До розділу ІІІ 3 страница

За отримуємо:

, .

Рівняння робочих ліній:

верхньої частини колони

;

Рис. ІІІ.14 (до прикладу ІІІ.16)	Рис. ІІІ.15 (до прикладу ІІІ.16)

нижньої частини колони

.

У цих рівняннях

;

де , , , – мольні витрати живлення, дистиляту, кубового залишку, пари, що надходить, кмоль/с.

Робоча лінія верхньої частини колони така сама, як і під час обігрівання колони глухою парою (див. рівняння (ІІІ.6)); вона перетинає діагональ діаграми у – х за х = х_D і вісь ординат за .

Робоча лінія нижньої частини колони перетинає вісь абсцис за х = x_W. Обидві робочі лінії перетинаються при х = х_F.

Крива рівноваги, побудована за даними [4], має западину (рис. ІІІ.15). Для визначення R _minз точкиА проводимо дотичну АВ до кривої рівноваги. Дотична АВ відтинає на осі ординат відрізок, що дорівнює 37,5. Звідси:

та .

Робоче флегмове число:

.

Відрізок, що відсікається робочою лінією верхньої частини осі ординат при R = 1,77:

.

Наносимо робочі лінії на діаграму – рис. ІІІ. 15 (на рисунку точка x_W на осі абсцис нанесена не в масштабі). Знаходимо відносні мольні витрати:

;

;

.

Перевірка матеріального балансу:

.

.

Варто зазначити, що дійсна витрата пари, що подається в колону G_V, буде дещо більшою від розрахованої вище унаслідок того, що є необхідність у деякій додатковій кількості пари для компенсації теплових втрат колони. Ця додаткова кількість пари дасть додаткову кількість води в кубовому залишку, тому дійсна витрата кубового залишку буде більшою від розрахованої вище і концентрація спирту в кубовому залишку буде меншою від 0,1 % (мол.). Дійсну витрату пари можна визначити з рівняння теплового балансу колони:

,

де – масові витрати пари, початкової суміші, дистиляту, кубового залишку, кг/с;

;

де c_F, c_D, c_W – відповідно питомі теплоємності, Дж/(кг×К); t_F, t_D, t_W – температури, ^оС; i_n – питома ентальпія пари, Дж/кг; Q_Д – витрата тепла, що віддається охолоджувальній воді в дефлегматорі, Вт; Q _втр– теплові втрати в довкілля, Вт.

Приклад ІІІ.17. Визначити кількість тарілок ректифікаційної колони, необхідну для розділення суміші метиловий спирт – вода під атмосферним тиском. Вміст метилового спирту в живленні становить , в дистиляті – , в кубовому залишку – (мольні частки). Флегмове число . Залежність коефіцієнта збагачення від складу рідини наведено в табл. ІІІ.6.

Розв’язування. Для визначення кількості тарілок використаємо метод кінетичної кривої, яка дає змогу врахувати залежність коефіцієнта збагачення від складу [1].

За даними табл. 4Д будуємо криву рівноваги для суміші метиловий спирт – вода у координатах у – х (рис. ІІІ.16). Наносимо на діаграму робочі лінії (порядок їх визначення – див. приклад ІІІ.10): і .

Для побудови кінетичної кривої – лінії, координати точок якої (у і х) являють собою склади пари і рідини, що залишають тарілки, необхідно:

а) намітити на робочих лініях ряд точок А₁, А₂,..., А _і , що відповідають декільком перерізам колони;

б) визначити у вибраних перерізах граничну зміну складу пари , що зображається відрізками А _і В _і;

в) визначити за співвідношенням (ІІІ.21) дійсну зміну складу пари у вибраних перерізах колони, тобто знайти відрізки А _і С _і:

;

г) нанести на діаграму відрізки А _і С _і і з’єднати точки С _і плавною лінією – кінетичною кривою.

Етапи побудови кінетичної кривої відображено в табл. ІІІ.6.

Рис. ІІІ.16. (до прикладу ІІІ.17)

Таблиця ІІІ. 6

х	0,05	0,10	0,20	0,30	0,40	0,50	0,60	0,70	0,80	0,90
	0,40	0,43	0,48	0,53	0,55	0,53	0,52	0,51	0,49	0,47
	0,25	0,28	0,25	0,17	0,16	0,15	0,12	0,10	0,08	0,06
або	0,10	0,12	0,12	0,09	0,09	0,08	0,06	0,05	0,04	0,03

Примітка: Замість значень і в таблицю можна заносити безпосередньо пропорційні їм довжини відрізків А _і В _і, А _і С _і в мм; .

Побудувавши ступені між кінетичною кривою і робочою лінією, визначаємо кількість ступенів окремо для верхньої і нижньої частини колони. Кількість ступенів дає кількість робочих тарілок. Отримуємо: кількість тарілок нижньої частини колони , верхньої – . Тарілка живлення – четверта (рахуючи знизу).

КОНТРОЛЬНІ ЗАДАЧІ

ІІІ.1. Крезол (СН₃С₆Н₄ОН) переганяється з водяною парою: а) за атмосферного тиску; б) під тиском 300 мм рт. ст. Визначити: температуру перегонки; масовий склад одержуваної суміші; об'ємний відсоток крезолу в парі і його парціальний тиск. Прийняти j = 0,8. Тиск насиченої пари крезолу – див.
рис. 3Д (м -крезол).

ІІІ.2. Гліцерин очищається перегонкою з перегрітою водяною парою за 230 °С під вакуумом 590 мм рт. ст. Ступінь насичення водяної пари гліцерином 0,75. Визначити витрату пари, що йде з 1 т гліцерину. Сирий гліцерин надходить за температури перегонки. Апарат має зовнішнє обігрівання. Як зміниться склад парової суміші, якщо підвищити вакуум до 620 мм рт. ст.? Температура кипіння чистого гліцерину за тиску 760 мм рт. ст. дорівнює 290°С, а під тиском
50 мм рт. ст. – 205 °С. Використати правило лінійності, узявши за стандартну рідину воду (табл. 1Д Додатка).

ІІІ.3. Суміш бензолу і толуолу кипить за 95°С під тиском 760 мм рт. ст. За 95 °С тиск насиченої пари бензолу Р_б = 1167 мм рт. ст.; тиск насиченої пари толуолу Р_т = 480 мм рт. ст. Знайти склад киплячої рідини, вважаючи, що суміш підпорядковується закону Рауля.

Якщо рідина міститиме удвічі менше толуолу, то під яким тиском вона кипітиме за тієї самої температури?

ІІІ.4. Визначити рівноважні склади рідини і пари для суміші метиловий спирт – вода за температури 50°С: а) під тиском 300 мм рт. ст.; б) під тиском 500 мм рт. ст., вважаючи, що суміш підпорядковується закону Рауля.

Пояснити отриманий для випадку (б) результат.

ІІІ.5. Побудувати криву рівноваги х-у^* за загального тиску 2 кгс/см² для суміші гексан – гептан, вважаючи придатним закон Рауля. Тиск насиченої пари чистих компонентів знайти за номограмою (рис. 3Д).

ІІІ.6. Визначити склад рівноважної пари над рідкою сумішшю, що містить 10 % (мол.) води, 50 % (мол.) оцтової кислоти і 40 % (мол.) ацетону за t = 80 °С, вважаючи, що компоненти суміші підпорядковуються закону Рауля.

ІІІ.7. 1000 кг бінарної суміші бензол – толуол, що містить 30 % (мас.) бензолу, піддають простій перегонці під атмосферним тиском. Визначити кількість і склад дистиляту, якщо вміст бензолу в кубовому залишку дорівнює 18 % (мас.). Скористатися даними табл. ІІІ. 1.

ІІІ.8. 2600 кг суміші оцтової кислоти і води піддають простій перегонці під атмосферним тиском. Початкова суміш містить 10 % (мол.) оцтової кислоти, залишок – 50 % (мол.) оцтової кислоти. Визначити масу залишку і дистиляту та склад дистиляту. Дані про рівноважні склади див. у табл. 4Д Додатка.

ІІІ.9. У ректифікаційну колону безперервної дії надходить рідина з 24 % (мол.) НК компонента. Концентрація дистиляту 95 % (мол.), концентрація кубового залишку 3 % (мол.) НК компонента. У дефлегматор надходить 850 кмоль/год пари, в колону з дефлегматора – 670 кмоль/год флегми. Скільки одержують кубового залишку?

ІІІ.10. Визначити аналітично абсциси точок перетину робочих ліній ректифікаційної колони з діагоналлю діаграми у–х, а також однієї з іншою.

ІІІ.11. У ректифікаційній колоні безперервної дії розганяється суміш етилового спирту і води. Рівняння робочої лінії нижньої частини колони: . Визначити масовий відсоток спирту в кубовому залишку. Колона обігрівається глухою парою.

ІІІ.12. Колона безперервної дії переробляє суміш бензолу і хлороформу. Під час ректифікації виходить дистилят, що містить 95 % (мас.) НК компонента. Живильна рідина містить 40 % цього компонента. Знайти тангенс кута нахилу робочої лінії верхньої частини колони, якщо відомо, що робоче флегмове число вдвічі більше від мінімального. Дані про рівноважні склади див. у табл. 4Д Додатка.

ІІІ.13. У ректифікаційній колоні безперервної дії розганяється під атмосферним тиском 340 кмоль/год суміші вода – оцтова кислота. Ордината точки перетину робочих ліній 0,48. Рівняння робочої лінії верхньої частини колони . Кількість пари, що надходить в дефлегматор, 550 кмоль/год. Визначити кількість кубового залишку (у кг/год) і масову концентрацію оцтової кислоти в ньому.

ІІІ.14. В ректифікаційну колону безперервної дії надходить 1000 моль/год суміші, що містить 30 % (мол.) пентану і 70 % (мол.) гексану. Верхній продукт містить 95 % (мол.) пентану, нижній – 90 % (мол.) гексану. Визначити кількість верхнього і нижнього продуктів (в кг/год), а також кількість пари, що конденсується в дефлегматорі, якщо відомо, що тангенс кута нахилу робочої лінії верхньої (зміцнюючої) частини колони дорівнює 0,75.

ІІІ.15. З ректифікаційної колони виходить 1100 кг/год дистиляту з вмістом 98,5 % (мас.) НК компонента і 3650 кг/год – кубового залишку з вмістом 96,6 % (мас.) іншого компонента. Флегмове число 2,94. Визначити: а) масовий відсоток НК компоненту в живленні колони; б) кількість пари (в кг/год), що надходить з колони в дефлегматор.

ІІІ.16. На одній з тарілок ректифікаційної колони у верхній (укріплюючій) частині кипить суміш азоту і кисню. Концентрація азоту в рідині, що стікає з тарілки, 50 % (мол.). Знайти склад рідини, що стікає згори на цю тарілку, якщо один ступінь зміни концентрації відповідає одній тарілці. Флегмове число 2,3. Верхній продукт прийняти за чистий азот. Дані про рівноважні склади див. в табл. 4Д Додатка.

ІІІ.17. На одній з тарілок верхньої частини ректифікаційної колони знаходиться рідина, що містить 65 % (мол.) НК компонента. Колона працює за флегмового числа R = 2,5. Дистилят містить 98 % НК компоненту.

Визначити склади пари, що надходить на вказану тарілку і що йде з неї, якщо коефіцієнт збагачення тарілки h_о = 0,75, суміш описується законом Рауля, коефіцієнт відносної леткості a = 2,5. Рідина на тарілці повністю перемішується.

ІІІ.18. У ректифікаційній колоні безперервної дії x_D = 90 % (мол.), х_F = 30 % (мол.), x_W = 3 % (мол.), R = 8. Визначити склад пари, що надходить на тарілку, де рідина містить: а) 75 і б) 15 % (мол.) НК компонента.

ІІІ.19. У ректифікаційній колоні безперервної дії одержують 200 кг/год оцтової кислоти з концентрацією 70 % (мол.). Переробляється суміш оцтової кислоти з водою, суміш надходить в колону за температури кипіння. Вміст оцтової кислоти в початковій суміші 31 % (мол.). Згори колони відганяється вода, що містить 8 % (мол.) оцтової кислоти. Тиск в колоні атмосферний. Визначити кількість ступенів зміни концентрації за флегмового числа 4. Визначити також витрату в кубі колони гріючої пари (р_абс = 4 кгс/см²), що має вологість 5 %. Теплові втрати становлять 4 % від корисно затрачуваного тепла. Дані про рівноважні склади див. у табл. 4Д Додатка.

ІІІ.20. У ректифікаційну колону надходить 5000 кг/год суміші, що містить 29 % (мас.) метилового спирту і 71 % (мас.) води. Рівняння робочої лінії верхньої (зміцнювальної) частини колони: Кубового залишку одержують 3800 кг/год. Визначити: а) масовий відсоток метилового спирту в кубовому залишку; б) кількість пари (в кг/год), що надходить з колони в дефлегматор; в) витрату води в дефлегматорі, якщо вона нагрівається в ньому на
12 К.

ІІІ.21. Рівняння робочих ліній ректифікаційної колони для розділення суміші бензолу і толуолу під атмосферним тиском: , .

У колону подають 75 кмоль/год суміші за температури кипіння. Гріюча пара в кубі колони має надлишковий тиск 3 кгс/см². Визначити необхідну поверхню нагрівання в кубі колони і витрату гріючої пари, що має вологість 5 %. Коефіцієнт теплопередачі К = 580 Вт/(м² × К). Тепловими втратами знехтувати. Температуру кипіння рідини в кубі прийняти як для чистого толуолу.

ІІІ.22. У ректифікаційну колону безперервної дії подають суміш “вода – етиловий спирт”, що містить 10 % (мас.) спирту. Визначити витрату тепла в кубі колони і кількість тепла, що відводиться в дефлегматорі на 1 кг дистиляту, який містить 94 % (мас.) спирту, якщо кубовий залишок практично його не містить. Початкова суміш вводиться в колону за температури 70 °С. Укріплююча частина колони працює з флегмовим числом R=4. Тепловими втратами нехтувати. Обігрівання здійснюється глухою парою.

ІІІ.23. Продуктивність ректифікаційної колони для розділення суміші “метиловий спирт – вода” становить 1500 кг/год дистиляту. Колона працює під атмосферним тиском. Поверхня теплообміну дефлегматора 60 м², коефіцієнт теплопередачі в ньому 810 Вт/(м²×К). Визначити флегмове число і витрату охолоджувальної води в дефлегматорі, якщо вона нагрівається від 15 до 35 °С.

ІІІ.24. Визначити необхідну поверхню і витрату води в дефлегматорі ректифікаційної колони для розділення бензольно-толуольної суміші за таких умов: кількість верхнього продукту 600 кг/год; флегмове число 3,75; початкова і кінцева температури охолоджувальної води 20 і 45 °С; коефіцієнт теплопередачі 700 Вт/(м²×К). Вважати верхній продукт чистим бензолом. Тиск в колоні атмосферний.

ІІІ.25. Визначити необхідну кількість тарілок в ректифікаційній колоні періодичної дії для розгону суміші “хлороформ – бензол” під атмосферним тиском. Початкова суміш містить 38 % (мол.) хлороформу, дистилят повинен містити 97 % (мол.), кубовий залишок після перегонки – 10 % (мол.). Коефіцієнт надлишку флегми 2. Дані про рівноважні склади див. у табл. 4Д Додатка. На один ступінь зміни концентрації припадає 1,4 тарілки.

ІІІ.26. У ректифікаційній колоні безперервної дії розганяється 5000 кг/год суміші “метиловий спирт – вода”. Масова концентрація метилового спирту в живленні 20 %, у верхньому продукті – 90 %. Коефіцієнт надлишку флегми 1,8. Витрата води в дефлегматорі 40 м³/год, вода в ньому нагрівається від 20 до 40 °С. Визначити кількість метилового спирту, що виходить з кубовим залишком.

ІІІ.27. Для обігрівання куба ректифікаційної колони, в яку надходить на розділення 6 т/год бензольно-толуольної суміші, є в розпорядженні пара з абсолютним тиском 1 кгс/см². Концентрація початкової суміші 32 % бензолу. Необхідна концентрація дистиляту 97 % бензолу, кубового залишку – 95 % толуолу. Відсотки масові.

Визначити: а) масову витрату одержуваного дистиляту і кубового залишку; б) тиск в колоні; в) необхідну кількість тарілок за флегмового числа 3,1 і за середнього ККД тарілок h = 0,71; г) витрату гріючої пари і витрату води в дефлегматорі у разі нагрівання води в ньому на 15 К. Вологість гріючої пари 5 %.

Суміш описується законом Рауля. Теплові втрати прийняти у розмірі 3 % від корисно затрачуваного тепла. Живлення подається в колону за температури кипіння. Прийняти, що різниця температур у кубі колони дорівнює 10 К.

ІІІ.28. Визначити діаметр і висоту тарілчастої колони для розділення суміші метиловий спирт – вода під атмосферним тиском. Витрата вихідної суміші 3 т/год (0,84 кг/с). Вміст метилового спирту в живленні 40 % (мол.), в дистиляті 95 % (мол.), в кубовому залишку 5 % (мол.). Швидкість пари в колоні 0,8 м/с, відстань між тарілками Н = 300 мм. Залежність коефіцієнта збагачення h від складу рідини:

х
h	0,45	0,55	0,63	0,69	0,75	0,78	0,8	0,8

ПРИКЛАД ПРОЕКТУВАННЯ РЕКТИФІКАЦІЙНИХ УСТАНОВОК

Техніко-економічний розрахунок ректифікаційної установки з ковпачковими і сітчастими тарілками та з насадкою із кілець Рашига для суміші етиловий спирт – вода.

Дата добавления: 2014-11-20