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

Таблиця ІІІ.9

Густина етилового спирта і його водних розчинів, кг/м³

Таблиця ІІІ.10

Таблиця ІІІ.11

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

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

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 F₁ перетину другої прямої з кривою рівноваги. Знайденій точці F₁ 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-діаграмою (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:

.