Технологический расчет ректификационной установки непрерывного действия

 

 

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ

 

 

Содержание:

Введение  3  

Теоретическая часть 4

Задание  8

I. Материальный баланс 9

II. Определение скорости пара и диаметра колонны 13 

III. Гидравлический расчет тарелок. 15

IV. Определение числа тарелок и высоты колонны 20

V. Тепловой расчет установки 22

VI. Расчет тепловой установки (Подогреватель) 24

Заключение  29

Список используемой литературы 30

Приложение 1

Приложение 2

 

 

Введение

          Для разделения смеси жидкости  обычно прибегают к перегонке, основанной на разной температуре  кипения компонентов смеси. При  испарении компонент с более  низкой температурой кипения (НК) переходит в пары, а компонент  с более высокой температурой  кипения (ВК) остается в жидком  состоянии. Для достижения наиболее  полного разделения компонентов  применяют ректификацию. Ректификация  заключается в противоточном  взаимодействии паров образующихся  при перегонке, с жидкостью, получающейся  при конденсации паров.

 В ректификационном  аппарате снизу вверх движутся  пары, а сверху подается жидкость, представляющая собой почти чистый  НК. При соприкосновении поднимающихся  паров со стекающей жидкостью  происходит частичная конденсация  паров и частичное испарение  жидкости. При этом из паров  конденсируется преимущественно  ВК, а из жидкости испаряется  преимущественно НК. Таким образом, стекающая жидкость обогащается  ВК, а поднимающиеся пары обогащаются  НК, в результате чего выходящие  из аппарата пары представляют  собой почти чистый НК.  Эти  пары поступают в конденсатор, называемый дефлегматором, и конденсируются. Часть конденсата, возвращаемая  на орошение аппарата, называется  флегмой, другая часть отводится  в качестве дистиллята.

Как и для всех массообменных процессов эффективность ректификации зависит от поверхности контакта фаз. Для увеличения поверхности массообмена используют различные контактные устройства насадочного или барботажного типа. Наиболее распространенными ректификационными установками являются барботажные колонны с различными типами тарелок: колпачковыми, ситчатыми, провальными и т.п. Наиболее универсальны колонны с колпачковыми тарелками, но при разделении незагрязненных жидкостей в установках с постоянной нагрузкой, хорошо зарекомендовали себя аппараты с ситчатыми тарелками, отличающимися простотой конструкции и легкостью в обслуживании.

Теоретическая часть

Ректификация представляет собой процесс многократного частичного испарения жидкости конденсации паров. Процесс осуществляется путем контакта потоков пара и жидкости, имеющих различную температуру, и проводятся обычно в колонных аппаратах. При каждом контакте в жидкости испаряется преимущественно низкокипящий компонент, которым обогащаются пары из паров конденсируется преимущественно высококипящий компонент, переходящий в жидкости. Такой двусторонний обмен компонентами, повторяемый многократно, позволяет получить, в конечном счете, пары, представляющие собой почти чистый низкокипящий компонент. Эти пары после конденсации в отдельном аппарате дают дистиллят (ректификат) и флегму – жидкость, возвращаемую для орошения колонны и взаимодействия с поднимающимися парами. Пар получают путем частичного испарения снизу колонны остатка, являющегося почти чистым высококипящим компонентом.

Ректификация известна с начала XIX века как один из важнейших технологически процессов главным образом спиртовой и нефтяной промышленности. В настоящее время ректификацию все шире применяют в самых различных областях химической технологии, где выделение компонентов в чистом виде имеет весьма важное значение (в производства органического синтеза, изотопов, полимеров, полупроводников и различных других веществ высокой чистоты).

Процесс ректификации осуществляется путем многократного контакта между неравновесными жидкой и паровой фазами, движущимися относительно друг друга.

При взаимодействии фаз между ними происходит массо- и теплообмен обусловлены стремлением системы к состоянию равновесия. В результате каждого контакта компонент перераспределяются между фазами: пар несколько обогащается низкокипящим компонентом, жидкость - высококипящим. Многократное контактирование приводит к практически полном разделению исходной смеси.

Устройство ректификационных аппаратов.

Рис. 1 Ректификационная колонна непрерывного действия.

1 – колонна; 2 – кипятильник; 3 –  дефлегматор

Таким образом, отсутствие равновесия (и соответственно наличие разности температур фаз при движении фаз с определенной относительной скоростью и многократном их контактированиии являются необходимыми условиями проведения ректификации.

Процессы ректификации осуществляются периодически или непрерывно при различны давлениях: при атмосферном давлении, под вакуумом (для разделения смесей высококипящих веществ), а также под давлением больше атмосферного (для разделения смесей, являющихся газообразными при нормальных температурах).

Для проведения процессов ректификации применяют аппараты разнообразных конструкций основные типы которых не отличаются от соответствующих типов абсорберов. Однако в отличие от абсорберов ректификационные колонны снабжен теплообменными устройствами - кипятильником (кубом) и дефлегматором (рис. 1). Кроме того, для уменьшения потерь тепла в окружающую среду ректификационные аппараты покрывают тепловой изоляцией.

Кипятильник или куб, предназначен для превращения в пар части жидкости, стекающей из колонны, и подвода пара в ее нижнюю часть (под насадки или нижнюю тарелку). Кипятильники имеют поверхность нагрева в виде змеевика или представляют собой кожухотрубчатый теплообменник, встроенный в нижнюю часть колонны. Более удобны для ремонта и замены выносные кипятильники, которые устанавливают ниже колонны с тем, чтобы обеспечить естественную циркуляцию жидкости.

Рис- 2. Варианты установки дефлегматоров а - на колонне: б - ниже верха колонны; 1 -дефлегматоры; 2 - колонны: 3 - насос.

Дефлегматор, предназначенный для конденсация паров и подачи орошения (флегмы) колонну, представляет собой кожухотрубчатый теплообменник, в межтрубном пространстве которого обычно конденсируются пары, а в трубах движется охлаждающий агент (вода).

В случае частичной конденсации паров дефлегматоре его располагают непосредственно над, колонной, чтобы обеспечить большую компактность установки, либо вне колонны (рис 2). При этом конденсат (флегму) из нижней части дефлегматор подают непосредственно через гидравлический затвор на верх колонны, так как в данном случае отпадав необходимость в делителе флегмы.

В случае полной конденсации паров в дефлегматоре его устанавливают выше колонны, непосредственно на колонне или ниже верха колонны для того, чтобы уменьшить общую высоту установки. В последнем случае флегму из дефлегматора 1 подают в колонну 2 насосом. Такое размещение дефлегматора часто применяют при установке ректификационных колонн вне зданий, что более экономично в условиях умеренного климата.

Колпачковые тарелки.

Менее чувствительны к загрязнениям, чем ситчатые, и отличаются более высоким интервалом устойчивой работы колонны с колпачковыми тарелками. Газ на тарелку поступает по патрубкам, разбиваясь затем прорезями колпачка на большое число отдельных струй. Далее газ проходит через слой жидкости, перетекающей по тарелки от одного сливного устройства к другому.

Рис. 3. Схема работы колпачковой тарелки

При движении через слой значительная часть мелких струй распадается и газ распределяется в жидкости в виде пузырьков. Интенсивность образования пены непосредственно на колонне или ниже верха колонны для того, чтобы уменьшить общую высоту установки. В последнем случае флегму из дефлегматора 1 подают в колонну 2 насосом. Такое размещение дефлегматора часто применяют при установке ректификационных колонн вне зданий, что более экономично в условиях умеренного климата.

 

 

 

 

 

 

Задание:

Выполнить технологический расчет ректификационной установки непрерывного действия для разделения бинарной смеси бензол – метанол с определением основных геометрических размеров колонного аппарата, а также вспомогательного оборудования.

 

Условия проведения процесса:

• Разделяемая бинарная смесь предварительно подогрета до температуры кипения.
• Во всех вариантах технологических установок предусматривается горячее орошение колонн.
• Производительность: GD=80 т/сутки.
• Содержание НК: XF=0,46 моль,

XD=0,91 моль,

XW=0,07 моль.

• Давление в колонне: П=1,1 атм.
• Тип колонны: колпачковая.

 

Обозначения: F – исходная смесь; D – готовый верхний продукт; W – кубовый остаток; XF, XD, XW – составы соответственно исходной смеси, готового верхнего готового продукта и кубовой жидкости; П – давление в колонне; НК – низкокипящий компонент.

GD=80000/(24*3600)=0.93 кг/c.

П=1,1*760 мм рт. ст. = 836 мм рт. ст.

 

 

I. Материальный баланс

Материальный баланс колонны

При расчете процессов ректификации составы жидкостей обычно задаются в массовых долях или в процентах.

Для дальнейших расчётов необходимо концентрации исходной смеси, дистиллята и кубового остатка выразить в массовых долях:

 

Где: хА – мольная доля компонента А в жидкой фазе;

- массовая доля компонента  А;

xB – мольная доля компонента B в жидкой фазе, xB=1-xA;

Компонент А – низкокипящий компонент;

МА, МВ – молекулярные массы компонентов А и В.

Молекулярная масса бензола: Mб=78,11 кг/моль.

Молекулярная масса метанола: Mм=32,04 кг/моль.

Температуры кипения веществ при Р=760мм.рт.ст.:

Метанол Ткип=64,7 ˚С (НК);

Бензол Ткип=80,1˚С (ВК).

 

Питание:

 

Дистиллят:

 

Кубовый остаток:

 

 

Относительный мольный расход питания:

 

 

Материальный баланс колонны:

GF=GD+GW.

Соответственно материальный баланс по НК:

 

Решим систему уравнений:

 

 

 

0,23*=0.511;

GW = 2,22;

GD= 0,93;

GF = 3,15.

Где  GF = 3,15 кг/c – массовый расход исходной смеси;

GD= 0,93 кг/с – массовый расход дистиллята;

          GW = 2,22 кг/с – массовый расход кубовой жидкости.

Из номограммы XIV, с. 565 [2] следует, что при заданном давлении (836 мм.рт.ст.) температура кипения бензола равна 840С, температура кипения метанола 680С.

В этом интервале выбирается произвольный ряд температур: 68, 70, 72, 74, 76, 78, 80, 82, 84. При этих температурах по номограмме XIV, с. 565 [2]  определяются давления паров бензола и метанола.

Для вычисления равновесных составов фаз используются законы Дальтона и Рауля.

Мольная доля низкокипящего компонента Х в жидкости определяется по уравнению

Мольная доля низкокипящего компонента в паре у* рассчитывается по уравнению

,

где РА, РВ – давления насыщенных паров низкокипящего и высококипящего компонентов соответственно, мм.рт.ст.;

П – общее давление в системе, мм.рт.ст;

x и y* - мольные доли смеси бензол-метанол в жидкости и в равновесном с ним паре.

Данные по расчету равновесного состава фаз сведены в таблицу 1.

Таблица 1. Равновесные составы жидкости и пар смеси бензол - метанол при давлении 760 мм.рт.ст.

t, 0С	Рм(нк), мм.рт.ст.	Рб(вк), мм.рт.ст.	П, мм.рт.ст.
68	836	480	836	1	1
70	900	500	836	0,84	0,90
72	950	530	836	0,73	0,83
74	1000	550	836	0,64	0,77
76	1100	580	836	0,49	0,65
78	1200	600	836	0,39	0,56
80	1300	700	836	0,23	0,36
82	1400	800	836	0,06	0,10
84	1500	836	836	0	0

По полученным данным о равновесии между жидкостью и паром строим изобары температур кипения и конденсации смеси на диаграмме t=f(x,y) (приложение 1, рис.1).

Расчет флегмового числа

Нагрузки ректификационной колонны по пару и  жидкости определяются рабочим флегмовым числом R. Минимальное флегмовое число можно рассчитать по формуле

где - мольная доля низкокипящего компонента в паре, равновесном с исходной смесью, определяется по диаграмме t=f(x,y) (приложение 2, рис.3).

Для нашего случая Отсюда:

R= Rmin 1,3+0,3=1,65*1,3+0,3=2,45

Уравнения робочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части колонны

 

y = 0,71x + 0,26

б) нижней (исчерпывающей) части колонны

 

y = 1,33x -0,02

Строим кривую равновесия ( Приложение 1, рис.2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II. Определение скорости пара и диаметра колонны

Средние концентрации жидкости:

А) в верхней части колонны

x'ср = (xF + xD)/2 = (0,46+0,91)/2 = 0,685;

Б) в нижней части колонны

x''ср = (xF + xw)/2 = (0,46+0,07)/2 = 0,265;

Средние концентрации пара находим по уравнениям рабочих линий:

А) в верхней части колонны

y'ср = 0,65 x'ср+0,347 = 0,65*0,685+0,347 = 0,792;

Б) в нижней части колонны

y''ср = 1,3x''ср – 0,0068 = 1,3*0,265–0,0068 = 0,338;

Средние температуры пара определяем по диаграмме t–x, y (приложение 1, рис.1).

1. при y'ср = 0,792        t'ср = 73 °C;

Б) при  y''ср = 0,338      t''ср = 79,5 °C.

Средние мольные массы и плотности пара:

А) M 'ср = 0,792*32,04+0,188*78,11 = 40,1 кг/кмоль;

 

Б) M ''ср = 0,338*32,04+0,662*78,11 = 62,54 кг/кмоль;

 

Средняя плотность пара в колонне:

 

Найдем плотность жидкости в колонне

Чтобы найти температуру смеси в верхней части колонны, надо на диаграмме t–x, y (приложение 1, рис.1) отложить значения xw = 0,07 и xD = 0,91, найти соответствующие температуры.

Плотность метанола при 69°C х = 747 кг/м3, а бензол при 82 °C в = 813 кг/м3. Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне:

  ж = (747+813)/2 = 780 кг/м3.

Определяем скорость пара в колонне по уравнению (7.17) [2]. По данным каталога-справочника «Колонные аппараты» принимаем расстояние между тарелками h = 400мм. Для колпачковых тарелок по графику (рис.7.2) [1] находим C = 0,05.

Скорость пара в колонне по уравнению (7.17а) [2]:

 

Объемный расход проходящего через колонну пара при средней температуре в колонне tср = (73+79.5)/2 = 76.3°C.

 

 

Диаметр колонны равен:

 

По каталогу-справочнику «Колонные аппараты» [3] берем D = 1800 мм, тогда скорость пара в колонне будет:

 

 

 

 

 

 

 

III. Гидравлический  расчет тарелок.

Рассчитаем гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части и в нижней части колонны по уравнению[2]: