим. Если флегмовое число принять равным бесконечности, тополучится, что колонна работает сама на себя. При флегмовом числе меньшеминимального мы ни при каких условиях не сможем получить конечный продукт сзаданными свойствами.

R=1,68

<img src="/cache/referats/1967/image025.gif" R=«1,68» v:shapes="_x0000_s1028">

R=2,1

<img src="/cache/referats/1967/image026.gif" R=«2,1» v:shapes="_x0000_s1027">

R=<span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:EN-US; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">¥

<img src="/cache/referats/1967/image027.gif" R="¥" v:shapes="_x0000_s1026"><img src="/cache/referats/1967/image029.gif" v:shapes="_x0000_i1042">

Рисунок  SEQ Рисунок * ARABIC 1

Диаграмма «жидкость-пар» для смеси бензол-толуол

Вообще флегмовое число отражает угол наклона рабочей линии к осиабсцисс для верхней части колонны и входя в уравнение рабочей линии. Уравнениерабочей линии для верхней части колонны выглядит как:

<img src="/cache/referats/1967/image031.gif" v:shapes="_x0000_i1043">

yD ,как впрочем и yWопределяются равными xDи xWсоответственно. Иначе говоря предполагается что состав паровой и жидкойфазы одинаков как для низа так и для верха колонны. Все это можно увидеть нарисунке 1.

Минимальное флегмовое числоопределяется по следующей формуле:

  <img src="/cache/referats/1967/image033.gif" v:shapes="_x0000_i1044">                           (6)

где  <img src="/cache/referats/1967/image035.gif" v:shapes="_x0000_i1045"> — мольная доля спирта в паре, находящемся в равновесиис исходной смесью, определяется по y-xдиаграмме .

Тогда:

<img src="/cache/referats/1967/image037.gif" v:shapes="_x0000_i1046">

Рабочее  значение флегмового числа примем равным 2,1.Для определения рабочего флегмового числа существует множество рекомендаций, мыих упускаем, но их можно найти в [3].

2.1.3 Построение рабочей линии на диаграмме “жидкость — пар”.

Рабочая линия процессаректификации, в отличие от процесса абсорбции, представляет собой совокупностьрабочих линий для верхней и для нижней части колонны и характеризуется изломомв точке соответствующей составу питательной смеси.

Для верхней части колонныможно воспользоваться уравнением (5), а для нижней части колонны существуетуравнение:

<img src="/cache/referats/1967/image039.gif" v:shapes="_x0000_i1047">      (6)

Вид  рабочей линии представлен на все том жерисунке 1.

2.1.4 Определение среднего массового расхода по жидкости

Средние массовые расходы пожидкости для верхней и нижней частей колонны определяются из соотношений :

            <img src="/cache/referats/1967/image041.gif" v:shapes="_x0000_i1048">                    (7)

            <img src="/cache/referats/1967/image043.gif" v:shapes="_x0000_i1049">         (8)

где  МP и МF — мольные массы дистиллята иисходной смеси, <img src="/cache/referats/1967/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1050"> 

        МВ и МН — мольные массы жидкости в верхней и нижней частях, <img src="/cache/referats/1967/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1051">

Мольная масса жидкости вверхней и нижней частях колонны соответственно
равна :

            <img src="/cache/referats/1967/image045.gif" v:shapes="_x0000_i1052">        (9)

            <img src="/cache/referats/1967/image047.gif" v:shapes="_x0000_i1053">        (10)

где  Мб и Мт — мольные массы бензола и толуола

        xср.в и xср.н — средний мольный состав жидкости соответственно в верхней и                нижней частях колонны:

        <img src="/cache/referats/1967/image049.gif" v:shapes="_x0000_i1054"><img src="/cache/referats/1967/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1055">

        <img src="/cache/referats/1967/image051.gif" v:shapes="_x0000_i1056"><img src="/cache/referats/1967/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1057">

Тогда

        <img src="/cache/referats/1967/image053.gif" v:shapes="_x0000_i1058"><img src="/cache/referats/1967/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1059">

        <img src="/cache/referats/1967/image055.gif" v:shapes="_x0000_i1060"><img src="/cache/referats/1967/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1061">

Аналогично находится мольнаямасса  исходной смеси:

        <img src="/cache/referats/1967/image057.gif" v:shapes="_x0000_i1062"><img src="/cache/referats/1967/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1063">

Мольную массу дистиллятаможно принять равной мольной массе бензола.

Подставив результатысоотношения в (7)и (8)получаем:

        <img src="/cache/referats/1967/image059.gif" v:shapes="_x0000_i1064"><img src="/cache/referats/1967/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1065">

        <img src="/cache/referats/1967/image061.gif" v:shapes="_x0000_i1066"><img src="/cache/referats/1967/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1067">

<span Times New Roman",«serif»">2.1.5 Определениесреднего массового расхода по пару

<span Times New Roman",«serif»">

Средние массовые потоки парав верхней и нижней частях колонны
соответственно равны :

            <img src="/cache/referats/1967/image063.gif" v:shapes="_x0000_i1068">       (11)

            <img src="/cache/referats/1967/image065.gif" v:shapes="_x0000_i1069">      (12)

где  <img src="/cache/referats/1967/image067.gif" v:shapes="_x0000_i1070"> и<img src="/cache/referats/1967/image069.gif" v:shapes="_x0000_i1071">  — средние мольныемассы паров в верхней и нижней частях                колонны:

            <img src="/cache/referats/1967/image071.gif" v:shapes="_x0000_i1072">        (13)

            <img src="/cache/referats/1967/image073.gif" v:shapes="_x0000_i1073">        (14)

где  средние значения состава паровой фазы рассчитываются аналогичножидкой фазе и равны:

        <img src="/cache/referats/1967/image075.gif" v:shapes="_x0000_i1074"><img src="/cache/referats/1967/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1075">

        <img src="/cache/referats/1967/image077.gif" v:shapes="_x0000_i1076"><img src="/cache/referats/1967/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1077">

Тогда из формул (13) и (14)следует

        <img src="/cache/referats/1967/image079.gif" v:shapes="_x0000_i1078"><img src="/cache/referats/1967/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1079">

        <img src="/cache/referats/1967/image081.gif" v:shapes="_x0000_i1080"><img src="/cache/referats/1967/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1081">

Подставив результаты в (11)и  (12) получаем:

        <img src="/cache/referats/1967/image083.gif" v:shapes="_x0000_i1082"><img src="/cache/referats/1967/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1083">

        <img src="/cache/referats/1967/image085.gif" v:shapes="_x0000_i1084"><img src="/cache/referats/1967/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1085">

2.2 Скорость пара и диаметр колонны

На этой стадии необходимовыбрать тип тарелки. Поскольку предполагается, что жидкость не содержитвзвешенных частиц выберем используем ситчатые тарелки.

Допустимая скорость вверхней и нижней части колонны определяется по формуле:

<img src="/cache/referats/1967/image087.gif" v:shapes="_x0000_i1086">                          (15)

Поскольку плотности бензолаи толуола близки, то плотность жидкой фазы может быть приближенно определенакак 796 кг/м3.

Средняя плотность пара длянижней и для верхней части колонны может быть определена по формуле:

<img src="/cache/referats/1967/image089.gif" v:shapes="_x0000_i1087">                          (16)

где t — температура для верхнейили для нижней части колонны.

Температура  в колонне, в  свою  очередь, определяется  по  диаграмме t-x,y,которую можно увидеть на рисунке 2.

<img src="/cache/referats/1967/image091.gif" v:shapes="_x0000_i1088">

Рисунок  SEQ Рисунок * ARABIC 2

 Диаграмма t — x,y

По средним составам фазопределим температуру в верхней части колонны 89<span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">°

С, в нижней части колонны102<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»; mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">°С.

Тогда по формуле (16)рассчитываем плотность паровой фазы соответственно в нижней и верхней частиколонны.

<img src="/cache/referats/1967/image093.gif" v:shapes="_x0000_i1089"><img src="/cache/referats/1967/image095.gif" v:shapes="_x0000_i1090">

<img src="/cache/referats/1967/image097.gif" v:shapes="_x0000_i1091"><img src="/cache/referats/1967/image095.gif" v:shapes="_x0000_i1092">

Сейчас можно рассчитатьдопустимые скорости как в верхней, так и в нижней части колонны:

<img src="/cache/referats/1967/image099.gif" v:shapes="_x0000_i1093"><img src="/cache/referats/1967/image101.gif" v:shapes="_x0000_i1094">

<img src="/cache/referats/1967/image103.gif" v:shapes="_x0000_i1095"><img src="/cache/referats/1967/image101.gif" v:shapes="_x0000_i1096">

Диаметр колонны может бытьопределен по формуле:

<img src="/cache/referats/1967/image105.gif" v:shapes="_x0000_i1097">                                (17)

Диаметр колонны принимаетсяодинаковым по всей ее высоте и как правило равен большему из определенных.Однако, в данном случае различия между скоростями в верхней и нижней частиколонны не велики поэтому можно использовать средние значения:

<img src="/cache/referats/1967/image107.gif" v:shapes="_x0000_i1098"><img src="/cache/referats/1967/image101.gif" v:shapes="_x0000_i1099">

<img src="/cache/referats/1967/image109.gif" v:shapes="_x0000_i1100"><img src="/cache/referats/1967/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1101">

<img src="/cache/referats/1967/image111.gif" v:shapes="_x0000_i1102"><img src="/cache/referats/1967/image095.gif" v:shapes="_x0000_i1103">

Подставив их в формулу (17)получим:

<img src="/cache/referats/1967/image113.gif" v:shapes="_x0000_i1104">м

Приняв стандартный размеробечайки равным 1,8м уточним рабочую скорость пара. Она будет равной 0,82м/с.

На данном этапе необходимовыбрать тарелку из ряда стандартных. Опуская процесс выбора, отметим, что этотарелка ТС-Р с ниже приведенными характеристиками:

Диаметр отверстий в тарелке d0

8мм

Шаг между отверстиями t

15мм

Свободное сечение тарелки Fc

18,8%

Высота переливного порога hпер

30мм

Ширина переливного порога b

1050мм

Рабочее сечение тарелки Sт

2,294м2

Скорость пара в рабочемсечении тарелки:

<img src="/cache/referats/1967/image115.gif" v:shapes="_x0000_i1105"><img src="/cache/referats/1967/image101.gif" v:shapes="_x0000_i1106">

2.3 Определение высоты колонны

Количество тарелок в колоннеможет быть определено либо по числу теоретических тарелок, либо по кинетическойкривой.

2.3.1 Определение высоты колонны по числу теоретических тарелок

Суть этого метода сводится кпостроению ступеней на диаграмме y — x.Каждая ступень представляет собой одну тарелку. При построении предполагается,что на каждой тарелке достигается равновесие между жидкой и паровой фазой.Реализацию этого метода можно увидеть на рисунке 3

<img src="/cache/referats/1967/image117.jpg" v:shapes="_x0000_i1107">

Рисунок  SEQРисунок * ARABIC 3

 Определениечисла теоретических тарелок

Как видно числотеоретических тарелок в данном случае составляет 8 для нижней части колонны и 7для верхней, в сумме 15. Для определения действительного числа тарелок эточисло необходимо поделить на к.п.д. отдельно взятой тарелки. Несмотря на то,что существуют методы оценки к.п.д. тарелок, этот метод не является точным,поскольку для каждой тарелки к.п.д. может отличаться от среднего.

Высота колонны определяетсяисходя из числа действительных тарелок и расстояния между тарелками. Обычнорасстояние между тарелками стандартизовано и может быть выбрано из каталога.

2.3.2 Определение высоты колонны по кинетической кривой

Данный метод точнее чемпредыдущий. Он состоит в определении эффективности тарелок по Мэрфи с учетомпродольного перемешивания, межтарельчатого уноса и доли байпасирующей жидкости.Для определения значений эффективности тарелок используются критериальныеуравнения, которые  здесь не приводятся,вследствие их громоздкости и узкой специализации.

Зная эффективность по Мэрфи,можно определить концентрацию легколетучего компонента в паре на выходе изтарелки yкпо соотношению:

<img src="/cache/referats/1967/image119.gif" v:shapes="_x0000_i1108">              (18)

Исходя из этой формулы надиаграмме y — x строитсякинетическая кривая, представляющая собой зависимость yкот x, азатем аналогично предыдущему методу графически выстраиваются ступени.Графическую иллюстрацию этого метода можно увидеть на рисунке 4.

<img src="/cache/referats/1967/image121.jpg" v:shapes="_x0000_i1109">

Рисунок  SEQРисунок * ARABIC 4

Построениекинетической кривой и определение действительного числа тарелок

В итоге мы получили 9тарелок в нижней части колонны и 9 в верхней. Приняв расстояние между тарелками0,5м, расстояние между нижней тарелкой и дном 2м, расстояние между верхомколонны и верхней тарелкой 1м, получим полную высоту колонны 11,5м.

Заключение

Мы кратко описали процессрасчета ректификационной колонны для разделения бинарных смесей. Процессрасчета или проектирования на этом не заканчивается. В дальнейшем  рассчитывается гидравлическое сопротивлениеколонны и подбирается вспомогательная аппаратура.

Однако, стоит отметить, чтодля массообменного процесса, коим является процесс ректификации, в первуюочередь необходимо описать обмен между фазами. Делается это при помощидиаграммы состояния “жидкость-пар”, которой мы пытались уделить повышенноевнимание, быть может, в ущерб другим, не менее важным сторонам процесса.

Список использованнойлитературы

1. <span Times New Roman""> 

Гельперин Н.И. Основныепроцессы иаппараты химической технологии — М.: Химия, 1981.

2. <span Times New Roman""> 

Кувшинский М.Н., СоболеваА.П. Курсовое проектирование по предмету “Процессы и аппараты химическойпромышленности”. М.: Высшая школа, 1980.

3. <span Times New Roman""> 

Основные процессы и аппаратыхимической технологии: Пособие по проектированию/Г.С. Борисов, В.П. Брыков,Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского, М.: Химия, 1991.

4. <span Times New Roman""> 

Павлов К.Ф., Романков П.Г.,Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химическойтехнологии. Учебное пособие для вузов/Под ред. чл.-корр. АН СССР П.Г.Романкова. Л.: Химия, 1987.
еще рефераты
Еще работы по химии