Проектирование ректификационной колонны

 

1 Определение ректификации

 

Ректификация - массообменный процесс, применяемый для разделения жидких и паро- или газообразных смесей, компоненты которых различаются по температурам кипения. Ректификация - наиболее полное разделение смесей жидкостей, целиком или частично растворимых друг в друге. Процесс заключается в многократном взаимодействии паров с жидкостью - флегмой, полученной при частичной конденсации паров. Процесс ректификации осуществляется при контактировании потоков пара или газа и жидкости, которые имеют разные составы и температуры: пар (газ) имеет более высокую температуру, чем вступающая с ним в контакт жидкость. Движущими силами процесса ректификации являются разности составов и температур контактирующих потоков пара или газа и жидкости. При достаточной продолжительности контакта пар и жидкость могут достичь состояния равновесия, при котором температуры потоков станут одинаковыми; при этом их составы будут связаны уравнениями равновесия. Составы встречных (но не вступивших в контакт) потоков пара и жидкости связаны уравнениями рабочих линий. Такой схеме контактирования потоков пара и жидкости соответствует понятие «теоретической тарелки», или «теоретической ступени контакта».

Процесс ректификации осуществляется в ректификационных тарельчатых  или насадочных аппаратах колонного  типа. Для создания разности температур потоков в нижнюю часть колонны  подводят тепло, а из ее верхней части  тепло отводят.

В реальных условиях ректификационной колонны равновесие уходящих из контактной зоны потоков пара и жидкости может  не достигаться, в связи с чем  эти потоки будут иметь разные температуры, а их составы определяться не только уравнениями равновесия, но и более сложными зависимостями.

Верхняя часть колонны, служащая для выделения низкокипящих компонентов, называется концентрационной или укрепляющей, а нижняя часть, в которой выделяются высококипящие компоненты, называется исчерпывающей, или отгонной. Между этими частями колонны находится место ввода сырья - секция питания или эвапорационное пространство.

Основными рабочими параметрами  процесса ректификации являются давление и температура в системе, соотношение потоков жидкости и пара (флегмовое число), число контактных ступеней. При соответствующем выборе параметров обеспечивается разделение исходной смеси на компоненты (фракции), удовлетворяющие определенным требованиям.

 

 

 

2 Проектирование ректификационной колонны

 

2.1 Задание

Спроектировать  ректификационную колонну для разделения смеси уксусная кислота – бензол при следующих исходных данных: производительность – 9600 кг/ч, содержание легколетучего компонента: куб – 12%, исход. – 70%, дистил. – 96 %, температура исходной смеси – 50 ^оС, давление в колонне – 1 атм., колонна тарельчатая.

Смесь для ректификации: хлороформ (СН₃СOOH) и бензол (C₆H₆).

куб.	исход.		дистил.
масс %
12	70	96

 

 

 

 

 

Равновесие в системе  пар – жидкость при давлении 760 мм. рт. ст.:

Уксусная кислота  - бензол

Xук.	Yук.	t
Моль   %		0С
0	0	118,7
5	26	111,4
10	42	105,8
20	59	99,0
30	68,6	94
40	75	90,3
50	79	88
60	83	85,7
70	88	83,5
80	92,5	82
90	97	80,8
100	100	80,2

 

 

2.2 Материальный баланс

 

Обозначим весовой расход дистиллята через G_D [кг/ч], расход кубового остатка G_W  [кг/ч] и расход исходной смеси G_F [кг/ч]. Массовый расход дистиллята G_D и кубового остатка G_W определяем из уравнения материального баланса колонны по низкокипящему компоненту (по уксусной кислоте):

        

Проверяем:

              

Для дальнейших расчетов необходимо концентрации питания, дистиллята и  кубового остатка выразить в молярных долях. Посчитаем молярные массы  веществ участников реакции:

М(CH₃COOH)=60,05 г/моль                  M(C₆H₆)=78 г/моль

   

 

 

Питание: 

Дистиллят:

Кубовый остаток: 

Относительный мольный расход питания:

       

Определим минимальное число  флегмы:

 

y^*=0,91

     

где  - мольная доля уксусной кислоты в паре, равновесном с жидкостью питания, определяется по диаграмме y^*-x

Рабочее число флегмы: R = 1,3·R_min + 0,3;  R = 1,3·0,373+ 0,3= 0,7849

Уравнение рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части  колонны:

   

у = 0,4397

+ 0,5428

б) нижней (исчерпывающей) части  колонны:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3 Определение скорости пара и диаметра колонны

 

Средние составы пара:

а) в верхней части колонны:

;   

б) в нижней части колонны:

   

Средние составы пара находим  по уравнениям рабочих линий:

а) в верхней части колонны:

= 0,665 + 0,314 = 0,665∙0,8605+0,314= 0,886

б) в нижней части колонны:

= 1,215 - 0,017 = 1,215 ·0,4513 – 0,017 = 0,531

Средние температуры пара определяем по диаграмме t-y,x:

 

а) при  = 0,886  = 102 ºС,

б) при  = 0,531     =  85 ºС. 

Средние мольные массы  и плотности пара:

а) = ∙М_ук+(1- )∙М_б = 0,886·60,05 + (1-0,886) ·78 = 62,1 кг/кмоль

б) = ∙М_ук+(1- )∙М_б = 0,531·60,05+ (1-0,531)·78 =68,47 кг/кмоль

 

Средняя плотность пара в  колонне:

Температура вверху колонны  при  х_D = 0,969  t = 102,6 ºС, а в кубе–испарителе при x_W = 0,1506  t = 81,6º С. Плотность уксусной кислоты при t = 102,6 ºС p_х=953,3 кг/м³, а бензола при t = 81.6 ºС - p_б = 813,2 кг/м³.

Средняя плотность жидкости:

 

Расстояние между тарелками  h=300мм.

Определим скорость пара в  колонне по следующему уравнению:

     м/с

Объемный расход, проходящего  через колонну пара при средней  температуре в колонне:

;   ⁰C

;

М_D=

кг/кмоль

 м³/с

Диаметр колонны:

      м

По каталогу-справочнику  принимаем D = 2000 мм

Тогда скорость пара в колонне  будет равна:

;   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.4 Гидравлический расчет тарелок

 

Принимаем следующие значения ситчатой тарелки: диаметр отверстия  d₀= 4 мм, высота сливной перегородки h_п = 40 мм, свободное сечение тарелки (суммарная площадь отверстий) 8% от общей площади тарелки. Площадь, занимаемая двумя сегментными переливными стаканами, составляет 20% от общей площади тарелки.

Рассчитаем гидравлическое сопротивление тарелки в верхней  и нижней части колонны:

Сопротивление пароожиженного слоя на тарелке:

а) Верхняя часть колонны.

Гидравлическое сопротивление  сухой тарелки:

- коэффициент сопротивления  тарелок со свободным сечением 8%; ω₀ = 0,53/0,08 = 7,125 м/с – скорость пара в отверстиях тарелки.

Сопротивление, обусловленное  силами поверхностного натяжения:

где σ = 19,1·10^-3 Н/м – поверхностное натяжение жидкости при средней температуре в верхней части колонны 102^оС (у уксусной кислоты и бензола практически одинаковое поверхностное натяжение); d₀=0,004 м – диаметр отверстий тарелки.

Сопротивление парожидкостного  слоя на тарелке:

 

Сопротивление, обусловленное  силами поверхностного натяжения:

Объемный расход жидкости в верхней части колонны:

Периметр сливной перегородки  П находим решая систему уравнений:

где R =1,0 м – радиус тарелки; – приближённое значение площади сегмента.

Решение даёт: П = 1,47 м; b = 0,32 м. Находим Δh: 

Высота парожидкостного  слоя:

Общее гидравлическое сопротивление  тарелки в верхней части:

б) Нижняя часть колонны.

Гидравлическое сопротивление  сухой тарелки:

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

при 85°С     σ= 21·10^-3 Н/м

Сопротивление пароожиженного слоя на тарелке:

где – средняя мольная масса жидкости, кг/кмоль V_ж – объёмный расход жидкости, м³/с; П – периметр сливной перегородки, м; k = ρ_пж/ρ_ж – отношение плотности парожидкостного слоя (пены) к плотности жидкости, принимаем приближённо равным 0,5.

Общее гидравлическое сопротивление  тарелки в верхней части:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.5 Определение числа тарелок и высоты колонны

 

 

Находим число ступеней изменения концентрации в верхней части колонны , в нижней части , всего 15 ступеней.

При средней температуре в колонне 93,5 °С давление насыщенного пара уксусной кислоты Р_ук = 300 мм. рт. ст., а бензола Р_б = 1150 мм. рт. ст.

Тогда компонент относительной  летучести компонентов:

Динамическая вязкость уксусной кислоты при 93,5 °С , бензола .

 

 

Принимаем динамическую вязкость смеси исходного состава как  среднее арифметическое значение:

Тогда 

Тогда по таблице находим  .

Длина пути, проходимого  жидкостью по тарелке: ,

      где b = 0,32

По значению длины пути находим значение поправки на длину  пути. Так как она очень мала, то ею можно пренебречь.

Средний КПД тарелок определяется по уравнению:

Для сравнения рассчитывают средний КПД тарелки  по критериальной формуле:

,

где

Коэффициент диффузии легколетучего  компонента в исходной смеси:

 

, 

,  

Молекулярный объем диффундирующего  вещества равен:

Средний КПД тарелки:

Число тарелок определяется по наименьшему благоприятному значению :

      а) в верхней части колонны:

                        7 + 2 = 9

_{в) в  нижней части колонны:}

                        19 + 2 = 21

Общее число тарелок n = 26. С запасом принимаем 30 тарелок, из них 9 тарелок в верхней части и 21 в нижней.

Высота тарельчатой части  колонны:

Общее гидравлическое сопротивление  тарелок:

 

2.6 Тепловой расчет

 

Тепловой поток, отдаваемый охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе:

Здесь ,

где r_б,r_у- удельная теплота конденсации CH₃COOH и C₆H₆.

Тепловой поток, получаемый в кубе-испарителе от греющего пара:

 

Здесь тепловые потери Q_пот приняты в размере 3%

Тепловой поток в паровом  подогревателе исходной смеси:

Здесь тепловые потери Q_пот приняты в размере 5%, удельная теплоемкость смеси ^ккал/_кг·К  взята при средней температуре                

Тепловой поток, отдаваемый охлаждающей воде в холодильнике дистиллята:

где удельная теплоемкость дистиллята взята при средней температуре:

Тепловой поток, отдаваемый охлаждающей воде в холодильнике кубового остатка:

          ,

где удельная теплоемкость кубового остатка  взята при средней температуре: 

Расход греющего пара, имеющего давление p_абс=4 Па и влажности 5%:

а) в кубе-испарителе:

 

б) в подогревателе исходной смеси:

 

Общий расход греющего пара на установку

Расход охлаждающей воды при нагреве ее на 20 ⁰С

а) в дефлегматоре

 

 

б) в водяном холодильнике дистиллята

в) в водяном холодильнике кубового остатка

Общий расход охлаждающей воды на всю установку 

 

 

 

 

 

2.7 Схема непрерывно действующей ректификационной установки

 

 

Рис.1 – Схема ректификационной установки.

 

1- емкость для исходной  смеси; 2 - насос; 3 - подогреватель; 4 –  кипятильник; 5 - ректификационная колонна; 6 - дефлегматор; 7 - холодильник дистиллята; 8 - сборник дистиллята; 9 - насос; 10 - холодильник; 11 - сборник кубового остатка.

Исходная смесь из промежуточной  емкости 1 центробежным насосом 2 подается в теплообменник 3, где подогревается  до температуры кипения. Нагретая смесь  поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где  состав жидкости равен составу исходной смеси Х_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 Х_W, то есть, обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью парообогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения  верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкости (флегмы), состава Х_D, которая получается дефлегматоре 6 путем 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, обогащенный  труднолетучим компонентом, который  охлаждается в теплообменнике 10 и направляется в емкость 11.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный  неравновесный процесс разделения исходной смеси на дистиллят с  высоким содержанием легколетучего  компонента и кубовый остаток, обогащенный  труднолетучим компонентом [1].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы:

 

1. Дытнерский Ю.И., Борисов  Г.С., Брыков В.П. “Основные процессы  и аппараты химической технологии”  пособие по проектированию М:  Химия 1991 - 496 с.

2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. “Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии”. Л: Химия 1987 - 576 с.

3. Волжинский А.И., Марков А.В. “Ректификация: колонные аппараты с ситчатыми тарелками”. Учебное пособие СПбГТУ 2006.

4. Волжинский А.И., Флисюк О.М. “Определение средних физических величин, потоков пара и жидкости”. Метод. указания СПбГТУ 2001.

5. Волжинский А.И., Константинов В.А. “Ректификация. Справочные данные по равновесию пар-жидкость”. Метод. указания СПбГТУ 2003.

6. Нестеров А.В., Озерова Н.В. “Курсовое проектирование по процессам и аппаратам химической технологии” Краткие справочные данные. Метод. указания ЛТИ им. Ленсовета 1989.