Расчет ректификационной колонны

     2. Вода — оксид водорода — одно из наиболее распространенных и важных веществ. Поверхность Земли, занятая водой, в 2,5 раза больше поверхности суши. Чистой воды в природе нет, — она всегда содержит примеси. Получают чистую воду методом перегонки. Перегнанная вода называется дистиллированной. Состав воды (по массе): 11,19 % водорода и 88,81 % кислорода.

     Чистая вода прозрачна, не имеет запаха и вкуса. Наибольшую плотность она имеет при 0° С (1 г/см3). Плотность льда меньше плотности жидкой воды, поэтому лед всплывает на поверхность. Вода замерзает при 0° С и кипит при 100° С при давлении 101 325 Па. Она плохо проводит теплоту и очень плохо проводит электричество. Вода — хороший растворитель. Молекула воды имеет угловую форму, атомы водорода по отношению к кислороду образуют угол, равный 104,5°. Поэтому молекула воды — диполь: та часть молекулы, где находится водород, заряжена положительно, а часть, где находится кислород, — отрицательно. Благодаря полярности молекул воды электролиты в ней диссоциируют на ионы.

     В жидкой воде наряду с обычными молекулами Н20 содержатся ассоциированные молекулы, т. е. соединенные в более сложные агрегаты (Н2О)x благодаря образованию водородных связей. Наличием водородных связей между молекулами воды объясняются аномалии ее физических свойств: максимальная плотность при 4° С, высокая температура кипения (в ряду Н20—Н2S — Н2Sе) аномально высокая теплоемкость [4,18 кДж/(г • К)]. С повышением температуры водородные связи разрываются, и полный разрыв наступает при переходе воды в пар.

     Вода — весьма реакционноспособное вещество. При обычных условиях она взаимодействует со многими основными и кислотными оксидами, а также со щелочными и щелочно-земельными металлами. Вода образует многочисленные соединения - кристаллогидраты.

     Очевидно, соединения, связывающие воду, могут служить в качестве осушителей. Из других осушающих веществ можно указать Р205, СаО, ВаО, металлический Ма (они тоже химически взаимодействуют с водой), а также силикагель. К важным химическим свойствам воды относится ее способность вступать в реакции гидролитического разложения[5]. 

 

Задание на проектирование.

      Рассчитать  ректификационную колонну непрерывного действия для разделения смеси метиловый  спирт – вода по следующим данным:

1. Производительность по исходной смеси F=2000 кг/сут;

2. Содержание легколетучего компонента ( в % (по массе)); в исходной смеси Х_F = 6,5%, в дистилляте Х_P = 78%, в кубовом остатке X_w = 3,5%;

3. Давление в паровом пространстве дефлегматора 0,1 МПа;

4. Тип ректификационной колонны – тарельчатый, тип тарелки – колпачковый;

5. И сходная смесь перед подачей в колонну нагревается до температуры кипения насыщенным водяным паром давлением 0,1Мпа 

3.1 Материальный баланс колонны и определение рабочего флегмового числа 

Производительность колонны по дистилляту Р и кубовому остатку W определяем из уравнений материального баланса колонны:

F = Р + W

где F – производительность по исходной смеси;

      P – производительность по дистилляту;

      W – производительность по кубовому остатку

F * 0,065 = P * 0,78 + W * 0,035

где 0,065 содержание легколетучего компонента в исходной смеси;

      0,78 содержание легколетучего компонента в дистилляте;

     0,035 содержание легколетучего компонента в кубовом остатке:

Отсюда находим W – производительность по кубовому остатку 

Находим P - производительность по дистилляту

Р = 2000 – 1919,4 = 80,66 кг/сут = 0,0009 кг/с

Концентрации исходной смеси определяем по формуле

[1. Ф-9.1, стр. 249]

 
 
 

где X_F – содержание легколетучего компонента в исходной смеси;

М_F – мольные массы компонентов

Аналогично находим концентрацию дистиллята

 

Аналогично находим концентрацию кубового остатка

 

      Принимаем, что мин. флегмовое число R_min = 1. 

Рабочее флегмовое число R по формуле [1. Ф-9.17 стр. 251]

R = 1,3* R_min  + 0,3 = 1,3*1 + 0,3 = 1,33

где R_min - минимальное флегмовое число

      Находим отрезок отсекаемый рабочей линией на оси ординат по формуле [1. Ф-9.16 стр. 250]

где Х_р - содержание легколетучего компонента в дистилляте

      R – рабочее значение флегмового числа 

3.2 Тепловой баланс 

      Температуры кипения в соответствующих точках пересечения имеют следующие значения: температура дистиллята t_p = 67; температура в исходной смеси t_F = 84; температура в кубовом остатке t_w = 99 ( рис 1).

      Теплоемкости исходной смеси, дистиллята и кубового остатка, представляющих смесь метилового спирта и воды, определяется по формуле: [2 Ф-2.22 стр. 21]

C = 4190(1 – X) + С_м*Х

где С_м – теплоемкость метилового спирта [2 Т-11стр. 521]

      4190 – теплоемкость воды

     Х - содержание легколетучего компонента 
 
 

Находим теплоемкость дистиллята

C_Р = 4190(1 – X_P) + С_м*Х_P = 4190(1– 0,78) + 2682*0,78 = 3013,76 Дж/(кг*К)

Находим теплоемкость исходной смеси

C_F = 4190(1 – X_F) + С_м*Х_P = 4190(1– 0,065) + 2849*0,065 = 4102,83 Дж/(кг*К)

Находим теплоемкость кубового остатка

C_W = 4190(1 – X_W) + С_м*Х_W = 4190(1– 0,035) + 2849*0,035 = 4137,85 Дж/(кг*К)

Теплота парообразования флегмы r_ф при t = 66 °C

r_ф = r_мс*Х_Р + r_вп(1 + Х_Р)

где r_мс – теплота парообразования метилового спирта [2 Т-65 стр.541]

      X_Р – массовая доля дистиллята

      r_вп – теплота парообразования водяного пара [2 Т-65 стр. 541]

r_ф = 1119,8*0,78 + 2347*(1 – 0,78) = 1389,78 кДж/кг

Энтальпия пара, выходящего из колонны определяется по следующей формуле:

I = r_ф + C_p*t_ф = 1389,78*10³ + 3013,76*66 = 1588688,16 Дж/кг

где r_ф – теплота парообразования флегмы

     t_ф – температура при парообразования флегмы

     С_р – теплоемкость дистиллята

Потери теплоты принимаем равным 15% от ее расхода в кубе.

Расход теплоты в кубе колонны с учетом тепловых потерь по формуле:         [1. Ф-9.55 стр. 261]

Q = W(C_w*t_w – C_F*t_F)+P*R*r_ф + P(I – C_F*t_F) + Q_потерь

где W - производительность по кубовому остатку

 C_w – теплоемкость кубового остатка

 t_w – температура кубового остатка

 С_F – теплоемкость исходной смеси

 t_F – температура исходной смеси

 P – производительность по дистилляту

 R – рабочее значение флегмового числа

 r_ф – теплота парообразования флегмы

 I – энтальпия пара

 

Q = 0,0222(4137,85 * 99 – 4102,83 *84) + 0,0009*1,33*1389,78*10³ +0,0009(1588688,16 – 4102,83*84) + 355509,4 = 359735,8+0,15Q = 413696,17 Вт 
 
 

Расход  греющего пара в кубе колонны:

где r – удельная теплота парообразования

     х – степень сухости пара

      Q – расход теплоты в кубе колонны с учетом тепловых потерь

      Принимая повышение температуры воды в холодильниках на 20 °С определяем расход воды в дефлегматоре: [1 Ф-9.58 стр 261]

где P – производительность по дистилляту

     R – рабочее значение флегмового числа

      r_Ф – теплота парообразования флегмы

     С_в – теплоемкость воды

      ∆t – повышение температуры воды в холодильниках

 определяем расход воды в холодильнике дистиллята [1. Ф-9.59 стр. 261] 

 

где P – производительность по дистилляту

      С_р – теплоемкость исходной смеси

      t_p1 и t_p2 – температуры исходной смеси в начале и конце

     С_в – теплоемкость воды

      ∆t – повышение температуры воды в холодильниках

определяем расход воды в холодильнике кубового остатка [1. Ф-9.60 стр. 261]

где W – производительность по кубовому остатку

      С_w – теплоемкость по кубовому остатку

      t_p1 и t_p2 – температуры по кубовому остатку в начале и конце

       С_в – теплоемкость воды

      ∆t – повышение температуры воды в холодильниках 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3.3 Технологический расчет 

Объем пара и жидкости, проходящих через колонну.

Мольные массы жидкостей и паров, средние мольные и массовые концентрации жидкостей и паров в колонне.

Средний мольный состав жидкости:

в верхней части колонны [1. Ф-9.39 стр.259]

 

где Х_р – мольный состав жидкости в дистилляте

      X_w – мольный состав жидкости в кубовом остатке

в нижней части колонны [1. Ф-9.40 стр. 259]

где Х_F – мольный состав жидкости в исходной смеси

      X_w – мольный состав жидкости в кубовом остатке

Средний массовый состав жидкости:

в верхней части колонны [1. Ф-9.34 стр.258]

Где Х_P’ – 0,78 содержание легколетучего компонента в дистилляте

       Х_F’ – 0,065 содержание легколетучего компонента в исходной смеси

в нижней части колонны [1. Ф-9.35 стр 258]

где Х_F’ – 0,065 содержание легколетучего компонента в исходной смеси

       Х_W’ – 0,035 содержание легколетучего компонента в кубовом остатке

Средняя мольная масса жидкости:

в верхней части колонны [1. Ф-9.3 стр. 249] 
 
 

М_в = 32*Х_ср.в + 18(1 – Х_ср.в) = 0,342 * 32 + 18(1–0,342) = 22,788 кг/кмоль