Расчет однократного испарения
Рисунок 6 – Схема процесса однократного испарения (ОИ)
Материальный баланс процесса ОИ представим следующим образом
для всей системы
F = GF + gF, (13)
для низкокипящего компонента
F · x'F = GF · y*F + gF · x*F, (14)
где GF и gF – массовые расходы соответственно образовавшихся паров и жидкого остатка в кг/ч;
x*F и y*F – мольные доли бензола в равновесных жидкой и паровой фазах, полученных в результате однократного испарения сырья на входе в колонну.
Совместное решение приведенных уравнений даст нам выражение:
x'F = e' · y*F + (1 – e') · x*F, (15)
где e' = G'F / F' – мольная доля отгона.
Процесс однократного испарения проанализируем при помощи кривой равновесия фаз, изобарных температурных кривых и энтальпийной диаграммы. Значения x*F , y*F определяем по графику, а также с помощью данной формулы методом подбора:
e' = (x'F – x*F) / (y*F – x*F)
По кривой равновесия фаз и изобарным температурным кривым мы рассчитали составы равновесных фаз сырья x*F = 0,37 и y*F = 0,59 а также температуру сырья на входе в колонну tF = 108,3°C.
Покажем результаты расчета на комбинированной диаграмме. Согласно правилу рычага массовые расходы F, GF и gF лежат на одной прямой:
g
F
F GF
•
• •
x *F x'F y*F
e' = (x'F – x*F) / (y*F – x*F) (16)
e'=(0,48 -0,37)/(0,59-0,37)=0,47
Материальный баланс для ректификационной колонны
W
Рисунок 5 – Схема полной ректификационной колонны
Материальный баланс для ректификационной колонны можно выразить следующим образом:
для всей системы
F = D + W, (9)
для низкокипящего компонента (бензола)
F' · x'F = D' · y'D + W' · x'W, (10)
где F и F' – производительность колонны соответственно в кг/ч и кмоль/ч,
D и D' – массовые расходы дистиллята соответственно в кг/ч и кмоль/ч,
W и W' – массовые расходы остатка в кг/ч и кмоль/ч.
Для перевода единицы измерения кг/ч в кмоль/ч рассчитаем средние молярные массы сырья MF, дистиллята MD и остатка MW по правилу аддитивности:
MF = MБ · x'F + MТ · (1 - x'F) = 78 · 0,48 + 92 · (1 – 0,48) = 85,28 кг/кмоль;
MD = MБ · y'D + MТ · (1 - y'D) =78 · 0,935+ 92· (1 – 0,935) = 78,91 кг/кмоль;
MW = MБ · x'W + MТ · (1 - x'W) = 78 · 0,033 + 92 · (1 – 0,033) = = 91,538 кг/кмоль.
Рассчитаем производительность ректификационной колонны в кмоль/ч:
F' = F / MF = 23500 / 85,28 = 275,56 кмоль/ч.
Отсюда можно найти массовые расходы бензола F'Б, FБ и толуола F'Т, FТ в сырье:
F'Б = F' · x'F =275,56 · 0,48 = 132,27кмоль/ч;
FБ = F'Б · MБ = 135,15· 78 = 10317,07 кг/ч;
F'Т = F' · (1 - x'F) = 132,27 · (1 - 0,48) = 143,29 кмоль/ч;
FТ = F'Т · MТ = 143,29 · 92 = 13182,93 кг/ч.
Для нахождения массовых расходов дистиллята D и остатка W воспользуемся правилом рычага, т.е. отношение массовых расходов двух любых продуктов прямо пропорционально отношению их неприлегающих отрезков:
W' F' D'
• • •
x'W x'F y'D
D ' / F' = (x'F - x'W) / (y'D - x'W), (11)
W ' / F' = (y'D - x'F) / (y'D - x'W), (12)
Рассчитаем массовый расход дистиллята D' по уравнению (11):
D' = 275,56 · (0,48 – 0,033) / (0,935 – 0,033) = 136,56 кмоль/ч.
Отсюда можно найти массовые расходы D, D'Б, D'Т, DБ , DТ:
D = D' · MD = 136,56 · 78,91 = 10775,9 кг/ч;
D'Б = D' · y'D = 136,56 · 0,935 = 127,68 кмоль/ч;
D'Т = D' · (1 -y'D) = 136,56 (1 - 0,935) = 8,8 кмоль/ч;
DБ = D'Б · MБ = 127,68 · 78 = 9959,28 кг/ч;
DТ = D'Т · MТ = 8,8 · 92 = 816,63 кг/ч.
Аналогично рассчитаем массовые расходы W', W, W'Б, W'Т, WБ , WТ:
по уравнению (12):
W' = 136,56 · (0,935 – 0,033) / (0,935 – 0,033) = 139 кмоль/ч;
W = W' · MW = 139 · 91,538 = 12724,1 кг/ч;
W'Б = W' · x'W = 139 · 0,033 = 4,59 кмоль/ч;
W'Т = W' · (1 -x'W) = 139 · (1 - 0,033) = 134,42 кмоль/ч;
WБ = W'Б · MБ = 4,59 · 78 = 357,79 кг/ч;
WТ = W'Т · MТ =134,42 · 92 = 12366,3 кг/ч.
Составим материальный баланс в виде таблицы:
Таблица 3.1 Материальный баланс
Компонент |
сырье (F) |
дистиллят (D) |
остаток (W) |
|||
кг/ч |
кмоль/ч |
кг/ч |
кмоль/ч |
кг/ч |
кмоль/ч |
|
бензол |
10317,0732 |
132,27 |
9959,28 |
127,68 |
357,79 |
4,59 |
толуол |
13182,9268 |
143,29 |
816,63 |
8,88 |
12366,30 |
134,42 |
∑ |
23500 |
275,56 |
10775,90 |
136,56 |
12724,10 |
139,00 |