Ректификационная установка непрерывного действия для разделения смеси гексан-толуол
2.1 Материальный баланс колонны
Производительность колонны по исходной смеси и кубовому остатку определим из уравнений материального баланса колонны:
;
.
Из уравнений материального баланса:
GW=0,4 кг/с; GD=0,15 кг/с.
GF=0,55 кг/с
Найдем минимальное флегмовое число RMIN по формуле:
.
Для расчетов выразим концентрации исходной смеси , дистиллята и кубового остатка в мольных долях по формуле:
.
XF= (86*0,3) / (86*0,3+0,7*92) =0,286
XD= (86*0,95) / (86*0,95+0,05*92) =0,947
XW = (86*0,05) / (86*0,05+0,95*92) =0,046
Относительный мольный расход питания
F= (xD-xW) / (xF-xW)
F= (0,947-0,046) / (0,286-0,046) =3,75
y*F - находим по диаграмме x-y (рис.2 в приложении Б)
y*F =60 кмоль/кмоль смеси.
Рабочее число флегмы определим по уравнению:
R=1,3RMIN+0,3=1,78
Уравнения рабочих линий:
а) верхней (укрепляющей) части колонны
у= (R/R+1) x+xD/ (R+1) = (1,78/2,78) х+0,947/2,78у=0,64х+0,34
б) нижней (исчерпывающей) части колонны
у= ( (R+F) / (R+1)) x- ( (F-1) / (R+1)) xw
y= ( (1,78+3,75) / (1,78+1)) x- ( (3,75-1) /1,78+1)) 0,046
y=1,99x-0,045
Средние концентрации жидкости (в верхней и нижней части колонны):
; .
= (0,947+0,286) /2=0,616 кмоль/кмоль смеси;
= (0,286+0,046) /2=0,166 кмоль/кмоль смеси.
Средние концентрации пара находим по уравнениям рабочих линий:
а) в верхней части колонны
уср=0,64+ 0,34=0,734
б) в нижней части колонны
уср=1,99*-0,045=0,285
Средние температуры пара определяем по диаграмме t-x,y (рис.3 в приложении Б):
а) при уср=0,734 tср=83°С или 356К
б) при уср=0,285 tср=101,8°С или 374,8К
Средние мольные массы и плотности пара:
а) Мср=0,734*86+0,266*92=87,6 кг/кмоль
сср= МсрТ0/22,4 tср
сср= (87,6*273) / (22,4*356) =2,99 кг/м3
б) Мср=0,285*86+0,715*92=90,3 кг/кмоль
сср= МсрТ0/22,4 tср= (90,3*273) / (22,4*374,8) =2,93 кг/м3
Средняя плотность пара в колонне:
сср= (сср+ сср) /2= (2,99+2,93) /2=2,96 кг/м3
Плотности жидких гексана и толуола близки. Температура в верху колонны при xD=0,947 равняется 69°С, а в кубе-испарителе при хW=0,046 она равна 106°С.
Плотность жидкого гексана при 69°С сг=978,05кг/м3, а жидкого толуола при 106°С ст=781,4кг/м3.
Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне
сж= (978,05+781,4) /2?880кг/м3
По данным каталога-справочника "Колонные аппараты" [6] принимаем расстояние между тарелками h=300 мм. Для ситчатых тарелок по графику (рис.4 в приложении Б) находим С=0,032. Определяем скорость пара в колонне по уравнению:
w=Cv (сж-сп) =0,032v (880/2,96) =0,55 м/с
Средняя температура в колонне:
Tср= (tср+tср) /2= (83+101,8) /2=92,4°С
Мольная масса дистиллята:
MD=xD*Mr (г) + (1-хD) *Mr (т) =86,3 кг/кмоль
Объемный расход проходящего через колонну пара:
V= (GD (R+1) *22,4*Tсрр0) / (MD*T0*3600p)
V= (540* (1,78+1) *22,4*365,4*1,033) / (86,3*273*3600*1) =0,3м3/с
Диаметр колонны:
D=v (V/0,785w) =v (0,15/ (0,785*0,55)) =0,62 м
По каталогу-справочнику "Колонные аппараты" [6] берем D=800 мм. Тогда скорость пара в колонне будет:
w=V/0,785*0,82=0,3/ (0,785*0,64) =0,6 м/с