Ректификация разделения смеси "вода - бензол"
1.1 Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число
Содержание смеси:
xF = 22,0 % мол = 0,22
xd= 96,0 % мол = 0,96
xW= 2,0 % мол = 0,02
Температура исходной смеси tcм = 21,0°С
Производительность GF = 5550/3600 = 1,54 кг/с
Производительность колонны по дистилляту GD кубовому остатку GW определим из уравнений материального баланса колонны:
(1.1)
Пересчитаем составы фаз из мольных долей в массовые по соотношению взятого из источника [2]:
, (1.2)
Где Мcм - мольная масса смеси, кг/кмоль.
Мсм = МА · х + Мв · (1 - х),
Где МА, МВ - мольные массы компонентов, кг/кмоль.
МА = Мац = 58 кг/кмоль;
МВ = Мбн = 78 кг/кмоль.
Отсюда получаем:
Мсм. F = 58 · 0,22 + 78 · (1 - 0,22) = 73,6 кг/кмоль,
,
Мсм. d = 58 · 0,96 + 78 · (1 - 0,96) = 58,8 кг/кмоль,
,
Мсм. w = 58 ? 0,02 + 78 ? (1-0,02) = 77,6 кг/кмоль,
.
Расчет материального баланса колонны по уравнению (1.1):
,
Gd = GF - Gw = 1,54 - 1,28 = 0,26 кг/с.
Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются рабочим флегмовым числом R; его оптимальное значение Rопт можно найти путём технико-экономического расчета. Используют приближенные вычисления, основанные на определении коэффициента избытка флегмы (орошения) =RRmin. Здесь Rmin - минимальное флегмовое число:
(1.3)
где xF и xd - мольные доли легколетучего компонента соответственно в исходной смеси и дистилляте, кмоль/кмоль смеси;
yF* - концентрация легколетучего компонента в паре, находящемся в равновесии с исходной смесью, кмоль/кмоль смеси.
Один из возможных приближенных методов расчета R заключается в нахождении такого флегмового числа, которому соответствует минимальное произведение n? (R+1), пропорциональное объему ректификационной колонны (n - число ступеней изменения концентраций или теоретических тарелок, определяющее высоту колонны, а (R+1) - расход паров и, следовательно, сечение колонны).
Определим R. yF* = 0,47 - определяем по (приложение 1). Тогда минимальное флегмовое число равно
.
Задавшись различными значениями коэффициентов избытка флегмы , определим соответствующие флегмовым числа.
Графическим построением ступеней изменения концентраций между равновесной и рабочими линиями на диаграмме состав пара y состав жидкости х находим n.
Результаты расчетов рабочего флегмового числа представлены на рисунках и приведены ниже в таблице. Для построения равновесной линии нам требуется знать равновесные составы жидкости и пара для смеси вода - бензол. Они взяты из источника [2]:
Таблица 1. Равновесный состав жидкости и пара
x |
y |
t |
|
0 |
0 |
86,1 |
|
0,01 |
0,0352 |
79,2 |
|
0,02 |
0,055 |
78 |
|
0,05 |
0,1496 |
76,35 |
|
0,1 |
0,2531 |
73,6 |
|
0,2 |
0,463 |
69 |
|
0,22 |
0,47 |
69,2 |
|
0,3 |
0,5147 |
66,75 |
|
0,4 |
0,603 |
64,5 |
|
0,5 |
0,6785 |
62,65 |
|
0,6 |
0,7464 |
61 |
|
0,7 |
0,81 |
59,6 |
|
0,8 |
0,8737 |
58,35 |
|
0,9 |
0,9371 |
57,25 |
|
0,95 |
0,975 |
56,53 |
|
0,96 |
0,975 |
56,3 |
|
0,99 |
0,9937 |
56,27 |
|
1 |
1 |
56,18 |
Таблица 2 - Расчет действительного флегмового числа.
в |
1,2 |
1,35 |
1,72 |
2, 205 |
|
R |
2,352 |
2,64 |
3,37 |
4,32 |
|
xd/ (R+1) |
0,286 |
0,263 |
0,219 |
0,180 |
|
N |
34 |
27 |
25 |
21 |
|
N (R+1) |
113,96 |
98,44 |
109,28 |
111,75 |
Cтроим графики для определения рабочего флегмового числа (приложение 1). Из рисунка видно, что Rопт = 2,65
Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости для верхней и нижней частей колонны определяют из соотношений;
Lв = Gd · R · Мверх / Мd, (1.4)
Lн = Gd ·R·Mниз / Мd + GF · Mниз / МF. (1.5)
Где Мd и MF - мольные массы дистиллята и исходной смеси;
МВ и МН - средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны. Мольную массу дистиллята в данном случае можно принять равной мольной массе легколетучего компонента.
Средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равны:
Мвер. х = Мв. хср. в + Мук · (1 - хср. в), (1.6)
Мниз. x = Мв. хср. н + Мук · (1 - хср. н),
Где Мац и Мбен - мольные массы ацетона и бензола соответственно;
хср. в и хср. н - средний мольный состав жидкости в верхней и нижней частях колонны:
кмоль/кмоль см,
кмоль/кмоль см.
Тогда:
кг/кмоль,
кг/кмоль.
Мольная масса исходной смеси:
МF = Мац · хF + Мбен · (1 - хF),
кг/кмоль.
Подставим рассчитанные величины в выражения (1.4) и (1.5) для средних массовых расходов, получим:
кг/с,
кг/с.
Средние массовые потоки пара в верхней GВерх и нижней Gниз частях колонны:
, (1.7)
Где М в и М н - средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны.
М в = Мац • yср в + Мбен • (1 - yср в), (1.8)
М н = Мац • yср н + Мбен • (1 - yср н),
Где уср в и уср н - средний мольный состав пара в верхней и нижней частях колонны.
Определяются как:
кмоль / кмоль смеси,
кмоль / кмоль смеси.
Тогда
М вер = 58 • 0,715 + 78 • (1 - 0,715) = 63,7 кг/кмоль,
М низ = 58 • 0,245 + 78 • (1 - 0,245) = 73,1 кг/кмоль.
Подставив численные значения, получим:
кг/c,
кг/c.