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 = 0,5и y*F = 0,7 а также температуру сырья на входе в колонну tF = 108,8°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'=(0,61-0,5)/(0,7-0,5)=0,55
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 · 0,61 + 92, · (1 – 0,61) = 83,46 кг/кмоль;
MD = MБ · y'D + MТ · (1 - y'D) =78 · 0,971+ 92· (1 – 0,971) = 78,406 кг/кмоль;
MW = MБ · x'W + MТ · (1 - x'W) = 78 · 0,026 + 92,14 · (1 – 0,026) = = 91,636 кг/кмоль.
Рассчитаем производительность ректификационной колонны в кмоль/ч:
F' = F / MF = 21000 / 83,46 = 251,62 кмоль/ч.
Отсюда можно найти массовые расходы бензола F'Б, FБ и толуола F'Т, FТ в сырье:
F'Б = F' · x'F =251,62 · 0,61= 153,49 кмоль/ч;
FБ = F'Б · MБ =153,49 · 78 = 11971,96 кг/ч;
F'Т = F' · (1 - x'F) = 251,62 · (1 - 0,61) = 98,13 кмоль/ч;
FТ = F'Т · MТ = 134,81 · 92 = 9028,04 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' = 251,62 · (0,61 – 0,026) / (0,971 – 0,026) = 155,50 кмоль/ч.
Отсюда можно найти массовые расходы D, D'Б, D'Т, DБ , DТ:
D = D' · MD = 155,50 · 78,406 = 12191,9 кг/ч;
D'Б = D' · y'D = 155,50 · 0,971 = 150,99 кмоль/ч;
D'Т = D' · (1 -y'D) = 155,50 (1 - 0,971) = 4,51 кмоль/ч;
DБ = D'Б · MБ = 150,99 · 78 = 11777,03 кг/ч;
DТ = D'Т · MТ = 4,51 · 92 = 414,87 кг/ч.
Аналогично рассчитаем массовые расходы W', W, W'Б, W'Т, WБ , WТ:
по уравнению (12):
W' = 251,62 · (0,971 – 0,61) / (0,971 – 0,026) = 96,12 кмоль/ч;
W = W' · MW = 96,12 · 91,636 = 8808,1 кг/ч;
W'Б = W' · x'W = 96,12 · 0,026 = 2,5 кмоль/ч;
W'Т = W' · (1 -x'W) = 96,12 · (1 - 0,026) = 93,62 кмоль/ч;
WБ = W'Б · MБ = 2,5 · 78 = 194,93 кг/ч;
WТ = W'Т · MТ =130,90 · 92 = 8613,17 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 |
11971,9626 |
153,49 |
11777,03 |
150,99 |
194,93 |
2,50 |
толуол |
9028,03738 |
98,13 |
414,87 |
4,51 |
8613,17 |
93,62 |
∑ |
21000 |
251,62 |
12191,90 |
155,50 |
8808,10 |
96,12 |