Проектирование Ректификационной тарельчатой колонны непрерывного Действия для разделения бинарной смеси пропан-бутан

                                            

                                      (39)

   

    

               

2.3 Построение диаграммы равновесия жидкость - пар в координатах х-у

   

Найдем значения давлений пара чистых компонентов пропана и бутана при температуре зоны питания :

                                   

                                (40)

                            

                                 (41)

 Определяем коэффициент относительной летучести:

                                                  

                                                              (42)                                               

Уравнение линии равновесия будет иметь вид:

                                   

                                          (43)

Задаваясь значением х  от 0 до 1,0 найдем равновесное значение у*:

X=0 : 

X=0,1 : 

X=0,2 : 

X=0,3 :

X=0,4 :

X=0,5 : 

X=0,6 :

X=0,7 :

X=0,8 : 

X=0,9 : 

X=1,0 : 

Полученные данные сводим в таблицу

Равновесные составные жидкости и пара смеси пропан-бутана

                                                                                                     Таблица 3

	0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
	0	0,248	0,427	0,561	0,665	0,749	0,817	0,874	0,923	0,964	1,0

 

По данным таблицы 3 строим диаграмму фазового равновесия в координатах х - у.

Рис.1 Диаграмма фазового равновесия в координатах х-у

 

 

2.4 Определение оптимального флегмового числа

 

Для бинарных смесей минимальное  флегмовое число определяется зависимостью:

                                         

                                      (44)

где -мольная концентрация низкокипящего компонента в паре, равновесном с жидкостью;

-мольная концентрация НКК в дистилляте, если в дефлегматоре конденсируется вест пар ;

-мольная концентрация НКК в сырье.

Находим значение :

                           

                (45)

Оптимальное  флегмовое число находим по уравнению:

                                              

                                  (46)

 

2.5 Построение рабочей линии процесса и определение числа теоретических тарелок

 

Уравнение рабочей линии верхней части колонны имеет вид:

                

         (47)

Уравнение рабочей линии нижней части колонны имеет вид:

                                  

                                       (48)

Относительный мольный расход сырья:

                                            

                                              (49)

где -мольная концентрация НКК в кубе.

Рабочая линия верхней части колонны всегда проходит через точку А, лежащую на диагонали диаграммы фазового равновесия в координатах у-х. Абсцисса т.А равна х_Д. Отрезок ОВ, отсекаемый рабочей линией верхней части колонны на оси ординат составляет величину:

                                    

                              (50)

Рабочая линия нижней части колонны СД всегда проходит через точку С, лежащую на диагонали диаграммы фазового равновесия. Абcцисса т.С равна х _W .

Рис.2  Определение числа теоретических тарелок в колонне

При ректификации бинарных смесей для расчета числа теоретических тарелок широко используется графический метод Мак-Кэба и Тиле.

 

Между линией равновесия и рабочими линиями колонны вписываем теоретические ступени изменения концентрации. Число вписанных ступеней изменения концентраций равно теоретическому числу тарелок в колонне п_.в

Ступень, огибающая точку Д может быть отнесена как к числу тарелок в верхней части колонны так и к числу тарелок в нижней части колонны. Число теоретических тарелок в верхней части колонны:

п_т.в=9

Число теоретических тарелок в нижней части колонны:

п_т.н=11-1=10-одну ступень относим к кипятильнику -он выполняет роль одной теоретической тарелки.

Общее число теоретических тарелок:

                                  п_т=п_т.в+ п_т.н =9+10=19шт.                               (51)

 

2.6 Определение расхода пара и флегмы в колонне

 

Жидкий поток, вносимый в колонну сырьем, составляет:

Массовой расход пара в верхней части колонны:

                         

                (52)

Паровой поток , поступающий в зону питания из нижней части колонны:

                                                                                 (53)

В зону питания из верхней части колонны поступает поток флегмы , расход которого определяем из уравнения:

                                                             (54)

В результате смешения в зоне питания потока флегмы и жидкого потока сырья в нижнюю часть колонны стекает поток флегмы :

                     

                    (55)

Массовая концентрация НКК смеси ( ) во флегме ,  поступающего на последнюю тарелку нижней части колонны:

                                                                                    (56)

Ориентировочно можно принять, что

                                        

                                              (57)

                

Проверка:

        т.к.

,

что соответствует условию

поэтому  принимаем долю отгона е=0.       

где -массовая концентрация НКК в исходной смеси;

-массовая концентрация НКК во внутренних потоках колонны;

Массовая концентрация НКК в паровом потоке,  покидающим зону питания:

                                      

                       (59)

Массовая концентрация низкокипящего компонента в паровом потоке,  поступающего с последней тарелки части колонны в зону питания:

                                

                            (60)

Проверка:                                                                                                             

 

2.7 Тепловой баланс колонны

 

Тепловой поток, передаваемый в дефлегматоре хладагенту при конденсации флегмы и дистиллята, находим по формуле:

                                      

                                (61)

где -расход дистиллята, кг;

-удельная теплота испарения, Дж/кг.

 

Среднее значения удельной теплоты испарения находим по правилу аддитивности:

                                  

                    (62)

Энтальпию сырья i_F , дистиллята i_D и кубовой жидкости  i_W   определяем по правилу аддитивности при соответствующих температурах:

                                  

                   (63)

                                 

                     (64)

                                

                    (65)

где С-теплоемкость, Дж/кг, при соответствующих температурах.

Примем тепловые потери в размере 5% от полезного используемого тепла.

Тогда тепловой поток в кипятильнике составит:

                      

                           (66)

В качестве теплоносителя в кипятильнике колонны принимаем насыщенный водяной пар с параметрами:

-давление;

-температура;

-теплота конденсации:

Расход водяного пара в кипятильнике найдем из уравнения:

                             

                                (67)

Расход промышленной воды, подаваемой в дефлегматор:

                                                                                             (68)

Примем температуру воды на входе в дефлегматор t_н =25⁰С, на выходе             t_к =40⁰С, теплоемкость воды с=4,18кДж/кгК:

                                                             

 

 

3 Гидравлический расчет

 

3.1 Определение диаметра колонны

 

Средние мольная и массовая концентрация НКК в флегме верхней части колонны:

                       

                         (70)

                                                            (71)

Средние мольная и массовая концентрация НКК в флегме нижней части колонны:

                           

                   (72)

                             

                 (73)

Средние мольные концентрации НКК в паре находим по уравнениям рабочих линий колонны:

Для верхней части колонны:

                                              

                                      (74)

             

                    

Для нижней части колонны:

                                               

                                     (75)

Средние температуры пара в верхней и нижней части колонны:

                                        

                       (76)

                                        

                           (77)

Средние молярные массы пара в верхней и нижней частях колонны:

   

          (78)

   

              (79)

Среднее давление в верхней Р_в и нижней частях Р_н колонны:

                          

                         (80)

                          

                         (81)

Средние плотности пара в верхней и нижней частях колонны :

             

                 (82)

            

                  (83)

Средние плотности флегмы в верхней и нижней частях колонны :

                 

                   (84)

                 

               (85)

Средние объемные расходы пара в верхней и нижней частях колонны:

                             

                               (86)

                             

                         (87)

Предельно допустимая скорость пара в верхней и нижней части находим по уравнению:

                                   

                                   (88)

где -плотности жидкости и пара;

с_max-коэффициент, зависит от расстоянии между тарелками;

с_max =0,065 (5,с323)  при h_Т=0,6м -коэффициент;

                                   

                                  (89)

Диаметры колонны в верхней и нижней частях рассчитываем по уравнению:       

                                         

                                           (90)