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Beispiel – Planung einer Rektifikationsanlage

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, ϑV = 20 °C) fällt mit folgender Zusammensetzung zur Trennung an:

Benzol: Massenanteil

w1 = 25 %

Toluol:

w2 = 75 %

Betriebsvorgaben:

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

Volumenstrom Zulauf (Feed):

qV = 80 L/min

Länge der Zuleitung (gerade Rohrleitungsstücke):

L = 15 m

Höhendifferenz Feedpumpe/Kolonneneinspeisung (geodätische Höhe):

z = 4 m

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 qV = 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


Teilberechnung mit RKS

Berechnung der erforderlichen Trennstufenzahl für die Rektifikationskolonne S. 256/257

Siedetemperaturen der Reinstoffe:

ϑB = 80,1 °C und ϑT = 111 °C (S. 110/111)

Siedetemperaturen in Kelvin:

TB = 80,1 + 273,15 = 353,25 K

TT = 111 + 273,15 = 384,15 K

Trennfaktor nach Rose (S. 256):

Funktionsgleichung für die Gleichgewichtskurve (S. 256):

z. B. für den Stoffmengenanteil im Zulauf:

Mindestrücklaufverhältnis (S. 257):

Gewählt (S. 256): v = 2 · vmin = 2 · 2,39 = 4,78

Funktionsgleichung für die Verstärkungsgerade (S. 256):

oder Gerade zwischen Ordinatenschnittpunkt und dem Schnittpunkt der Senkrechten über x D mit der Diagonalen

Für den Ordinatenschnittpunkt (S. 256):

Schnittpunkt mit der Diagonalen: yD = xD

Schnittpunktsgerade ist, da Zulauf siedend flüssig, die Senkrechte über xZ . Die Abtriebsgerade wird zwischen dem Schnittpunkt der Schnittpunktsgeraden mit der Verstärkungsgeraden und dem Schnittpunkt der Senkrechten über xB mit der Diagonalen konstruiert.

Einzeichnen der Stufen zwischen Gleichgewichtskurve und Verstärkungsgeraden und Gleichgewichtskurve und Abtriebsgerade, beginnend über xD bis über xB . Es ergeben sich 7 theoretische Stufen im Verstärkerteil und 4 Stufen im Abtriebsteil (ohne Berücksichtigung von Wirkungsgrad und Pufferböden)