Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол

9) y16=0.079

Итак, с 16-ой ступени стекает жидкость, содержание бензола в которой близко к содержанию его в кубовом остатке (ХW=0.03). Следовательно, при подаче исходной смеси на 7-ую ступень для осуществления процесса необходим аппарат, эквивалентный 16 теоретическим ступеням.

На практике данный алгоритм часто выполняют графически, строя ступенчатую линию между кривой равновесия и рабочей линией (см. приложение 1).

3.3. Средние массовые расходы пара и жидкости в верхней и нижней частях колонны

Рассчитаем средний мольный состав жидкости в верхней и нижней частях колонны, используя формулы (2.34, 2.35):

а) в верхней части колонны:

б) в нижней части колонны:

Рассчитаем средний мольный состав пара в верхней и нижней частях колонны.

1 способ с использованием формул (2.36, 2.37):

а) в верхней части колонны при yD=xD=0.97; y*F=0.66:

б) в нижней части колонны при yW=xW=0.03; y*F=0.66:

2 способ с использованием уравнений рабочих линий (2.22, 2.23):

а) в верхней части колонны:

б) в нижней части колонны:

Определим средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны по формулам (2.38, 2.39):

а) в верхней части колонны:

б) в нижней части колонны:

Определим средние мольные массы пара в верхней и нижней частях колонны по формулам (2.40, 2.41):

а) в верхней части колонны при Yср.В.=0.790 кмоль/кмоль смеси:

б) в нижней части колонны при Yср.Н.=0.336 кмоль/кмоль смеси:

Определим мольные массы исходной смеси и дистиллята по формулам (2.48, 2.49):

Рассчитаем средние массовые расходы по жидкости для верхней и нижней частей колонны по формулам (2.50, 2.51):

а) в верхней части колонны:

б) в нижней части колонны:

Рассчитаем средние массовые расходы пара для верхней и нижней частей колонны по формулам (2.52, 2.53):

а) в верхней части колонны:

б) в нижней части колонны:

3.4. Скорость пара и диаметр колонны

Средние температуры пара определим по диаграмме t–x,y (см. рис. 3.20):

1 способ:

при yср.В=0.790→tср.В.=890С

при yср.Н=0.336→tср.Н.=1030С

Определим среднюю температуру в колонне при tср.В.=890С, tср.Н.=1030С:

2 способ:

при xD=0.97→tD=830С

при xW=0.03→tW=1090С

при xF=0.44→tF=900С

Далее рассчитаем средние температуры в верхней и нижней частях колонны:

Определим среднюю температуру в колонне при tD=830С; tW=1090С; tF=900С

Средние плотности пара находим по формулам (2.42, 2.43):

а) в верхней части колонны при tср.В.=890С:

б) в нижней части колонны при tср.Н.=1030С:

Среднюю плотность пара в колонне определим по уравнению (2.44):

Рассчитаем среднюю плотность жидкости (смеси) в колонне:

1 способ

Сначала определим плотность жидкого бензола при tD=830С и жидкого толуола при tW=1090С интерполяцией с использованием справочной информации по плотности веществ [11]:

Плотность жидкого бензола при tD=830С:

При t=800С→ρБ=815 кг/м3; при t=1000С→ρБ=793 кг/м3

Плотность жидкого толуола при tW=1090С:

При t=1000С→ρT=788 кг/м3; при t=1200С→ρT=766 кг/м3

Затем рассчитаем среднюю плотность жидкости (смеси) в колонне по формуле (2.45):

2 способ

Сначала определим плотность жидкого бензола и толуола при tср в=890С и при tср н=1030С интерполяцией с использованием справочной информации по плотности веществ [11]:

Плотность жидкого бензола при tср в=890С:

При t=800С→ρБ=815 кг/м3; при t=1000С→ρБ=793 кг/м3

Плотность жидкого толуола при tср в=890С:

При t=800С→ρТ=808 кг/м3; при t=1000С→ρТ=788 кг/м3

Плотность жидкого бензола при tср н=1030С:

При t=1000С→ρб=793 кг/м3; при t=1200С→ρб=769 кг/м3

Плотность жидкого толуола при tср н=1030С:

При t=1000С→ρT=788 кг/м3; при t=1200С→ρT=766 кг/м3

Затем рассчитаем среднюю плотность жидкости в верхней и нижней частях колонны по формуле (2.46, 2.47):

а) в верхней части колонны при tср.В.=890С:

б) в нижней части колонны при tср н=1030С:

Затем рассчитаем среднюю плотность жидкости в колонне:

Определим скорость пара в верхней и нижней частях колонны по формулам (2.54, 2.55), принимая расстояние между тарелками h=300 мм. Для ситчатых тарелок находим по графику С–h коэффициент С=0.032 (см. рис. 2.19):

а) в верхней части колонны:

б) в нижней части колонны:

Диаметр колонны определим по уравнениям (2.56, 2.57):

а) в верхней части колонны (GВ=3.53 кг/с; ωB=0.55 м/с; ρy,B=2.73 кг/м3):

б) в нижней части колонны (GН=3.80 кг/с; ωН=0.54 м/с; ρy,Н=2.83 кг/м3):

Рассчитаем скорость пара в колонне при стандартном диаметре D=1800 мм по формулам (2.58, 2.59):

а) в верхней части колонны:

б) в нижней части колонны:

Рассчитаем среднюю скорость пара по формуле (2.60):

3.5. Высота колонны

По диаграмме t–x,y (см. рис. 3.20) определим составы фаз при средних температурах верхней и нижней частей колонны:

при tср.В.=890С→xВ=0.480; yВ=0.790

при tср.Н.=1030С→xН=0.140; yН=0.336

Определим вязкости бензола и толуола при средних температурах верхней и нижней частей колонны интерполяцией с использованием справочной информации по вязкости веществ [8]:

Вязкость бензола при tср.В.=890С:

µ80Б=0.316 мПа·с; µ100Б=0.261 мПа·с

Вязкость бензола при tср.Н.=1030С:

µ100Б=0.261 мПа·с; µ120Б=0.219 мПа·с

Вязкость толуола при tср.В.=890С:

µ80Т=0.319 мПа·с; µ100Т=0.271 мПа·с

Вязкость толуола при tср.Н.=1030С:

µ100Т=0.271 мПа·с; µ120Т=0.231 мПа·с

Рассчитаем среднемолярные вязкости жидкости (смеси) в колонне по формулам (2.27, 2.28):

а) в верхней части колонны при tср.В.=890С:

б) в нижней части колонны при tср.Н.=1030С:

Рассчитаем вязкости пара в колонне по формулам (2.29, 2.30):

а) в верхней части колонны при tср.В.=890С:

а) в нижней части колонны при tср.Н.=1030С:

Находим коэффициент относительной летучести по составам фаз при средних температурах для верхней и нижней частей колонны по формулам (2.25, 2.26):

а) для верхней части:

б) для нижней части:

Определим:

Далее по графику (см. рис. 2.18) определим значения средней эффективности тарелок:

Рассчитаем число действительных тарелок для верхней и нижней частей колонны:

а) для верхней части (2.31):

б) для нижней части (2.32):

Тогда общее число действительных тарелок:

Далее значения ZВ и ZН выбираем в соответствии с рекомендациями:

Рассчитаем высоту колонны по формуле (2.33):

3.6. Расчет гидравлического сопротивления тарелок колонны

Технические характеристики ситчатой тарелки типа ТС–Р при диаметре колонны, равном 1800 мм, представлены в табл. 3.3.

Таблица 3.3 Технические характеристики тарелки типа ТС–Р

Рассчитаем гидравлическое сопротивление тарелок для верхней части колонны: 1. Найдем скорость пара в отверстиях тарелки:

2. Определим гидравлическое сопротивление сухой тарелки по формуле (2.62) при =5.47 м/с:

3. Рассчитаем поверхностное натяжение жидкости (бензол и толуол) при средней температуре в верхней части колонны tср.в.=890С интерполяцией с использованием справочной информации по поверхностному натяжению веществ [8]:

Поверхностное натяжение бензола:

При t=800С→σБ=21.3·10-3 Н/м, при t=1000С→σБ=18.8·10-3 Н/м

Поверхностное натяжение толуола:

При t=800С→σТ=21.5·10-3 Н/м, при t=1000С→σТ=19.4·10-3 Н/м

Тогда:

4. Определим сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения по формуле (2.64):

5. Определим объемный расход жидкости в верхней части колонны по формуле (2.65):

6. Периметр сливной перегородки (слива) LC и ширину переливного порога b находим, решая систему уравнений:

Решение дает: LC=1.32 м; b=0.289 м

7. Находим высоту слоя над сливной перегородкой по формуле (2.67):

8. Рассчитаем высоту парожидкостного слоя на тарелке по формуле (2.69):

9. Определим сопротивление парожидкостного слоя по формуле (2.71):

Итак, гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части колонны составит по (2.61):

Рассчитаем гидравлическое сопротивление тарелок для нижней части колонны:

1. Определим гидравлическое сопротивление сухой тарелки по формуле (2.63) при =5.47 м/с:

2. Рассчитаем поверхностное натяжение жидкости (бензол и толуол) при средней температуре в нижней части колонны tср.н.=1030С интерполяцией с использованием справочной информации по поверхностному натяжению веществ [8]:

Поверхностное натяжение бензола:

При t=1000С→σБ=18.8·10-3 Н/м; при t=1200С→σБ=16.4·10-3 Н/м

Поверхностное натяжение толуола:

При t=1000С→σТ=19.4·10-3 Н/м; при t=1200С→σТ=17.3·10-3 Н/м

Тогда:

3. Определим сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения по формуле (2.64):

Определим объемный расход жидкости в нижней части колонны по формуле (2.66):

5. Находим высоту слоя над сливной перегородкой по формуле (2.68):

6. Рассчитаем высоту парожидкостного слоя на тарелке по формуле (2.70):