Beispiel

Aus: Walter Bierwerth, Tabellenbuch Chemietechnik, 11. Auflage, Verlag EUROPA-LEHRMITTEL, Europa Nr. 70717, S439 ff

Aufgabenstellung:

In einem Gemisch aus Benzol und Toluol soll durch kontinuierliche Rektifikation der Massenanteil an Benzol angereichert werden.

Die Anlage ist im Fließbild (Fließschema) dargestellt.

Das Gemisch (reines Zweistoffgemisch, ϑ_V = 20 °C) fällt mit folgender Zusammensetzung zur Trennung an:

Betriebsvorgaben:

Gewünschte Anreicherung: w₁ = 0,95 (Kolonnenkopf), der Sumpfablauf soll noch maximal w₁ = 0,05 Benzol enthalten.

Zulauf zur Kolonne: siedend flüssig

Ablauf aus dem Kopfkondensator: siedend flüssig

Abkühlung des Destillats im Destillatkühler auf ϑ = 40 °C

Kühlwasser steht mit einer relative konstante Zulauftemperatur von ϑ = 20 °C zur Verfügung und soll beim Austritt aus der Anlage nicht wärmer als ϑ = 30 °C sein.

Die Kolonne wird bei Normaldruck betrieben.

Auszulegende Bauteile:

Kreiselpumpe (Feedpumpe): Erforderliche Pumpenleistung über Druckverlust in der Zuleitung

Gemischvorwärmer (elektrische Rohrbeheizung, induktiv): erforderliche Heizleistung?

Trennkolonne (Füllkörperkolonne): erforderliche Anzahl der theoretischen Stufen nach McCabe-Thiele

Kopfkondensator (Rohrbündel-Wärmeaustauscher): erforderliche Austauschfläche

Destillatkühler (Rohrbündel-Wärmeaustauscher): erforderliche Austauschfläche

Destillatvorlage (liegender zylindrischer Pufferbehälter mit Klöpperböden): Füllstandsdiagramm q_V = f(h)

Erforderliche Armaturen und sonstige Rohrleitungsteile in der Feedleitung:

2 Bögen (Krümmer) 90°, R/d = 4

1 Durchgangsventil (DIN-Ventil)

1 Absperrhahn (Kugelhahn), 50 % geöffnet

1 Rückschlagventil

1 Wirbelzähler

Bestimmung der erforderlichen Austauschfläche des Destillatkühlers

Der Destillatkühler wird so berechnet, dass bei Sperrung des Rücklaufs in die Kolonne der komplette (maximale) Massenstrom an Kopfprodukt gekühlt werden kann.

Kühlwassereintritt: ϑ_W1 = 20 °C

Kühlwasseraustritt: ϑ_W2 = 30 °C

Bezugstemperatur für die spezifische Wärmekapazität des Kühlwassers:

ϑ_WB = (20 °C + 30 °C)/2 = 25 °C

Spezifische Wärmekapazität (linear interpoliert nach Tabelle Innendeckel hinten):

c_W = 4179 J/(kg · K)

Erforderlicher Wärmestrom (S. 238):

Φ = q_mD · c_D · (ϑ_bD – ϑ_D2) = 0,258 kg/s · 1740 J/(kg · K) · (80,3 – 40) °C = 18091 W

K-Wert nach Tabelle (S. 235): K = 600 W/(m² · K)

Mittlere logarithmische Temperaturdifferenz (S. 237):

Erforderliche Austauschfläche (S. 239):