Расчет ректификационной колонны. 2

Оглавление

 

Аннотация

В данном курсовом проекте  мы ознакомимся с массообменным процессом ректификации, рассмотрим технологическую схему ректификации. Будут проведены расчеты ректификационной тарельчатой колпачковой установки непрерывного действия для разделения бензола и толуола, т.е. определены основные геометрические размеры колонны – диаметр и высота колонны.

Страниц – 33

Рисунков – 12

График – 1

Приложение  – 1

Таблиц – 2

 

 

 

 

The summary

In this course project we will familiarize with the massoobmennym process of rectification, will consider the flowsheet of rectification. The calculations of the rectification tarel'chatoy kolpachkovoy setting of continuous action will be conducted for the division of benzol and toluene, I.e. the basic geometrical sizes of column – diameter and height of column are certain.  

 

1. Ректификация. Принцип работы ректификационных установок

 

В ряде производств  химической, нефтяной, пищевой и  других отраслей промышленности в результате различных технологических процессов  получают смеси жидкостей, которые  необходимо разделить на составные части.

Для разделения смесей жидкостей и сжиженных  газовых смесей в промышленности применяют способы простой перегонки (дистилляции), перегонки под вакуумом и с водяным паром, молекулярной перегонки и ректификации. Ректификацию широко используют в промышленности для полного разделения смесей летучих жидкостей, частично или целиком растворимых одна в другой.

Сущность процесса ректификации сводится к выделению  из смеси двух или в общем случае нескольких жидкостей с различными температурами кипения одной  или нескольких жидкостей в более или менее чистом виде. Это достигается нагреванием и испарением такой смеси с последующим многократным тепло- и массообменом между жидкой и паровой фазами; в результате часть легколетучего компонента переходит из жидкой фазы в паровую, а часть менее летучего компонента—из паровой фазы в жидкую.

Ректификация (от лат. rectificare - очищать, исправлять) – массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаев в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными используемыми в процессе абсорбции. Способ почти полного разделения смеси летучих жидкостей путем взаимодействия пара и жидкости при многократном испарении и конденсации (в результате противоточного взаимодействия паров и жидкой смеси).

Процесс многократной дистилляции  ректификация осуществляется в специальных аппаратах – ректификационных установках, основной частью которых являются ректификационные колонны.

Составные части ректификационной установки:

1. дистиллятор (куб) - имеется только в периодических РУ,
2. ректификационная колонна,
3. дефлегматор,
4. конденсатор,
5. сборник, смотровой фонарь, коммуникации.

Назначение каждого  узла:

1)  Дистиллятор –  перегонный куб, предназначен  для превращения жидкости в  пар, т.е. для перегонки;

2)  Ректификационная колонна – для разделения смеси паров двух и более летучих жидкостей;

3)  Дефлегматор –  холодильник для частичной конденсации  паров, выходящих из РК (ректификационной  колонны). Служит для образования  и поддержания уровня флегмы  на тарелках;

4)  Конденсатор – холодильник для полной конденсации паров, выходящих из РК. В отличие от дефлегматора, конденсатор охлаждается не теплой, а проточной (холодной) водой;

5)  Сборник – емкость  для готовой продукции (цистерны, танки);

6)  Смотровой фонарь  – стеклянный колпак с плавающим внутри спиртомером, показывающим “крепость” получаемого спирта;

7)  Коммуникации –  трубопроводы для пара, жидкостей,  связывающие все узлы в единый  агрегат.

 

 

Принципиальная схема  ректификационной установки:

Рис. 1 Схема ректификационной установки

 

Исходная смесь загружается  в куб 1, где нагревается до температуры  кипения и испарения. Пары проходят через ректификационную колонну 2, взаимодействуя в противотоке с жидкостью, возвращаемой из дефлегматора 3. В дефлегматоре пары конденсируются, и флегма поступает в делитель потока 4. Часть флегмы из делителя потока направляется на орошение ректификационной колонны, а другая часть – дистиллят – проходит через холодильник 5 и направляется в сборники 6.

В ректификационную колонну подаются пары перегоняемой жидкости. Они поднимаются снизу, а в режиме противотока навстречу парам идёт жидкость, сконденсировавшаяся наверху в холодильнике. В случае, если разгоняемый продукт состоит из двух компонентов, конечными продуктами являются дистиллят, выходящий из верхней части колонны и кубовый остаток (менее летучий компонент в жидком виде, вытекающий из нижней части колонны). Ситуация усложняется, если необходимо разделить смесь, состоящую из большого количества фракций.

В настоящее  время применяется большое количество разновидностей ректификационных колонн. Особенности конструкции определяются температурами, при которых происходит разделение, требуемой производительностью и точностью разделения, которая характеризуется количеством эквивалентных тарелок.

Ректификационная колонна  – чаще всего это полый стальной цилиндр (труба) диаметром от 0,1 до 2,5м  и более, высотой от 6 до120м (в зависимости от того, что разгоняют – спирт - вода, нефтепродукты, воздух, продукты синтетической химии и пр.).

Внутри колонна перегорожена тарелками колпачкового, ситчатого  или клапанного типа.

Наиболее распространенными  являются колпачковые тарелки в колоннах; монтируется от 6 до нескольких десятков тарелок.

Тарелка – сплошная перегородка  с одним или несколькими отверстиями (круглыми или тоннельными), воротником, колпаком, сливным патрубком –  стаканом или переливным порогом.

 

 

Рис. 2 Схема работы колпачковой тарелки

Отверстие в тарелке  служит для прохождения паров  снизу вверх.

Воротник (поднятые края отверстия) служит для предотвращения слива жидкости-флегмы через отверстие  вниз.

Колпачок направляет пар в толщу флегмы. Чтобы увеличить  поверхность контакта пара с флегмой в нижней (утопленной во флегму) части, колпачок имеет много отверстий или щелей, рассекающих поток пара на тонкие струйки.

Сливной патрубок (или  переливной порог) регулирует толщину  жидкости на тарелке, т.е. автоматически  поддерживает постоянный уровень флегмы, лишняя жидкость, полученная в результате конденсации паров, сливается на нижнюю тарелку, а с нее на следующую, и т.д. вплоть до дистиллятора – куба.

Вместо периодически действующих установок рациональнее применять непрерывно действующие. Схема такой установки представлена на рисунке 3.

В ее состав входят ректификационная колонна, теплообменник, дефлегматор, змеевиковый холодильник, сборник  для готового продукта.

 

Рис. 3 Принципиальная схема ректификационной установки

 

Исходную смесь из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подают в теплообменник 3, где они подогреваются 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. обеднен легколетучем компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучем компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкость (флегмой) состава x_p, получаемой в дефлегматоре 6 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения конденсата, которая 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 бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента) и кубовый остаток (обогащенный труднолетучем компонентом).

Непрерывно действующая  ректификационная установка оснащается необходимыми контрольно-измерительными и регулирующими приборами, позволяющими автоматизировать их работу и проводить процесс с помощью программного управления в оптимальных условиях.

Питание ректификационной колонны флегмой может осуществляться и другими способами – дефлегматор монтируют непосредственно над ректификационным аппаратом, и осуществляют частичную конденсацию выходящих паров и возврат конденсата в укрепляющую часть колонны. Часть же паров идет дальше в холодильник и далее из него – в сборник.

Во втором случае выходящие  пары полностью конденсируются в  конденсаторе, и весь конденсат собирается в сборнике. Часть дистиллята с помощью насоса направляется в укрепляющую часть колонны. Остальное количество идет в сборник либо на дальнейшую переработку, либо в емкости готового продукта.

2. Задание на проектирование

Рассчитать ректификационную колонн непрерывного действия для разделения бинарной смеси бензол-толуол, если производительность по исходной смеси F = 1,5 кг/с; содержание низкокипящего компонента (% , мол) в исходной смеси x_F = 30, в дисстиляте x_P = 98, в кубовом остатке x_W = 35; давление в паровом пространстве дефлегматора P = 0,3 МПа. Колонна работает под атмосферным давлением, низкокипящий компонент имеет температуру 25°С и перед подачей в колонну подогревается до температуры кипения. Продукты разделения охлаждаются до температуры 20°С, начальная температура охлаждающей воды 15°С.

3. Модель расчета

Расчет ректификационной колонны сводится к определению  ее основных геометрических размеров – диаметра и высоты. Оба параметра в значительной мере определяются гидродинамическим напором работы колонны, который, в свою очередь, зависит от скоростей и физических свойств фаз, а также от типа и размеров насадок.

Большое разнообразие тарельчатых  контактных устройств затрудняет выбор  оптимальной конструкции тарелки. При этом наряду с общими требованиями (высокая интенсивность единицы объема 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 контактных устройств (тарелки), физическими свойствами взаимодействующих фаз.

 

1. Пересчет массовых процентов в молярные

,

 

где  М_Б – молярная масса бензола, кг/кмоль, (C₆H₆), М_Б = 78 кг/кмоль

М_Т – молярная масса толуола, кг/кмоль, (C₆H₅CH₃), М_Т = 92 кг/кмоль

x_F – мольная доля компонента в исходной смеси, кмоль/кмоль смеси

x_P - мольная доля компонента в дисстиляте, кмоль/кмоль смеси

x_W – мольная доля компонента в кубовом остатке, кмоль/кмоль смеси

 

2. Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число

Производительность колонны  по дистилляту P и кубовому остатку W определим из уравнения материального баланса колонны:

F = P + W (4)

Откуда находим:

,

где F – производительность по исходной смеси, кг/с

a_F – массовая доля компонента в исходной смеси, кг/кг смеси

a_P – массовая доля компонента в дистилляте, кг/кг смеси

a_W – массовая доля компонента в кубовом остатке, кг/кг смеси

 

P = F – W (7)

Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются рабочим флегмовым числом R; его оптимальное значение R_опт можно найти путем технико-экономического расчета. Ввиду отсутствия надежной методики оценки R_опт используют приближенные вычисления, основанные на определении коэффициента избытка флегмы (орошения):

,

где R_min – минимальное флегмовое число

,

где x_F и x_P – мольные доли легколетучего компонента соответственно в исходной смеси и дистилляте, кмоль/ кмоль смеси

- концентрация легколетучего  компонента в паре, находящемся  в равновесии с исходной смесью, кмоль/кмоль смеси.

Одним из возможных приближенных методов расчета R заключается в нахождении такого флегмого числа, которому соответствует минимальное произведении N(R+1), пропорциональное объему ректификационной колонны (N – число ступеней изменения концентрации или теоретических тарелок, определяющее высоту колонны, а R+1 – расход паров и, следовательно, сечение колонны).

Задавшись различными значениями коэффициента избытка флегмы β, определим соответствующие флегмовые числа. Графическим построение ступеней изменения концентраций между равновесной и рабочими линиями на диаграмме состав пара y – состав жидкости x (рис.4) находим N.

 

Рис.4.Диаграмма равновесия между паром и

 жидкостью при постоянном  давлении

 

Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости для верхней и нижней частей  колонны определяют из соотношения:

 

Где  P – производительность колонны по дистилляту, кг/с

R – рабочее флегмовое число

M_p и M_F – мольные массы дистиллята и исходной смеси, кг/кмоль

М_В и М_Н – средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны, кг/кмоль

Мольную массу дистиллята в данном случае можно принять  равной мольной массе легколетучего  компонента – бензола. Средние мольные  массы жидкости в верхней и  нижней частях колонны соответственно равны:

Где  М_Б и М_Т – мольные массы бензола и толуола, кг/кмоль

х_ср.в. и х_ср.н. – средний мольный состав соответственно в верхней и нижней частях колонны, кмоль/кмоль смеси

Мольная масса исходной смеси:

Где  x_F – мольная доля компонента в исходной смеси, кмоль/кмоль смеси

x_P - мольная доля компонента в дисстиляте, кмоль/кмоль смеси

x_W – мольная доля компонента в кубовом остатке, кмоль/кмоль смеси

Средние массовые потоки пара в верхней G_В и нижней G_Н колонны соответственно равны:

 

Где  P – производительность колонны по дистилляту, кг/с

R – рабочее флегмовое число

M_P – мольная масса дистиллята, кг/кмоль

 и  - средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны, кг/кмоль

Где

Значения y_F находим по рис.5:

 

Рис. 5. Изображение  рабочих линий в диаграмме y – x

 

3. Скорость пара и диаметр колонны

Расчет скорости пара в колонне с колпачковыми тарелками:

 

Где  d_K – диаметр колпачка, d_K = 3,5 м

h_K – расстояние от верхнего края колпачка до вышерасположенной тарелки, h_K = 1,5 м

ρ_х и ρ_у – средние плотности жидкости и пара, кг/м³

Поскольку отношение L/G и физические свойства фаз в верхней и нижней частях колонны различны, определим скорости захлебывания для каждой части отдельно.

Найдем плотности жидкости ρ_х,В, ρ_х,Н и пара ρ_у,В, ρ_у,Н в верхней и нижней частях колонны при средних температурах в них t_B и t_H.. Средние температуры паров определим по диаграмме t – x, y (рис.6) по средним составам фаз.

 

Рис. 6. Диаграмма равновесия между паром и жидкостью при постоянном давлении в координатах температура – состав пара и жидкости

Плотности жидких бензола  и толуола близки, поэтому можно  принять 

ρ_х,В = ρ_х,Н = ρ_х = 796 кг/м³.

Ориентировочный диаметр колонны определяют из уравнения расхода:

Как правило, несмотря на разницу в рассчитанных диаметрах  укрепляющей и исчерпывающей  частей колонны (в следствии различных  скоростей и расходов паров), изготовляют  колонну единого диаметра, равного  большему из рассчитанных.

В данном случае скорости и мало отличаются друг от друга, используют в расчете среднюю скорость паров:

Принимаем средний массовый поток пара в колонне G равным полусумме G_B и G_H:

Средняя плотность паров:

 

4. Высота колонны

Число действительных тарелок  в колонне может быть определено графоаналитическим методом (построением  кинетической линии). Для этого необходимо рассчитать общую эффективность  массопередачи на тарелке (к.п.д. по Мэрфи). Эффективность тарелки по Мэрфи E_My с учетом продольного перемешивания, межтарельчатого уноса и доли байпасирующей жидкости приближенно определяется следующими уравнениями:

Где - фактор массопередачи для укрепляющей части колонны

- фактор массопередачи для  исчерпывающей части колонны

E_y – локальная эффективность по пару

е – межтарельчатый унос жидкости, кг жидкости/кг пара

θ – доля байпасирующей жидкости, θ = 0,1

S – число ячеек полного перемешивания

 m – коэффициент распределения компонентов по фазам в условиях равновесия.

Локальная эффективность Е_у связана с общим числом единиц переноса по паровой фазе на тарелке n_o,y следующим соотношением:

K_yf – в кмоль/(м²·с)

M’ – средняя мольная масса паров, кг/кмоль

В настоящее время  нет достаточно надежных данных для  определения поверхности контакта фаз, особенно эффективной поверхности массопередачи при барботаже на тарелках. Поэтому обычно в расчетах тарельчатых колонн используют коэффициенты массопередачи, отнесенные к единице рабочей площади тарелки (K_yf). Коэффициент K_yf определяют по уравнению аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений:

где β_xf и β_yf – коэффициенты массоотдачи, отнесенные к единице рабочей площади тарелки соответственно для жидкой и паровой фаз, кмоль/(м²·с).

В литературе приводится ряд зависимостей для определения коэффициентов массоотдачи на тарелках различной конструкции. Однако большинство их получено путем обобщения экспериментальных данных по абсорбции и десорбции газов и испарению жидкостей в газовый поток. В ряде работ показано, что с достаточной степенью приближения эти данные можно использовать для определения систем, для которых мольные теплоты испарения компонентов приблизительно равны. В частности, для терелок барботажного типа рекомендуются обобщенные критериальные уравнения, которые приводятся к удобному для расчетов вида:

U – плотность орошения, м³/(м²·с)

D_x и D_y – коэффициент диффузии в жидкости и паре

ε – паросодержание барботажного слоя

F_C – относительная площадь для прохода паров

h₀ – высота барботажного слоя, м

μ_x и μ_у – вязкость в мПа

По этим уравнениям получают удовлетворительные результаты для  расчета нейтральных и положительных  бинарных смесей. Для отрицательных  смесей необходимо учитывать поверхностную  конвекцию.

Анализ результатов  расчетов показал, что коэффициенты массоотдачи для колпачковых тарелок, определяемые по уравнениям (39) и (40), оказываются завышенными. Это объясняется тем, что величина h₀, рассчитываемая по уравнению (41), включает полный запас жидкости на тарелке, значительная доля которой не учавствует в образовании поверхности контакта фаз, в то время как h₀ в уравнениях (39) и (40) отражает влияние этой поверхности на коэффициенты массоотдачи.

 

5. Высота светлого слоя жидкости на тарелке и паросодержание барботажного слоя

Для колпачковых тарелок высоту барботажного слоя находят:

где h_пер – высота переливной перегородки, h_пер = 0,035 –0,04 м

q – линейная плотность орошения, м³/(м∙с)

Q – объемный расход жидкости, м³/с

L_c – периметр слива (ширина переливной перегородки), L_c = 0,003 – 0,005 м

Паросодержание барботажного слоя находят по формуле:

где Fr – критерий Фруда

 

6. Коэффициенты массопередачи и высота колонны

Коэффициент диффузии в жидкости D_x при средней температуре t (в ºС) равен:

Коэффициент диффузии в  жидкости D_x20 при 20ºС можно вычислить по приближенной формуле:

где А, В – коэффициенты, зависящие от свойств растворенного вещества и растворителя

υ_Б и υ_Т – мольные объемы компонентов в жидком состоянии при температурах кипения, см³/моль

μ_x – вязкость жидкости при 20ºС, мПа·с

Температурный коэффициент b определяют по формуле:

Коэффициент диффузии в паровой фазе может быть вычислен по уравнению:

Т – средняя температура в соответсвующей части колонны, К

Р – абсолютное давление в колонне, Па

Подставим полученные значения в формулы (39) и (40), пересчитаем полученные коэффициенты массоотдачи на кмоль/(м²·с):

Коэффициенты массоотдачи, рассчитанные по средним значениям  скоростей и физических свойств  паровой и жидкой фаз, постоянны  для для верхней и нижней частей колонны. В то же время коэффициент массопередачи – величина переменная, зависящая от кривизны линии равновесия, т.е. от коэффициента распределения.

Для определения эффективности  по Мэрфри Е_Му необходимо рассчитать фактор макссопередачи λ, долю байпасирующей жидкости θ, число ячеек полного перемешивания S и межтарельчатый унос е.

Фактор массопередачи  рассчитывается по уравнению (34).

Долю байпасирующей  жидкости θ можно принять равной 0,1.

Для колонн диаметром  более 600 мм с ситчатыми, колпачковыми и клапанными тарелками отсутствуют надежные данные по продольному перемешиванию жидкости, поэтому достаточной степенью приближения можно считать, что одна ячейка перемешивания соответствует длине пути жидкости l = 300 – 400 мм.

Определим число ячеек  полного перемешивания S как отношение длины пути жидкости на тарелке l₁ к длине l. Определим длину пути жидкости l₁, какрасстояние между переливными устройствами:

Тогда число ячеек  полного перемешивания на тарелке:

Относительный унос жидкостей е в тарельчатых колоннах определяется в основном скоростью пара, высотой сепарационного пространства и физических свойств жидкости и пара. В настоящее время нет надежных зависимостей, учитывающих влияние физических свойств потоков на унос, особенно для процессов ректификации. Для этих процессов унос можно оценить с помощью графических данных, представленных на рис. 7. По этим данным унос на тарелках различных конструкций является функцией комплекса . Коэффициент т, учитывающий влияние на унос физических свойств жидкости и пара, определяется по уравнению:

Высота сепарационного пространства Н_С равна расстоянию между верхним уровнем барботажного слоя и плоскостью тарелки, расположенной выше:

H_C = H - h_п     (56)

Где Н – межтарельчатое расстояние, м

h_п –высота барботажного слоя (пены), м

Рис. 7. Зависимость относительного уноса жидкости е от ее комплекса

для тарелок различных конструкции. 1 – колпачковой, 2 – ситчатой, 3 – провальной решетчатой, 4 – клапанной балластовой.

 

Зная эффективность  по Мэрфри, можно определить концентрацию легколетучего компонента в паре на выходе из тарелки y_k, по соотношению:

где y_k и y* - концентрации соответственно легколетучего компонента в паре и на входе в тарелку и равновесная концентрация с жидкостью на тарелке.

Взяв значения x и y_k наносят на диаграмму x – y точки, по которым проводят кинетическую линию (рис. 8):