Проектирование и автоматизированный расчёт ректификационной колонны непрерывного действия для разделения бинарной смеси ацетон – этан

Таким образом, пар, представляющий собой  на выходе из кипятильника почти чистый высококипящий коспонент, по мере движения вверх все более обогащается  низкокипящим компонентом и покидает верхнюю тарелку колонны в  виде почти чистого низкокипящего  компонента, который практически полностью  переходит в паровую фазу на пути пара от кипятильника до  верха колонны.

Пары конденсируются в дефлегматоре 5, охлаждаемом водой, и получаемая жидкость разделяется в делителе 6 на дистиллят и флегму, которая направляется на верхнюю тарелку колонны. Следовательно, с помощью дефлегматора в колонне создается нисходящий поток жидкости.

Жидкость, поступающая на орошение колонны, представляет собой почти чистый низкокипящий компонент. Однако, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, жидкость всё более обогащается высококипящим компонентом, конденсирующимся из пара. Когда жидкость достигает нижней тарелки, она становится практически чистым высококипящим компонентом и поступает в кипятильник, обогреваемый глухим паром или другим теплоносителем.

На некотором расстоянии от верха  колонны к жидкости из дефлегматора присоединяется исходная смесь, которая  поступает на питающую тарелку колонны. Для того, чтобы уменьшить тепловую нагрузку кипятильника, исходную смесь обычно предварительно нагревают в подогревателе 2 до температуры кипения жидкости на питающей тарелке.

Питающая тарелка как бы делит  колонну на две части, имеющие  различное назначение.

В дефлегматоре 5 могут быть сконденсированы  либо все пары, поступающие из колонны, либо только часть их соответствующая количеству возвращаемой в колонну флегмы. В первом случае часть конденсата, остающаяся после отделения флегмы, представляет собой дистиллят (ректификат), или верхний продукт, который после охлаждения в холодильнике 7 направляется в сборники дистиллята 8. Во втором случае несконденсированные в дефлегматоре пары одновременно конденсируются и охлаждаются в холодильнике 7, который при таком варианте работы служит конденсатором-холодильником.

Жидкость, выходящая из низа колонны также делится на две части. Одна часть направляется в кипятильник, а другая – остаток после охлаждения водой в холодильнике 7 направляется в сборник 9.

К достоинствам непрерывной ректификации относят высокую производительность, однородность получаемого продукта, легкость автоматизации.

В настоящее время в промышленности применяются разнообразные конструкции  тарельчатых аппаратов. По способу  слива жидкости с тарелок их можно  разделить на колонны: 1) с тарелками  со сливными устройствами (ситчатые, колпачковые, клапанные, балластные и пластинчатые) и 2) с тарелками без сливных устройств (провальные, решётчатые, трубчатые и волнистые).

Колпачковые тарелки (рисунок 1.4) менее  чувствительны к загрязнениям и отличаются более высоким интервалом устойчивой работы по сравнению с ситчатыми тарелками.

 

 

1 – тарелка; 2 – газовые патрубки; 3 – колпачки; 4 – сливные трубки

Рисунок 1.4 – Схема работы колпачковой  тарелки

 

Газ на тарелку 1 поступает по патрубкам 2, разбиваясь затем прорезями колпачка 3 на большое число отдельных струй. Прорези колпачков наиболее часто выполняются в виде зубцов треугольной или прямоугольной формы. Далее газ проходит через слой жидкости, перетекающей по тарелке от одного сливного устройства 4 к другому. При движении через слой значительная часть мелких струй распадается и газ распределяется в жидкости в виде пузырьков. Интенсивность образования пены и брызг зависит от скорости движения газа и глубины погружения колпачка в жидкость.

Колпачковые тарелки устойчиво  работают при значительных изменениях нагрузок по газу и жидкости. К их недостаткам следует отнести сложность устройства и высокую стоимость, низкие предельные нагрузки по газу, относительно высокое гидравлическое сопротивление, трудность очистки. Поэтому колонны с колпачковыми тарелками вытесняются новыми, более прогрессивными конструкциями тарельчатых аппаратов.

 

Ректификация – массообменный  процесс, который осуществляется в  большинстве случаев в противоточных  колонных аппаратах с контактными  элементами (насадки тарелки), аналогичными используемым в процессе абсорбции. Поэтому методы подхода к расчёту и проектированию ректификационных и абсорбционных установок имеют много общего. Тем не менее ряд особенностей процесса ректификации (различное соотношение нагрузок по жидкости и пару в верхней и нижней частях колонны, переменные по высоте колонны физические свойства фаз и коэффициент распределения, совместное протекание процессов массо- и теплопереноса) осложняет его расчёт.

Принципиальная схема ректификационной установки приведена на рисунке 2.1.

1 – емкость для исходной смеси; 2, 9 – насосы; 3 – теплообменник-

подогреватель; 4 – кипятильник; 5 – ректификационная колонна;

6 – дефлегматор; 7 – холодильник  дистиллята; 8 – емкость для сбора

дистиллята; 10 – холодильник кубовой  жидкости; 11 – емкость для

сбора кубовой жидкости.

Рисунок 2.1 – Принципиальная схема  ректификационной установки

 

 

 

 

 

Исходную смесь из промежуточной  емкости 1 центробежным насосом 2 подают в теплообменник 3, где она подогревается  до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси x_f.

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует  с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой  жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка x_w, т.е. обеднён легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава x_p, получаемой в дефлегматоре 6 путём конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения – дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в промежуточную емкость 8.

Из кубовой части колонны насосом 9 непрерывно выводится кубовая жидкость – продукт, обогащённый труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 10 и направляется в емкость 11.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием низкокипящего компонента) и кубовый остаток (обогащённый высококипящим компонентом).

Большое разнообразие тарельчатых контактных устройств затрудняет выбор оптимальной конструкции тарелки. При этом наряду с общими требованиями (высокая интенсивность единицы объёма аппарата, его стоимость и др.) ряд требований может определяться спецификой производства: большим интервалом устойчивой работы при изменении нагрузок по фазам, способностью тарелок работать в среде загрязненных жидкостей, возможностью защиты от коррозии и т.п. Зачастую эти качества становятся превалирующими, определяющими пригодность той или иной конструкции для использования в каждом конкретном процессе.

Размеры тарельчатой колонны (диаметр и высота) обусловлены нагрузками по пару и жидкости, типом конкретного устройства (тарелки), физическими свойствами взаимодействующих фаз.

 

3.1 Расчет ректификационной колонны

 

 

3.1.1 Материальный баланс и рабочее флегмовое число

 

Производительность колонны  по дистилляту и кубовому остатку  рассчитаем, исходя из уравнения материального баланса:

 

,                                           (3.1)                                    

,                                  (3.2)

 

где  G, P, W – производительность колонны соответственно по питанию, дистилляту и кубовому остатку, кг/с;

  , , - массовая доля легколетучего компонента в парах питания, дистиллята и кубового остатка.

Производительность по кубовому остатку  рассчитаем по следующей формуле:

 

,                                        (3.3)

.

 

 

 

 

Производительность по дистилляту:

 

,                                             (3.4)

.

 

Нагрузки по пару и жидкости определяются рабочим флегмовым    числом R.

Минимальное флегмовое число  определяем по формуле:

 

,                                         (3.5)

 

где , - мольные доли легколетучего компонента в питании и дистилляте соответственно;

       - равновесная мольная доля этанолаа в парах питания.

Пересчитаем составы фаз из массовых долей в мольные, используя соотношение:

 

,                                      (3.6)

 

где  - мольная доля этанола;

       - соответствующая массовая доля этанола;

       - мольная масса ацетона, равная 58 г/моль;

       - мольная масса этанола, равная 46 г/моль.

Для питания мольная доля этанола по формуле (3.6):

.

 

 

Для дистиллята мольная доля этанола по формуле (3.6):

 

.

 

Для кубового остатка мольная доля этанола по формуле (3.6):

 

 

.

Из графика равновесия системы  ацетон – этанол, рисунок А.1, определим равновесную концентрацию этанола в парах питания при содержании этого компонента в жидкой фазе (в мольных долях) . Получим .

Рассчитываем минимальное флегмовое  число по формуле (3.5):

 

.

 

Уравнение рабочей линии верхней (укрепляющей) части колонны:

 

,                                      (3.7)

 

Уравнение рабочей линии  нижней (исчерпывающей) части колонны:

 

,                                   (3.8)

 

где  F – относительный мольный расход питания.

 

Относительный мольный  расход питания рассчитываем по формуле:

 

,                                           (3.9)

.

Задавшись различными значениями коэффициентов избытка флегмы , определим соответствующие флегмовые числа. Графическим построением ступеней изменения концентраций между равновесной и рабочими линиями на диаграмме состав пара у – состав жидкости х находим N, рисунок Б.1,Б.2,Б.3,Б.4,Б.5,Б.6. Результаты рабочего флегмового числа представлены в рисуноке В.1 и приведены в таблице 3.1:

 

Таблица 3.1 – Результаты расчета параметров

Коэффициент избытка флегмы	Действительное флегмовое число	Число ступеней изменения концентрации	Значение комплекса
1,10	1,6124	17	44,411
1,221	1,7898	14	39,057
1,39	2,0,375	12	36,45
1,7	2,4919	11	38,411
1,97	2,8877	10	38,877
2,23	3,2688	9	38,419

Минимальное произведение соответствует  флегмовому

числу .

Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости для верхней и нижней частей колонны определяются по формулам:

 

,                                      (3.10)

,                              (3.11)

 

где и - массовый расход по жидкости для верхней и нижней части    колонны соответственно, кг/с;

  и - мольные массы дистиллята и исходной смеси, г/моль;

       и - средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны, г/моль.

Средние мольные массы  жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равны:

 

,                       (3.12)

,                      (3.13)

 

где  и - мольные массы ацетона и этанола, г/моль;

       и - средний мольный состав соответственно в верхней и нижней частях колонны.

Средний мольный состав жидкости в смеси в верхней и нижней частях

можно определить по следующим соотношениям:

 

,                                       (3.14)

.                                      (3.15)

 

Рассчитаем значения и по формулам (3.14-3.15):

 

,

.

 

Рассчитаем средние мольные массы жидкости в верхней и нижней   частях колонны, подставив полученные значения в формулы (3.12-3.13):

 

,

.

 

Мольная масса исходной смеси:

 

,                           (3.16)

.

 

Мольная масса дистиллята:

 

,                            (3.17)

.

 

Рассчитаем средние массовые расходы  по жидкости для верхней и нижней частей колонны по формулам (3.10-3.11):

 

,

.

 

 

Средние массовые расходы по жидкости в верхней и нижней частях колонны вычислим по формулам:

 

,                                    (3.18)

,                                   (3.19)

где  и - средние мольные массы паров в верхней и нижней частях  колонны, г/моль.

Средние мольные массы паров  для верхней и нижней частей колонны  можно рассчитать следующим образом:

 

,                       (3.20)

,                      (3.21)

где  и - средние мольные составы пара в верхней и нижней частях колонны соответственно.

Средние мольные массы паров для верхней и нижней частей колонны можно определить из соотношения: