Ректификация смеси сероуглерод-четыреххлористый углерод в насадочной колонне

0,294 > 0,285 > 0,280;

                                                                0,501 = 0,501.

 

 

1.5 Тепловой баланс колонны

 

 

Принимаем температуру холодного испаряющегося орошения t =20 ⁰С. Теплофизические свойства сероуглерода и четыреххлористого углерода представлены в таблице 1 приложении Б.

Тепловой поток, отводимый  водой в дефлегматоре, рассчитывается по уравнению:

,           (25)

при этом средние значения удельной теплоты испарения r_D и удельной теплоемкости с_D находятся по правилу аддитивности:

 кДж/кг;      (26)

 кДж/кг;       (27)

Энтальпия сырья i_F дистиллята i_D, кубовой жидкости i определяются по правилу аддитивности при соответствующей температуре:

 

кДж/кг ;     (28)

 кДж/кг;     (29)

 кДж/кг.    (30)

С учетом тепловых потерь, принятых равными 5% от полезно используемого расхода теплоты, тепловой поток в кипятильнике, исходя из уравнения теплового баланса, составит:

;        (31)

 

В качестве теплоносителя  в кипятильнике колонны принимаем  насыщенный водяной пар с абсолютным давлением 0,196 МПа (2 атм) и степенью сухости =95%. Такой пар имеет температуру 119,6⁰С, энтальпию I =2710 кДж/кг; энтальпия конденсата I =502,4 кДж/кг. Расход водяного пара G_Т в кипятильнике колонны согласно уравнению (35) составит:

     (32)

Принимаем, что вода в  дефлегматоре нагревается от t = 10 ⁰С до t_к = 23 ⁰C. Тогда расход воды в дефлегматоре:

  (33)

Массовый расход холодного  испаряющегося орошения :

,           (34)

где I - энтальпия пара, поступающего в дефлегматор при температуре t_D; i -энтальпия флегмы при температуре t_Х.

Энтальпии определяем по правилу аддитивности:

 кДж/кг;   (35)

 кДж/кг;       (36)

кг/ч.

Массовый расход горячего орошения , стекающего с 1-ой тарелки верхней части колонны(4):

 кг/ч (37) 

Проверка:                             _n

                                                 

 

 

1.6 Диаметр колонны

 

1.6.1 Определение средних массовых расходов паров и флегмы

 

 

Средние мольная  _В и концентрации низкокипящего компонента в флегме в верхней части колонны:

Средние мольная  и концентрации низкокипящего компонента в флегме нижней части колонны:

Средние мольные концентрации низкокипящего компонента в паре находятся по уравнениям рабочих линий колонны:

Средние температуры  пара в концентрационной t_Ву и отгонной t_Ну частях колонны определяются для средних концентраций пара у_В и у_Н по изобарным температурным кривым кипения и конденсации смеси сероуглерод-четыреххлористый углерод (рисунок2):

t_Ву= 54,6 ⁰С; t_Ну = 68,8 ⁰С.

 

Средние молярные массы  пара в верхней М_В и нижней М_Н частях колонны:

Средние плотности пара в верхней и нижней частях колонны:

Средние плотности флегмы в верхней  и нижней частях колонны:

, откуда

, откуда.

Средние массовые потоки пара в верхней g_nв и нижней g_nн частях колонны:

;

,

где M_D – мольная масса дистиллята,

Средние молярные массы жидкости в  верхней М ^/_В и нижней М ^/_Н частях колонны и мольная масса исходной смеси М_F:

Средние массовые расходы по жидкости для верхней и нижней частей колонны:

 

 

1.6.2 Расчет диаметра верхней части насадочной колонны

 

 

Выбирается насадка  в виде керамических колец Рашига размерами 10×10×1,5. Свободный  объем  насадки V_c =0,7м³/м³; удельная поверхность насадки f = 440 м²/м³ (таблица 3.1 /1/). Динамическая вязкость  жидкости при среднем содержании χ_ср = 0,683 и соответствующей температуре t_ж= 51,8⁰ С определена по формле:

  (38)

Откуда  мПа·с. Здесь значения µ(CS₂)=0,268 мПа·с и µ(CCL₄)=0,64 мПа·с при t_ж=51,8⁰С найдены по таблице динамических коэффициентов  вязкости жидких веществ и водных растворов в зависимости от температуры  /5/.

Оптимальная скорость пара, соответствующая началу эмульгирования ( точка нагрузки),вычисляется по уравнению, полученному на основе анализа и обобщения результатов мних исследований:

, (39)

откуда расчетное значение оптимальной скорости м/с, тогда

  (40)

В соответствии с нормальным рядом диаметров колонн (ГОСТ 9617-76) принимается D = 1,2 м.

 

 

1.6.3 Расчет диаметра нижней части насадочной  колонны

 

 

Динамическая вязкость  жидкости при среднем содержании χ_ср = 0,23 и соответствующей температуре t_ж= 64,8⁰ С:

       откуда  мПа·с. Здесь µ(CS₂)=0,243 мПа·с и µ(CCl₄)=0,561 мПа·с при t_ж=64,8 ⁰C;

откуда расчетное значение оптимальной скорости  

тогда

В соответствии с нормальным рядом диаметров колонн (ГОСТ 9617-76) принимается D = 1,4 м.

 

 

1.7 Определение высоты колонны.

 

 

Расчет высоты  насадки методом определения числа единиц переноса (ВЕП). Для определения числа единиц переноса составляется таблица значений содержания y легколетучего CS₂ в парах для ряда точек рабочей линии и соответствующих им значений равновесных содержаний y_р. Для каждой точки вычисляется величина . Строится график зависимости: . Полученные данные представлены в таблице 3. Данные t и y_р берутся из таблицы 1; значения у находится из диаграммы равновесия (рисунок 4).

На рисунке  5  показано  графическое интегрирование кривой построенной по данным таблицы 3.

 

Таблица 3  -  Днные к расчету высоты насадки методом ВЕП

t, 0C	ур	у	ур-у	1/(ур-у)
76,7 74,9 73,1 70,3 68,6 63,8 59,3 55,3 52,3 50,4	0 0,0823 0,1555 0,266 0,3325 0,495 0,634 0,747 0,829 0,878	0,03 0,07 0,14 0,19 0,36 0,54 0,67 0,755 0,815	0,0523 0,0855 0,126 0,1425 0,135 0,094 0,077 0,074 0,063	19,12046 11,69591 7,936508 7,017544 7,407407 10,6383 12,98701 13,51351 15,87302

 

Продолжение таблицы 3 - Днные к расчету высоты насадки методом ВЕП

t, 0C	ур	у	ур-у	1/(ур-у)
48,5 46,3	0,932 1	0,88	0,052	19,23077

 

 

 

Рисунок 5 - Графическое интегрирование кривой построенной по данным таблицы 3.

 

Плотность орашения:

 м³ / (м²ч);    (41)

Оптимальная плотность орошения:    (42)

 м³/(м²ч);

Динамическая вязкость пара рассчитывается по уравнению 

, (43)

откуда  мкПа·с.Здесь значения µ(CS₂)=11,08 мкПа·с и  µ(CCL₄)=10,74 мкПа·с  при t_п=54,6⁰С найдены по таблице вязкости паров органических веществ /6/ ; y_В – средняя мольная концентрация CS₂ .

 

 

Число Рейнольдса для  паровой фазы:

; (44)

Число Рейнольдса для  жидкой фазы:

.    (45)

Коэффициент диффузии в  паровой фазе

 D_п = м²/ч; (46)

В которой T = t+273=54,6+273 = 327,6 K – абсолютая температура паров;

V_a = V_C+2V_S =14,8+2·25,6 = 66 м³/кмоль;

V_b=V_C+ 4V_{c l}= 14,8 + 4·24,6 = 113,2 м³/кмоль;

М_а = 153,84 – молекулярная масса СCL_4;

М_b = 76,1 – молекулярная масса СS₂.

Число Прандтля для пара ( при диффузии):

; (47)

 Коэффициент диффузии в жидкой фазе D₂₀ при t = 20 ⁰C:

 

(48)

Температурный коэффициент b

при µ₂₀=0,499 мПа·с, ρ₂₀=1386,8 кг/м³

   (49)

Коэффициент диффузии в  жидкой фазе D_ж

м²/ч; (50)

Число Прандтля для жидкости ( при диффузии):

   (51)

Высота насадки h₁ (ВЕП) для паровой фазы :

м; (52)

Высота насадки h₂ (ВЕП) для жидкой фазы:

м;  (53)

Общая высота насадки h_τ, эквивалентная одной единице переноса для верхней части колонны:

                   м; (54)

 Высота насадки верхней части колонны

 м, (55)

Где z- число единиц переноса,  рассчитанное по формуле

 м, (56)

Где f – площадь, ограниченная кривй,крайеими ординатами, соответствующими y_к и y_н и осью абсцисс, М₁ и М₂ – масштабы, выражающие число единиц в 1 мм графика.

В результате расчета нижней части колонны ВЕП для жидкой фазы

h’₁=0,169м; h’₂ = 0,0713 м; h’_τ= м;

число единиц переноса нижней части колонны z’=5,48; высота насадки нижней части колонны         

 м;

  Общая высота насадки:

м.

Высота зоны питания  и расстояние от крышки до насадки концентрационной части определяются конструктивно:

Расстояние от днища до насадки отгонной части рассчитывается исходя из условия запаса для 15 - 20 - минутной работы насоса, откачивающего кубовую жидкость, а случае прекращения поступления сырья в колонну:

Высота опоры колонны  рассчитывается в зависимости от диаметра колонны:

Общая высота колонны:

  (57)

 

 

1.8 Определение диаметров  штуцеров

 

 

Плотности жидких продуктов  холодного орошения _х, сырья и кубового остатка рассчитываются в зависимости от температуры и состава:

, откуда =1259,6 кг/м ;

, откуда  = 1416,2 кг/м ;

, откуда r_w = 1474,1 кг/м .

Плотности паров, поступающих  из кипятильника колонны , и паров, уходящих с верха колонны , рассчитываются при соответствующих температурах и давлениях:

 кг/м ;

 кг/м .

Диаметр щтуцера зависит  от допустимой скорости потока:

                (58)

где V_n - объемный расход потока в трубопроводе.

Диаметр штуцера А для выхода паров из колонны в дефлегматор:

м.