2. Тепловой и конструктивный расчет колонны

2.1 Материальный баланс колонны

Материальный баланс колонны

, (2.1)

где G_f – расход свежей смеси;

G_w – расход кубовых остатков;

G_d – расход готовой продукции.

Уравнение материального баланса для низкокипящего компонента

, (2.2)

где - молярная концентрация исходной смеси в жидкой фазе;

- молярная концентрация дистиллята в жидкой фазе;

- молярная концентрация кубовых остатков в жидкой фазе.

, где М_А=46 , М_В=18 - молярные массы легкокипящего и высококипящего компонентов соответственно.

Тогда получим =0,25 ; =0,85; =0,02

Составим систему уравнений из (2.1) и (2.2)

0,5= G_d + G_w

1· 0,25 = G_d · 0,85 + G_w · 0,02

Решив систему уравнений, получим

G_w = 0,2 кг/с

G_d = 0,3 кг/с

2.2. Определение числа тарелок

2.2.1.Построение диаграммы фазового равновесия t=f(x,y)

На диаграмму наносятся температуры кипения чистых компонентов. Температуры кипения этилового спирта и воды соответственно составляют t_A=78 ^оC,

t_B=100 ^оC [1].

Задаваясь значением температур в промежутке от t_A до t_B, из уравнения Антуана определяют давления насыщения низкокипящего компонента при данных температурах:

(2.3)

где Т – температура насыщения компонента смеси, ^оC;

Для температур t₁=78.3 ^оC, t₂=85 ^оC, t₃=90 ^оC, t₄=95 ^оC, t₅=100 ^оC давления насыщения низкокипящего компонента по формуле (2.6) соответственно составят:

МПа

МПа

МПа

МПа

МПа

Задаваясь значением температур в промежутке от t_A до t_B определяют давления насыщения высококипящего компонента при данных температурах. Для температур t₁=78,3 ^оC, t₂=85 ^оC, t₃=90 ^оC, t₄=95 ^оC, t₅=100 ^оC давления насыщения высококипящего компонента соответственно составят:

МПа

МПа

МПа

МПа

МПа

Мольные концентрации низкокипящего компонента в жидкой фазе определяются по формуле:

, (2.4)

где P_общ – общее давление смеси, Па. Принимаем равным давлению при нормальных условиях 100000 Па.

Используя закон Рауля, определяют концентрации низкокипящего компонента в паровой фазе в интервале температур от t_A до t_B:

, (2.5)

, (2.6)

где P_A – парциальное давление низкокипящего компонента при температуре t_i, Па.

Отсюда получаем

У_А=(Р_А*x_А)\P_общ

По полученным данным составляем таблицу, на основании которой строим кривую испарения и конденсации пара.

Таблица 2.1

Температура,t	100	95	90	85	78,3
Концентрация этилового спирта в жидкой фазе, ХА	0	0,15	0,34	0,58	1
Концентрация этилового спирта в паровой фазе, YА	0	0,27	0,53	0,76	1
Давление насыщения этилового спирта при температуре t, ,Па	0,22	0,18	0,15	0,13	0,1
Давление насыщения воды при температуре t, ,Па	0,1	0,084	0,07	0,057	0,04
H` кДж/кг	419	368	313	256	165
H`` кДж/кг	2451	2239	1966	1625	1032
Срсм КДж/кгК	4,187	3,88	3,48	2,98	2,115
r КДж/кг	2495	2253	1950	1950	895

2.2.2.Построение диаграммы фазового равновесия y=f(x)

Равновесные (сопряженные) концентрации компонента А в жидкой и газообразных фазах находятся на изотерме, пересекающей соответствующие линии испарения и конденсации, поэтому берутся эти значения (x_i и y_i) на основании таблицы 2.1 и наносятся на диаграмму в координатах y=f(x) (рисунок 2.2).

2.2.3.Построение диаграммы фазового равновесия h=f(x,y)

В диапазоне температур кипения чистых компонентов определяют энтальпию кипящей жидкости по формуле, кДж/кг:

(2.7)

где и – изобарные теплоемкости низкокипящего и высококипящего компонентов в жидких фазах соответственно, кДж/кг.

кДж/(кг ·К),

=4,187 кДж/(кг ·К).

В диапазоне температур кипения чистых компонентов определяют энтальпию насыщенного пара по формуле, кДж/кг:

(2.8)

где , - скрытая теплота парообразования, кДж/кг.

Для этилового спирта =895 кДж/кг,

для воды =2260 кДж/кг.

и – изобарные теплоемкости низкокипящего и высококипящего компонентов в паровых фазах соответственно, кДж/кг.

кДж/(кг ·К),

=1,965 кДж/(кг ·К).

По полученным данным строим кривую испарения и конденсации пара.