Литература Установка производства этанола

Расчет ректификационной установки с решетчатыми тарелками.

Задание. Рассчитать и спроектировать ректификационную установку непрерывного действия для разделения под атмосферным давлением бинарной смеси этанол-вода в схеме производства этанола сернокислотной гидратацией этилена.

Производительность установки по исходной смеси G_f=13т/ч. Содержание легколетучего компонента в исходной смеси af=33,0% масс., в дистилляте a_p=89% масс. В кубовом остатке a_w=1% масс., t _см=25,0 ,t_холw=46,0ºC, t_холp=34,0ºС.
Давление греющего пара P_r=0,3 МПа, среднее давление в колонне-атмосферное. Разделяемая смесь поступает в ректификационную колону при температуре кипения. Тип контактного устройства-тарелка решетчатая.

1. 
   Расчет ректификационной колонны.
   

Материальный расчет процесса. Определение минимального и рабочего флегмового числа.
Количество дистиллята и кубового остатка определим путем совместного решения уравнения материального баланса. Выразим G_p из первого уравнения системы
G_p'=G_f G_w
И подставим во второе:G_f a_f=(G_f-G_p)*ap+Gw*aw,
Определим количество кубового остатка,
G_f·a_p=G_f·a_p-G_w·a_p+G_w·a_w, или
G_f·a_p=G_f·a_p-G_w(a_p-a_w), откуда
=8,23 т/ч = 2,3 кг/с, тогда
G_p=13-8,27=4,37т/ч=1,31кг/с.


Определение минимального и рабочего флегмового числа.
Флегмовое число определяется отношением количества флегмы, возвращаемой в колонну, к количеству отбираемого дистиллята. Оно является важнейшей характеристикой процесса ректификации, отказывающей влияние на движущую силу процесса, число тарелок и высоту колонны, на расход греющего пара для проведения процесса ректификации и на расход охлаждающей воды в дефлегматоре.
Минимальное флегмовое число определяем двумя способами: графическим и графоаналитическим. Для реализации этих способов построим диаграмму
y-x по экспериментальным данным (таблица-1).
Для выполнения необходимых построений на y-x-диаграмме пересчитаем массовые концентрации в мольные по формуле.
Таблица-1

X,моль %	Y,моль %	T,ºC	P,мм.рт.ст.
0	0	100	760
5	33,2	90,5
10	44,2	86,5
20	53,1	83,2
30	57,6	81,7
40	61,4	80,8
50	65,4	80
60	69,9	79,4
70	75,3	79
80	81,8	78,6
90	89,8	78,4
100	100	78,4

Индексы a и b относятся к низкокипящему и высококипящему компонентам смеси, соответственно.

M_a=46 г/моль (этанол),
M_b=18 г/моль (вода).
Тогда
X_f= ,
X_{D= ,}
X_w= .

Для графического определения минимального флегмового числа R_min на диаграмме y-x (рис.1)находим точки С(x_p-y_p) и В(x_f-y*_f). Проведем через эти точки прямую до пересечения с осью ординат, отсекающей на ней отрезок B_max. Из уравнения линии рабочих концентраций для верхней части колонны ( для минимального флегмового числа).

B_max= ,
R_min=
B_max=1,5
Отсюда следует,что
R_min=
Проверим значение R_min по формуле
R= =0,621
Как видно, результаты расчёта по обеим методикам хорошо согласуются. Принимаем минимальное флегмовое число R_min=0,621.
Задаваясь различными значениями коэффициентов избытка флегмы (рис.2-7),определим соответствующие флегмовые числа. Графическим построением ступеней изменения концентраций между равновесной и рабочими линиями на диаграмме Х-У находим число теоретических тарелок N.
Результаты расчетов рабочего флегмового числа представлены в таблице 2.
Таблица 2

	1,2	1,35	1,75	2,35	3,3	6,25
R	0,74	0,84	1,09	1,46	2,05	3,88
В=	0,44	0,41	0,36	0,31	0,25	0,2
N	25	21	11	9	8	7
N(R+1)	43,5	36,64	22,99	22,14	24,4	34,16

Строим график в координатах N(R+1)- R и из точки минимума находим оптимальное рабочее флегмовое число R_опт = 1,2.

Построение рабочих линий укрепляющей и исчерпывающей частей колонны
Рассчитаем отрезок B,отсекаемый рабочей линией укрепляющей части колонны на оси ординат при рабочем флегмовом числе
B= .
Откладываем на оси ординат отрезок B (рис.8) и проводим линию,которая пересекается с вертикальной прямой X_f в точке В.
Линия СВ-рабочая линия укрепляющей части колонны. Соединяем точки В и Xw. Линия BXw-рабочая линия исчерпывающей части колонны.

1.2.Определение числа теоретических и действительных тарелок методом теоретических ступеней изменения концентраций.

Для определения числа теоретических тарелок(ступеней изменения концентраций)между линиями рабочих концентраций(рабочими линиями) СВ и BXw и равновесной линией y*=f(x) строим ступенчатую линию, состоящую из горизонтальных и вертикальных отрезков в пределах изменения x от x_p до x_w .
Количество ступеней, соответствующих теоретическому числу тарелок n_m=11 шт.
Для определения действительного числа тарелок необходимо определить коэффициент полезного действия тарелок η.
КПД учитывает реальную кинетику массообмена на тарелках, на которых обычно равновесие не достигается.
Величина η зависит от ряда факторов, в том числе от скорости фаз, их перемещения , взаимного направления движения, физических свойств фаз и т.п. Значение КПД находится опытным путем и изменяется в широких пределах (η =0,3-0,8).
КПД можно определить по графику, либо по уравнению η =0,49(µ_ж·α)^-0.245.


Определение значений параметров по колонне, физико-химических и термодинамических констант фаз.
Среднее значения параметров по колонне по жидкой фазе:
-средняя мольная концентрация в нижней части колонны
X^н_ср=
-средняя мольная концентрация в верхней части колонны
X ^в_ср = =0,46;
-средняя мольная концентрация по колонне
X_ср=
-средние мольные массы
M_xв=M_a·x_в+M_b(1-x_в)=46·0,46+18·(1-0,46)=30,88 кг/кмоль.
M_xн=M_a·x_н+M_b(1-x_н)=46·0,082+18·(1-0,082)=20,3 кг/кмоль.
-средняя температура в нижней части колонны
t_xср^н= ;
-средняя температура в верхней части колонны
t_xср^в= ;
-средняя температура по колонне
t_xср=
-средняя плотность
При 80,32 : р_э = 719,6 кг/м³; р_в = 971,6 кг/м³.
При 87,94 : р_э = 709,9 кг/м³; р_в = 966,7 кг/м³
_xв= м^3,
_xн= м^3,
-Средняя вязкость
При 80,32 : µ_э = 0,569 мПа•с[23, табл. XXXIX]; µ_в =0,356 мПа•с [26, прил. 2].
При 87,94 : µ_э = 0,55 мПа•с; µ_в = 0,328 мПа•с
lg в = _·lg +(1-x_в)·lg = 0,46 • lg0,569 + (l - 0.46) • lg0.356= -0,355;
мПа•с,
lg в = _·lg +(1-x_н)·lg = 0,082 • lg0,55 + (l - 0.082) • lg0.328= -0,466;
мПа•с,
- среднее поверхностное натяжение
При 80,32 : =19,97· Н/м, =62,54· Н/м
При 87,94 : =19,2· Н/м, =61,13· Н/м
σ_в = Н/м
σ_н = Н/м
- коэффициент диффузии при средней температуре
Д_x(t)=Д_x(20)·(1+b·(t-20)),
где Д_х(20) - коэффициент диффузии при 20 °С; в - температурный коэффициент; t - средняя температура жидкой фа­зы по колонне.
Температурный коэффициент в может быть определён по эмпирической формуле :
в = ,
где µ и ρ вязкость и плотность растворителя (воды) при 20 °С: µ = 1,19 мПа·с; р = 790 кг/м³.
Коэффициент диффузии при 20 °С вычислим по прибли­жённой формуле:
Д_xв(20)= ₂· ₂· =1,6·10^-8м²/с,
Где µ = 1,19 мПа· с - динамическая вязкость воды (растворителя) при 20°С; А = 1, В = 4,7 - коэффициент, зависящие от свойств растворённого вещества и растворителя ; М_в = 18 кг/моль, М_э = 46 кг/моль - мольные массы воды и этилового спирта; v_A, v_B - мольные объёмы воды и этилового спирта:
v_b=3,7·2 + 7,4 = 14,8 см³/моль,
v_a = 14,8·2 + 3,7·5 +7,4+3,7=59,2см³/моль.
Д_x(80,32) =1,6·10^-8·(1+0,0236·(80,32-20))=3,88·10^-8м/с
Д_x(87,94) =1,6·10^-8·(1+0,0236·(87,94-20))=4,17·10^-8м/с
-Молярная масса дистиллята

-Массовый расход жидкой фазы,кг/с
=34,52·1,31·1,2/39,28=1.236
=24,076·1,31·1,2/39,28=0.812
-Объемный жидкой фазы, /с
·10^-3

Средние значения параметров по колонне по паровой фазе:
- средняя мольная концентрация в нижней части колонны
y_ср^н=
- средняя мольная концентрация в верхней части колонны: