Розрахунок

Теплота випаровування етилового спирта залежно від температури

Поверхневий натяг етилового спирта і його водних розчинів, мн/м

В’язкість етилового спирта і його водних розчинів, мПа·с

Кон-цен-тра-ція, %	Температура, ºС
-20	-10
	2,38 – – – –	2,23 – – – –	1,78 3,69 5,75 7,14 5,32	1,46 2,71 3,77 4,39 3,17	1,19 2,01 2,67 2,91 2,18	1,0 1,53 1,93 2,02 1,55	0,825 1,2 1,45 1,48 1,16	0,701 0,97 1,13 1,13 0,91	0,591 0,79 0,9 0,89 0,74	0,435 0,57 0,6 0,6 0,51	0,326 0,52 0,45 0,44 0,38	0,248 0,43 0,34 0,34 0,3

Таблиця ІІІ.9

Густина етилового спирта і його водних розчинів, кг/м³

Концентра-ція, %	Температура, ºС
-20
	– – – –

Таблиця ІІІ.10

Кон-цен-трація, %	Температура, ºС
-20
	25,7 – – – –		22,3	20,6		17,3	15,5	13,4

Таблиця ІІІ.11

Теплоємність етилового спирта і його водних розчинів, кДж/кг∙град

Кон-центра-ція, %	Температура, ºС
–20
	2,12 – – – –	2,29 2,68 3,06 3,44 3,81	2,485 2,85 3,14 3,52 3,85	2,715 3,02 3,31 3,65 3,9	2,966 3,23 3,48 3,69 3,94	3,222 3,44 3,60 3,81 3,98	3,515 3,65 3,77 3,94 4,06	3,809 3,9 3,98 4,02 4,11

Література: [1, 4, 6–11]

Примітка. Розрахунок ректифікаційних установок пов’язаний із необхідністю підбору за довідниками значень фізичних та фізико-хімічних властивостей і параметрів для заданої суміші.

У табл. ІІІ. 7 – ІІІ. 13 наводяться ці дані для етилового спирта і води.

Таблиця ІІІ.12

Темпера-тура, ºС
Теплота випаро-вування, кДж/кг	921,8	913,4	900,8		850,6			712,3

Таблиця ІІІ.13

Питома теплоємність с, кДж/кг∙град, в’язкість μ, мПа·с,
і теплопровідність , Вт/м∙град, парів етилового спирта
залежно від температури

Темпера-тура, ºС
	1,34 0,00785 0,013	1,689 0,0108 0,023	2,01 0,0137 0,035	2,32 0,0167 0,050	2,62 0,0197 0,067	2,895 0,0226 0,0859	3,168 0,0257 0,108

Складаємо принципову схему ректифікаційної установки (рис. ІІІ.17) і наносимо на неї значення заданих величин. Потім визначаємо кількість дистиляту і кубового залишку.

Рівняння матеріального баланса для всієї суміші:

,

де – кількість вихідної суміші, кг/год, – кількість дистиляту, кг/год;
– кількість кубового залишку, кг/год.

Рівняння матеріального баланса для НК:

,

або .

Сумісне вирішення цих рівнянь дає:

і .

Визначимо теоретичну кількість тарілок, за якої забезпечується повна фізико-хімічна рівновага між стікаючою з тарілки рідиною і парою, що піднімається за повного перемішування рідини на тарілці і рівномірного розприділення пари за її перерізом.

Розрахунок виконуємо графічним способом з побудовою ступенів зміни концентрації [1].

Для виконання розрахунку за цим методом необхідно побудувати у–х- діаграму. Визначаємо молярні частки компонентів в рідині і у рівноважній парі х і у.

Молекулярні маси компонентів: етилового спирта і води:

.

Молярна частка етилового спирта (С₂Н₅ОН) у початковій суміші:

.

Рис. ІІІ.17. Схема установки для безперервної перегонки суміші
етиловий спирт – вода: 1 – теплообмінник; 2 – кубовий підігрівач;
3 – ректифікаційна колона; 4 – дефлегматор; 5 – сепаратор; 6 – конденсатор

Молярна частка етилового спирта (С₂Н₅ОН) у дистиляті:

.

Молярна частка етилового спирта (С₂Н₅ОН) у кубовому залишку:

.

За даними табл. ІІІ.7 будуємо криву рівноваги суміші, що розділяється. На у–х -діаграмі (рис. ІІІ.18) проводимо діагональ ОК і вертикальні прямі:

; ; і .

Рис. ІІІ.18. Діаграма рівноваги для бінарної суміші етиловий спирт – вода

Зазначаємо точки W і N (перетину діагоналей відповідно з першою та третьою прямою) і точку F ₁ перетину другої прямої з кривою рівноваги. Знайденій точці F ₁ відповідає концентрація спирта у парі, що знаходиться у рівновазі з рідиною, за концентрації спирта в рідині .

Визначаємо мінімальне значення флегмового числа за формулами (ІІІ.10):

.

Приймаючи, згідно із завданням, коефіцієнт надлишку флегми β = 2, знаходимо значення робочого флегмового числа:

.

На діаграмі ух відкладаємо відрізок ОМ = В, причому

.

Як робочу лінію зміцнювальної частини колони проводимо на у–х -діаграмі пряму MN. Точку перетину цієї прямої з абсцисою з’єднуємо з точкою W, внаслідок чого отримуємо робочу лінію FW вичерпної частини колони. Ці прямі виражаються наступними рівняннями.

Робоча лінія зміцнюючої частини колони:

.

Робоча лінія вичерпної частини колони

;

тут х і у – поточні значення координат; – кількість вихідної суміші на одиницю готового продукта.

За у–х -діаграмою (рис. ІІІ.18) визначаємо теоретичну кількість тарілок (ступенів зміни концентрації). Для цього будуємо ступінчасту лінію, що складається із горизонтальних і вертикальних відрізків, у межах зміни х від до .

Кількість ступенів, що відповідає теоретичній кількості тарілок:

.

Для визначення реальної кількості тарілок необхідно визначити коефіцієнт корисної дії тарілки :

.

За [4] ККД тарілки змінюється в широких межах, від 0,2 до 0,9. Його можна визначити за графіком, поданим на рис. ІІІ. 4, або розрахувати за рівнянням , що описує цей графік. Тут – в’язкість рідини, що розділяється, сП; – відносна леткість.

За табл. ІІІ.8 для температури кипіння вихідної суміші знаходимо = 0,34 сП.

Відносну леткість визначаємо [5] за формулою:

,

де , – температури кипіння компонентів.

Отже, у вичерпній частині колони буде 8 тарілок, у зміцнювальній – 12, а разом 20 тарілок. Ця кількість робочих тарілок буде однаковою для всіх трьох типів колони (ККД ковпачкових тарілок залежить також від відстані між тарілками і може бути точно визначений за [6, 10]).

Для визначення розмірів колони визначаємо середнє значення основних параметрів парової суміші і рідини в колоні.

Кількість пари, що піднімається:

.

Кількість стікаючої рідини у зміцнювальній частині колони і залежить від флегмового числа та становить:

.

Кількість стікаючої рідини у вичерпній частині колони:

.

За робочою лінією у–х -діаграми (рис. ІІІ.18) визначаємо склад пари в точці F, що відповідає складу вихідної суміші, потім знаходимо середню мольну частку пари у верхній частині колони:

.

Середня мольна частка пари в нижній частині колони:

.

Середня мольна частка пари в колоні:

.

За фазовою t–x-д іаграмою (рис. ІІІ.19) знаходимо, що величині відповідає температура пари .

Рис. ІІІ. 19. Фазова діаграма для бінарної суміші “етиловий спирт – вода”

Середня густина пари за і за рівнянням стану становить:

,

де – універсальна газова стала, ; – середня молекулярна маса пари, що має концентрацію і визначається за співвідношенням:

де – мольна частка спирта в рідині за ; точніше її значення можна розрахувати за формулою:

.

Об’ємна витрата пари становить:

.

Середня мольна частка рідини у верхній частині колони:

.

Густина рідини у верхній частині колони:

де і – густини низькокиплячого (спирта) і висококиплячого (води) компонентів за (табл. ІІІ.9).

Середня мольна частка рідини у нижній частині колони:

.

Густина рідини в нижній частині колони:

Середня густина рідини у колоні:

.

Об’ємна витрата рідини у верхній частині колони:

.

Об’ємна витрата рідини у нижній частині колони:

.

Дата добавления: 2014-11-20