1. Технологическая схема процесса ректификации

ы

Ректификация – массообменный процесс, который осуществляется путем многократного контакта между неравновесными жидкой и паровой фазами, движущимися относительно друг друга. В большинстве случаев ректификацию осуществляют в противоточных колонных аппаратах с различными контактными элементами (насадки, тарелки). Ряд особенностей процесса ректификации (различное соотношение нагрузок по жидкости и пару в нижней и верхней частях колонны, переменные по высоте колонны физические свойства фаз и коэффициент распределения, совместное протекание процессов массо- и теплопереноса) делает расчет процесса достаточно сложным.

На рис. 1.1 представлена схема ректификационной установки, пример расчета которой представлен ниже.

Рис. 1.1. Схема ректификационной установки:

1 — ректификационная колонна (1а– укрепляющая часть; 1б – исчерпывающая); 2 – кипятильник; 3 – дефлегматор; 4 – делитель флегмы; 5 –  теплообменник-подогреватель исходной смеси; 6 – холодильник дистиллята; 7 – холодильник кубового остатка; 8,9 – емкости для сбора кубового остатка и дистиллята; 10– насосы.

Исходную смесь из емкости центробежным насосом подают в теплообменник 5, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 1 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси.

Стекая, вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 2. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим (низкокипящим) компонентом. Для создания противоточного движения жидкости в верхней части колонны и более полного насыщения пара низкокипящим компонентом верхнюю часть колонны орошают жидкостью (флегмой), получаемой в дефлегматоре 3 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения (дистиллята), который охлаждается в теплообменнике-холодильнике 6 и направляется в промежуточную емкость 9.

Из кубовой части колонны непрерывно выводится кубовая жидкость – продукт, обогащенный труднолетучим (высококипящим) компонентом, который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в емкость 8.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят с высоким содержанием легколетучего (низкокипящего) компонента и кубовый остаток, обогащенный труднолетучим (высококипящим) компонентом.

2. Расчет тарельчатой ректификационной колонны непрерывного действия

Задание на проектирование.Рассчитать ректификационную колонну непрерывного действия для разделения под атмосферным давлением 10 т/час жидкой смеси, содержащей 50%(масс.) бензола и 50%(масс.) толуола. Требуемое содержание бензола в дистилляте 96%(масс.), в кубе 2%(масс.). Тип колонны – тарельчатая, тарелки – ситчатые. Исходная смесь перед подачей в колонну подогревается до температуры кипения. Давление греющего пара 3 ат.

1. Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число

Производительность колоны по дистилляту и кубовому остаткуопределим из уравнений материального баланса:

где - производительность колонны по исходной смеси, кг/с;,,- соответственно содержания легколетучего компонента (бензола) в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке в массовых долях.

Отсюда находим:

кг/с

кг/с

Для дальнейших расчетов выразим мольную долю низкокипящего компонента в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке. Для исходной смеси используется следующая формула:

где и– молярные массы низкокипящего и высококипящего компонентов соответственно, кг/кмоль. В данном случае низкокипящим компонентом смеси является бензол, а высококипящим толуол. Аналогично вычисляется и мольная доля низкокипящего компонента в дистиллятеи кубовом остатке.

Молярная масса – это масса вещества количеством 1 моль. Её можно рассчитать по химической формуле вещества, суммируя атомные массы элементов, умножив эти числа на индексы (число атомов элемента в молекуле). Молярная масса бензола (химическая формула – C₆H₆) составляеткг/кмоль, молярная масса толуола (химическая формула – C₆H₅-CH₃) составляеткг/кмоль. С физическими свойствами некоторых органических веществ можно ознакомиться в приложении.

Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости и расчетное число тарелок зависят от флегмового числа R. Оптимальное флегмовое числоможно найти из технико-экономического расчета [2]. Приблизительно рабочее флегмовое число можно оценить по формуле:

,

где – минимальное флегмовое число.

где и– мольные доли низкокипящего компонента соответственно в исходной смеси и дистилляте;– мольная доля низкокипящего компонента в паре, находящемся в равновесии с исходной смесью.

Для определения необходимы сведения о равновесии системы. Для условия атмосферного давления эти данные приведены в Таблица П 3. Их необходимо перенести в текст курсового проекта в виде таблицы. Так например, для смеси бензол толуол сведения о равновесии следующие.

Таблица2.1 – Равновесные составы жидкости и пара итемпературы кипения бинарной смеси бензол-толуол при давлении 760 мм рт. ст.
Смесь	x	0	5	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100	Азеотропная смесь
Бензол–толуол	y t	0 110,6	11,5 108,3	21,4 106,1	38 102,2	51,1 98,6	61,9 95,2	71,2 92,1	79 89,4	85,4 86,8	91 84,4	95,9 82,3	100 80,2	— —

Затем необходимо на листе миллиметровой бумаги произвести построение линии равновесия (диаграмма, Рис. 2 .1). Размер построений не менее чем 200х200 мм. Значениеопределить графически для заданного значения. В нашем случае для смеси бензол-толуол присоставляет=0,74.

В курсовом проекте для определения рабочего флегмового числа предпочтительно использовать методику, позволяющую минимизировать объем колонны. Для этого необходимо минимизировать функционал, гдеN– число теоретических ступеней контакта (тарелок), так как высота колонны пропорциональна числу тарелок, а диаметр колонны пропорционален расходу паровой смеси, поднимающейся по колонне, который в свою очередь пропорционален[2] (см. также уравнение ).

Процедура минимизации следующая. Задаются 5-6 значениями коэффициента избытка флегмы в пределах от 1,05 до 5. Рассчитывают для каждого фиксированного значенияфлегмовое числоR. Для каждогоR, наy-xдиаграмме строят рабочие линии (прямые) для верхней и нижней частей колонны. Затем графически определяют число теоретических тарелок для каждого варианта рабочих линий. Определяют значение функционаладля каждого случая. Полученные результаты представляют в виде таблицы (Таблица 2 .2)) и наносят на координатную плоскость с осями. Полученные точки соединяются плавной линией с получением графика (Рис. 2 .2). По графику определяют, при какомдостигается минимальное значение функционала.

Пример построений для ,показан на Рис. 2 .1.

Уравнения рабочих линий показывают какая мольная доля низкокипящего компонента находится в парообразной и жидкой фазе, взаимодействующих между собой, в различных точках колонны. Уравнения рабочих линий являются следствием уравнений материального баланса:

где – относительный мольный расход питания:

Как видно, уравнений - при постоянных иявляются уравнениями прямых в осяхдиаграммы. Линия для верхней части колонны проходит через точку, расположенную на пересечении диагонали и перпендикуляра восстановленного из точкина оси. Аналогично, рабочая линия для нижней части колонны проходит через точку, расположенную на пересечении диагонали и перпендикуляра восстановленного из точкина оси. Кроме того, продолжение линии для верхней части колонны отсекает на осиотрезокразмером.

Для случая, когда ,,(Рис. 2 .1):

Таким образом, для построения рабочих линий необходимо рассчитать длину отрезка . Построить рабочую линию для верхней части колонны (через точкии). Получить точупересечения рабочей линии верхней части и перпендикуляра. Построить рабочую линию нижней части колонны (через точкии).

Для определения числа теоретических тарелок между рабочей линией и равновесной вписывается ломаная кривая, а затем подсчитывается число ступеней с учетом неполных ступеней.

Учитывая, что описанных построений по диаграммам необходимо выполнить 5÷6 штук, необходимо изготовить несколькодиаграмм, для обеспечения надлежащего качества построений и возможности проверки. Допускается на одной диаграмме выполнить до 2-3-х построений.

Рис.2.1 – Пример построения рабочих линий процесса надиаграмме при,.

Таблица2.2 Результаты расчетов по оптимизации колонны
β	1,1	1,2	1,5	1,8	2	4
R	1,2	1,31	1,64	1,97	2,185	4,37
отрезок	0,439	0,418	0,366	0,326	0,303	0,18
N	19,5	16,8	16	12,4	11,8	9,7
N(R+1)	43	39	36,3	36,9	37,7	52

Рис.2.2 Определение рабочего флегмового числа.

Примем рабочее флегмовое число R=1,75, что соответствует минимальному значениюN(R+1)=f(R).

Определяем относительный мольный расход питания f:

Тогда уравнения рабочих линий верхней и нижней частей ректификационной колонны: