Реферат: Расчет разделения смеси диоксан-толуол в насадочной ректификационной колонне

Необходимо рассчитать насадочную ректификационную колонну для разделения бинарной смеси диоксан – толуол. G_D =1000 кг/ч, x_F =45% (мол.), x_D =90% (мол.), x_W =2% (мол.). Давление в колонне составляет 600 мм рт. ст., смесь поступает при температуре кипения. Равновесные даны о паре и t-x,y диаграмма представлены ниже.

Таблица 3.1. Данные о

равновесном составе пара

x%, мол.	y* %, мол.	t	р	Рис. 3.1. Диаграмма равновесия между паром и жидкостью при постоянном давлении в координатах t-x,y
8,7	12,9	100,72	600
15,2	20	99,58
23,2	31,8	98,38
31	40,6	97,38
41,8	51	96,16
44,9	53,5	96,08
51,4	59,7	95,38
62,2	68,9	94,55
70,5	74,9	94,31
80,6	83,1	93,93
90,8	92	93,65

Расчет ректификационной колонны сводится к определению ее основных геометрических размеров — диаметра и высоты. Оба параметра в значительной мере определяются гидродинамическим режимом работы колонны, который, в свою очередь, зависит, от скоростей и физических свойств фаз, а также от типа и размеров насадок.

При проведении процессов вакуумной ректификации с целью снижения гид­равлического сопротивления выбирают специальные виды насадок, обладающих боль­шим свободным объемом. Наиболее правильно выбор оптимального типа и размера насадки может быть осуществлен на основе технико-экономического анализа общих затрат на разделение в конкретном технологическом процессе.

Ориентировочный выбор размера насадочных тел можно осуществить исходя из следующих соображений. Чем больше размер элемента насадки, тем больше ее сво­бодный объем (живое сечение) и, следовательно, выше производительность. Однако вследствие меньшей удельной поверхности эффективность крупных насадок несколько ниже. Поэтому насадку большого размера применяют, когда требуются высокая произ­водительность и сравнительно невысокая степень чистоты продуктов разделения.

В ректификационных колоннах для разделения агрессивных жидкостей, а также в тех случаях, когда не требуется частая чистка аппарата, обычно применяют керамические кольца Рашига. Но вследствие малой удельной поверхности таких колец и плохой разделяемости данной жидкости для данного случая примем насадку из керамических колец Палля размером 35х35х4. Удельная поверхность такой насадки а=165 м² /м³ , свободный объём ε=0,76 м³ /м³ , насыпная плотность 540 кг/ м³ , d_э =0,018, число штук в м³ 18500.

Насадочные колонны могут работать в различных гидродинамических режимах: пленочном, подвисания и эмульгирования. В колоннах большой производительности с крупной насадкой осуществление процесса в режиме эмульгирования приводит к резкому уменьшению эффективности разделения, что объясняется существенным воз­растанием обратного перемешивания жидкости и значительной неравномерностью скорости паров по сечению аппарата. Ведение процесса в режиме подвисания затруднено вследствие узкого интервала изменения скоростей пара, в котором этот режим существует. Поэтому выберем плёночный режим работы колонны.

3.2 Материальный баланс и рабочее флегмовое число

Обозначим массовый расход дистиллята через G_D кг/с, кубового остатка G_W кг/с, исходной G_F кг/с.

Из уравнений материального баланса ректификационной колонны непрерывного действия:

G_F = G_D +G_W ; (3.1)

G_F X_F = G_D X_D +G_W X_W , (3.2)

где G_F , G_D ,G_W – массовые расходы питания, дистиллята и кубового остатка; X_F , X_D , X_W – содержание легколетучего компонента в питании, дистилляте и кубовом остатке, массовые доли.

Для расчетов выразим концентрации питания, дистиллята и кубового остатка в массовых долях , X.

X = x∙M_Д /(x∙M_Д + (1 – x)∙M_Т ), (3.3)

где M_Д =88, M_Т =92– мольные массы диоксана и толуола.

X_F = (88∙0,45)/(88∙0,45 + (1 – 0,45)∙92) = 0,439 кг/кг смеси.

X_D = (88∙0,9)/(88∙0,9 + (1 – 0,9)∙92) = 0,896 кг/кг смеси.

X_W = (88∙0,02)/(88∙0,02 + (1 – 0,02)∙92) = 0,019 кг/кг смеси.

Из уравнений материального баланса

G_F = G_W +1000

G_F ∙0,439 = G_W ∙0,019 +1000∙0,896

G_F =2088 кг/ч = 0,580 кг/с; G_W = 1088 кг/ч = 0,302 кг/с; G_D =0,278 кг/с.

Определяем минимальное число флегмы по уравнению:

R_MIN = (X_D -Y^* _F )/(Y^* _F –X_F ); (3.4)

где Y^* _F = 0,54- мольная доля диоксана в паре (из приложения Д).

R_MIN = (0,9 – 0,54)/(0,54 – 0,45) = 4.