Введение

Ректификация - массообменный процесс, который осуществляется в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки). В процессе ректификации происходит непрерывный обмен между жидкой и паровой фазой. Жидкая фаза обогащается более высококипящим компонентом, а паровая фаза - более низкокипящим. Процесс массообмена происходит по всей высоте колонны между стекающей вниз флегмой и поднимающимся вверх паром. Что интенсифицировать процесс массообмена применяют контактные элементы, что позволяет увеличить поверхность массообмена. В случае применения насадки жидкость стекает тонкой пленкой по ее поверхности, в случае применения тарелок пар проходит через слой жидкости на поверхности тарелок. В данной работе приведен расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной смеси бензол - толуол.

1 Особенности расчета тарельчатой ректификационной колонны

Как правило, расчет ректификационной колонны производится для заданных: составе исходной смеси, кубового остатка, дистиллята, производительности и рабочем давлении в колонне.

В начале определяется материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число. Для этого используется диаграмма y -x . Затем подбирается тип тарелок, определяется скорость пара , диаметр колонны, коэффициенты массопередачи, высота колонны, гидравлическое сопротивление тарелок . После этого можно провести расчет эксплуатационных свойств, а также экономические показатели ее использования.

2 Пример расчета ректификационной колонны для перегонки смеси бензол - толуол

Для примера, рассчитаем колонну при содержании легколетучего компонента (т.е. бензола) в исходной смеси 35%(масс.), в дистилляте 98%, в кубовой жидкости 1,7%. Производительность по исходной смеси 5кг/с.

2.1 Материальные расчеты

2.1.1 Материальный баланс колонны

Производительность по дистилляту P и кубовому остатку W определяется из уравнения материального баланса ректификационной колонны:

(1)

Откуда:

(2)

(3)

Все расчеты в данном случае ведутся для легкокипящего компонента, а значит х есть концентрация бензола. Для дальнейших расчетов необходимо пересчитать составы фаз из массовых в мольные по соотношению :

(4)

где x - мольная доля компонента А,

- массовая доля компонента А, % (масс.)

МА - мольная масса компонента А,

МВ - мольная масса компонента В,

Подставив мольные массы бензола и толуола получаем:

2.1.2 Определение рабочего флегмового числа

Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются значением рабочего флегмового числа R. Флегмовое число являет собой отношение количества флегмы к количеству дистиллята. Оно может находиться в интервале от Rmin до ¥. При минимальном флегмовом числе можно получить максимальное количество дистиллята, но число тарелок становится бесконечно большим. Если флегмовое число принять равным бесконечности, то получится, что колонна работает сама на себя. При флегмовом числе меньше минимального мы ни при каких условиях не сможем получить конечный продукт с заданными свойствами.

Вообще флегмовое число отражает угол наклона рабочей линии к оси абсцисс для верхней части колонны и входя в уравнение рабочей линии. Уравнение рабочей линии для верхней части колонны выглядит как:

(5)

yD , как впрочем и yW определяются равными xD и xW соответственно. Иначе говоря предполагается что состав паровой и жидкой фазы одинаков как для низа так и для верха колонны. Все это можно увидеть на рисунке 1.

Минимальное флегмовое число определяется по следующей формуле:

(6)

где - мольная доля спирта в паре, находящемся в равновесии с исходной смесью, определяется по y-x диаграмме .

Тогда:

Рабочее значение флегмового числа примем равным 2,1. Для определения рабочего флегмового числа существует множество рекомендаций, мы их упускаем, но их можно найти в [3].

2.1.3 Построение рабочей линии на диаграмме “жидкость - пар”.

Рабочая линия процесса ректификации, в отличие от процесса абсорбции, представляет собой совокупность рабочих линий для верхней и для нижней части колонны и характеризуется изломом в точке соответствующей составу питательной смеси.

Для верхней части колонны можно воспользоваться уравнением (5), а для нижней части колонны существует уравнение:

(6)

Вид рабочей линии представлен на все том же рисунке 1.

2.1.4 Определение среднего массового расхода по жидкости

Средние массовые расходы по жидкости для верхней и нижней частей колонны определяются из соотношений :

(7)

(8)

где МP и МF - мольные массы дистиллята и исходной смеси,

МВ и МН - мольные массы жидкости в верхней и нижней частях,