Глава 1. Расчётная часть

1.1 Материальный баланс

Для начала, сравнивая температуры кипения компонентов бинарной системы ацетон – метиловый спирт, определим, какой из компонентов является легколетучим, а какой труднолетучим. Температура кипения ацетона при 1 атм 56,4^оС, температура кипения метилового спирта при 1 атм 64,8^оС, следовательно, легколетучим компонентом в данной бинарной смеси является ацетон. [5, с. 3]

Обозначим массовый расход исходной смеси , массовый расход дистиллята , массовый расход кубового остатка, концентрацию легколетучего компонента в исходной смеси в массовых долях, концентрацию легколетучего компонента в дистилляте в массовых долях, концентрацию легколетучего компонента в кубовом остатке в массовых долях. В задании по курсовому проектированию массовый расход исходной смеси дан вт/час: . Сделаем перевод в систему СИ:

Применим уравнения материального баланса [4, с. 11]:

а) баланс по потокам: (1.1.1)

б) баланс по содержанию легколетучего компонента в потоке:

(1.1.2)

Составив систему из уравнений материального баланса:

и подставив в неё известные нам из задания по курсовому проектированию данные (,,,), найдём массовые расходы дистиллята и кубового остатка:

Для дальнейших расчётов необходимо выразить концентрации легколетучего компонента в исходной смеси , дистиллятеи в кубовом остаткев мольных долях [6, с. 283]:

, (1.1.3)

где – молярная масса легколетучего компонента смеси (в нашем случае ацетона,[5, с. 3]);

–молярная масса труднолетучего компонента смеси (в нашем случае метилового спирта, [5, с. 3]).

Определим мольную долю ацетона (легколетучего компонента) в паре , равновесном с жидкостью питания, интерполируя значения из таблицы по равновесию пар – жидкость в бинарной смеси ацетон – метиловый спирт [2, с. 5]:

Найдём минимальное число флегмы в ректификационной колонне непрерывного действия [6, с. 321]:

(1.1.4)

Найдём рабочее число флегмы [6, с. 321]:

(1.1.5)

Уравнение рабочей линии верхней части ректификационной колонны [6,с. 320]:

(1.1.6)

Уравнение рабочей линии нижней части колонны [6, с. 320]:

, (1.1.7)

где – относительный мольный расход питания, определяемый по формуле [6, с. 320]:

(1.1.8)

1.2 Тепловой баланс

Зная мольный состав исходной смеси (жидкости питания), дистиллята и кубового остатка, найдём их температуры кипения, используя данные таблицы равновесия пар – жидкость для бинарной смеси ацетон – метиловый спирт [2, с. 5]:

Найдём расход теплоты, получаемой кипящей жидкостью в кубе колонны при конденсации греющего пара [4, с. 23, 25]:

(1.2.1)

где – расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре,

–теплоёмкости жидкостей состава при температурахсоответственно, которые определяют по формуле аддитивности [3, с. 4]:

(1.2.2)

где и– теплоёмкости легколетучего и труднолетучего компонентов смеси (в нашем случае ацетона и метилового спирта) при соответствующих температурах, определяемые по номограмме [6, с. 562].

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре, определим по формуле [4, с. 24]:

, (1.2.3)

где – массовый расход дистиллята,

–флегмовое число,

–удельная теплота парообразования дистиллята, которая рассчитывается по аддитивной формуле [3, с. 6]:

, (1.2.4)

где при использовании дефлегматора,

и – удельные теплоты парообразования легколетучего и труднолетучего компонентов смеси (в нашем случае ацетона и метилового спирта соответственно) при температуре кипения дистиллята, определяемые при интерполяции данных таблицы удельных теплот парообразования [5, с. 15]:

1.3 Расчёт средних физических величин смеси

Для дальнейшего расчёта нам необходимо знать значения некоторых физических величин смеси. Методика их расчёта приведена в литературе [3].

Расчёт ректификационной колонны начинают с определения средних значений температур, теплофизических свойств жидкости и пара, а также их расходов. Этот этап предшествует гидравлическому расчёту колонны. Жидкостные и паровые потоки являются смесями компонентов, свойства которых рассчитываются на основе свойств чистых веществ в зависимости от состава и температуры потока. Для простой полной колонны, обогреваемой горячей водой, средние составы и расходы по жидкости и пару, а также физические величины определяют отдельно для верхней и нижней частей колонны (индексы в и н). Индексу А соответствует легколетучий компонент (ацетон), индексу В труднолетучий компонент (метиловый спирт).

а) Для жидкой фазы в верхней и нижней частях колонны:

– мольные составы иопределяют как среднеарифметические:

, (1.3.1)

; (1.3.2)

– мольные массы смеси определяют по формуле:

, (1.3.3)

где – мольные массы исходных веществ,[5, с. 3];

– массовые составы иопределяют по уравнению

, (1.3.4)

где – мольная масса смеси;

– средние температуры определяют, интерполируя данные таблицы равновесия пар – жидкость бинарной системы ацетон – метиловый спирт [2, с. 5] при соответствующих значенияхи:

– плотности определяют по уравнению:

, (1.3.5)

где – плотности легколетучего и труднолетучего компонентов при соответствующих температурах,, которые находим, интерполируя данные таблицы плотности жидкостей в зависимости от температуры [5, с. 4]:

– динамические коэффициенты вязкости рассчитывают по уравнению:

, (1.3.6)

где – динамические коэффициенты вязкости легколетучего и труднолетучего компонентов при соответствующих температурах,, которые находим, интерполируя данные таблицы зависимости динамического коэффициента вязкости органических жидкостей от температуры [5, с. 5]:

– коэффициент диффузии бинарной смеси при , рассчитывают по приближенной формуле:

, (1.3.7)

где – динамический коэффициент вязкости жидкости при ;

и – мольные массы исходных веществ,[5, с. 3];

–мольные объёмы растворённого вещества и растворителя, ;

–коэффициенты, зависящие от свойств растворённого вещества и растворителя.

Динамический коэффициент вязкости жидкости при рассчитываем по уравнению(1.3.6):

,

где – динамические коэффициенты вязкости легколетучего и труднолетучего компонентов при, которые выбираем из таблицы зависимости динамического коэффициента вязкости органических жидкостей от температуры [5, с. 5]:

Мольные объёмы находим по правилу аддитивности, используя значения атомных объёмов [3, с. 8]:

Значения коэффициентов для смеси ацетон – метиловый спирт находим из таблицы значений коэффициентовдля расчётов коэффициента диффузии в бинарных смесях [3, с.9]:

– температурный коэффициент для уравнения коэффициента диффузии (см. ниже,(1.3.9)) определяют по эмпирической формуле:

, (1.3.8)

где – динамический коэффициент вязкости жидкости при(см. выше);

–плотность жидкости при , которую определяют по уравнению(1.3.5):

,

где – плотности легколетучего и труднолетучего компонентов при, которые выбираем из таблицы плотностей жидкостей в зависимости от температуры [5, с. 4]:

– коэффициенты диффузии рассчитывают по приближенной формуле:

(1.3.9)

– поверхностные натяжения определяют по уравнению:

, (1.3.10)

где – поверхностные натяжения исходных веществ при соответствующих температурах,, определяемые интерполированием данных таблицы поверхностных натяжений органических веществ и воды в зависимости от температуры [3, с. 10]:

– удельные теплоёмкости питания, кубового остатка и дистиллята уже были определены по аддитивной формуле (1.2.2)

– массовые расходы рассчитывают по уравнениям:

, (1.3.11)

где молярная масса дистиллята определяется по формуле(1.3.3):

, (1.3.12)

где молярная масса исходной смеси определяется по формуле(1.3.3):

– объёмные расходы рассчитывают по соотношению:

(1.3.13)

б) Для паровой фазы в верхней и нижней частях колонны:

– мольные составы определяют по уравнениям рабочих линий при подстановке в них соответственно :

– мольные массы определяют по уравнению (1.3.3) при соответствующих значениях :

– массовые составы определяют по уравнению:

(1.3.14)

– средние температуры определяют, используя данные таблицы равновесия пар – жидкость бинарной системы ацетон – метиловый спирт [2, с. 5] при соответствующих значенияхи:

– плотности паров веществ , при средних температурах определяют по уравнению Клапейрона (при ):

, (1.3.15)

где – плотность пара при нормальных условиях,;

–средняя температура пара, ;

–среднее давление в колонне,

• плотности рассчитывают по уравнению:

(1.3.16)

– динамические коэффициенты вязкости рассчитывают по приближенной формуле:

(1.3.17)

где – динамические коэффициенты вязкости паров легколетучего и труднолетучего компонентов при соответствующих температурах,, которые находим, интерполируя данные таблицы зависимости динамического коэффициента вязкости пара от температуры [5, с. 8]:

– коэффициенты диффузии рассчитывают по приближенной формуле:

, (1.3.18)

где – средняя температура пара, ;

–среднее давление в колонне, ; остальные обозначения см. для уравнения(1.3.7).

– удельная теплота конденсации паров дистиллята была рассчитана выше (см. уравнение (1.2.4))

– массовые расходы определяют по уравнению:

(1.3.19)

– объёмные расходы пара рассчитывают по соотношению:

(1.3.20)