Расчет ректификационной колонны. 6

Содержание

Введение 3

1. Технологическая схема и ее описание 4

2. Технологический расчет 5

2.1. Расчет материального баланса 5

2.2. Диаграмма равновесия y-x и рабочие линии 5

2.3. Число теоретических тарелок. Оптимальное флегмовое число 7

3. Расчет насадочной ректификационной колонны непрерывного действия 11

3.1. Диаметр колонны 11

3.2. Расчет высоты слоя насадки с учетом числа единиц переноса 17

3.2.1. Расчет высоты насадки верхней части колонны 18

3.2.2. Расчет высоты насадки нижней части колонны 22

4. Потеря давления в насадочной колонне 24

5. Тепловой баланс колонны ректификационной колонны 26

5.1. Количество тепла, отдаваемое охлаждающей воде в дефлегматоре 26

5.2. Расход тепла, получаемого в кубе-испарителе от греющего пара 26

5.3. Расход тепла в паровом подогревателе смеси 27

5.4. Общий расход тепла 27

5.5. Расход греющего пара в кубе 27

5.6. Расход воды 27

Заключение 29

Список литературы 30

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Ректификация - массообменный процесс разделения однородной смеси летучих компонентов, осуществляемый путем противоточного многократного взаимодействия паров, образующихся при перегонке, с жидкостью, образующейся при конденсации этих паров.

Разделение  жидкой смеси основано на различной  летучести веществ. При ректификации исходная смесь делится на две  части: дистиллят - смесь, обогащенную  низкокипящим компонентом, и кубовый  остаток - смесь, обогащенную высококипящим  компонентом.

Процесс ректификации осуществляется в ректификационной установке, основным аппаратом которой является ректификационная колонна, в которой пары перегоняемой жидкости поднимаются снизу, а навстречу парам стекает жидкость, подаваемая в виде флегмы в верхнюю часть аппарата.

Процесс ректификации может протекать при атмосферном  давлении, а также при давлениях  выше или ниже атмосферного. Под  вакуумом ректификацию проводят, когда  разделению подлежат высококипящие  жидкие смеси. Повышенное давление применяют  для разделения смесей, находящихся  в газообразном состоянии при  более низком давлении. Атмосферное  давление принимают при разделении смесей, имеющих температуру кипения от 30 до 150^°С.

Степень разделения смеси жидкостей на составляющие компоненты и чистота получаемого  дистиллята и кубового остатка зависят  от того, насколько развита поверхность  контакта фаз, от количества подаваемой на орошение флегмы и устройства ректификационной колонны.

В промышленности применяют тарельчатые, насадочные, пленочные трубчатые и центробежные пленочные аппараты. Они различаются  в основном конструкцией внутреннего  устройства аппарата.

 

1. Технологическая схема и ее  описание

 

Рис. 1 - Принципиальная схема ректификационной установки

1 – емкость для исходной смеси; 2 – подогреватель; 3 – колонна;

4 – кипятильник; 5 – дефлегматор; 6 – делитель флегмы; 7 – холодильник; 8 – сборник дистиллята; 9 – сборник кубового остатка.

Исходную  смесь из емкости 1 центробежным насосом подают в теплообменник 2, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 3, 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. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава х_p, получаемой в дефлегматоре 5 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 емкость 8. Из кубовой части колонны насосом непрерывно выводится кубовая жидкость – продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в емкость 9.

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

 

 

2. Технологический расчет

2.1. Расчет материального баланса

Уравнение материального баланса

Так как

то

2.2. Диаграмма равновесия y-x и рабочие линии

3.2.1. Пересчет состава фаз из массовых долей в мольные

где - молекулярная масса уксусной кислоты ( )

       - молекулярная масса воды

2.2.2. Концентрация легколетучего компонента в паровой фазе

Исходные данные введем в табл. 1:

Табл. 1 – Равновесные составы жидкости и пара для системы вода – уксусная кислота при П_абс=700 мм рт. ст.

 

t, 0С	% (мол.) воды
	В жидкости	В паре
118,1	0	0
115,4	5	9,2
113,8	10	16,7
110,1	20	30,2
107,5	30	42,5
105,8	40	53,0
104,4	50	62,6
103,2	60	71,6
102,1	70	79,5
101,3	80	86,4
100,6	90	93,0
100,0	100	100

 

По данным табл. 1 построим диаграмму  равновесия x,y:

Рис. 2 – Диаграмма равновесия между паром (у) и жидкостью (х) при постоянном давлении

Из рис. 2:

По данным таблицы 1 строим диаграмму t-x,y, рис. 3, которую используют для определения температур кипения потоков и равновесного состава жидкости и пара для разделяемой смеси вода – уксусная кислота, табл. 2.

Табл. 2 – Равновесные  составы жидкости и пара для смеси  вода – уксусная кислота, соответствующие  рис. 3

 

Температура кипения, 0С	Массовые доля уксусной кислоты		Мольная доля бензола
	в жидкости	в паре	в жидкости	в паре
105
101
110,1

 

Рис. 3 - Диаграмма  t-x,y , для смеси вода – уксусная кислота

2.3. Число теоретических тарелок. Оптимальное флегмовое число

2.3.1. Минимальное флегмовое число

 

2.3.2. Действительные флегмовые числа R

,

где β – коэффициент избытка  флегмы (β=1,1; 1,3; 1,5; 1,7; 2,0 и т.д.)

Задавая значения коэффициента избытки  флегмы β, вычисляем соответствующие  действительные флегмовые числа  R. На диаграммах отложим значения В, затем построим рабочие линии укрепляющей и исчерпывающей части колонны и нанесем линии обозначающие теоретические тарелки. По количеству пиков, определим число теоретических тарелок

Табл. 3 – Значения величин

, , и

β
1,0	2,9571	0,2400	17,0	67,2707
1,1	3,2528	0,2200	12,8	54,4359
1,3	3,8442	0,1960	11,3	54,7400
1,5	4,4356	0,1747	11,0	48,7900
1,7	5,0271	0,1576	11,0	66,2977

где – минимальное произведение, пропорциональное объему ректификационной колонны ( – число ступеней изменения концентраций или теоретических тарелок, а – расход паров).

 

Рис. 4 - Диаграмма равновесия между паром (х) и жидкостью (у) при флегмовом числе R₁=2,9571

 

 

 

Рис. 5 - Диаграмма равновесия между паром (х) и жидкостью (у) при флегмовом числе R₂=3,2528

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 6 - Диаграмма равновесия между паром (х) и жидкостью (у) при флегмовом числе R₃=3,8442

 

 

 

 

Рис. 7 - Диаграмма равновесия между паром (х) и жидкостью (у) при флегмовом числе R₄=4,4356

 

 

 

 

 

Рис. 8 - Диаграмма  равновесия между паром (х) и жидкостью (у) при флегмовом числе R₅=5,0271

 

По данным табл. 3 построим график зависимости:

Рис. 9 – График зависимости

от R

 

Из рис. 8 находим, что R=4,4356

 

 

 

 

3. Расчет насадочной ректификационной колонны непрерывного действия

Конструктивный расчет насадочных колонн ведут с определения диаметра колонны, высоты насадки, габаритной высоты колонны и гидравлических потерь в ней.

3.1. Диаметр колонны

Диаметр колонны  рассчитывается в зависимости от количества и скорости поднимающегося пара. Скорость пара рассчитывается по точке начала эмульгирования.

3.1.1. Расчет диаметра верхней части колонны

Среднее количество поднимающегося пара:

где - количество пара, поднимающегося в нижние слои насадки верхней части колонны; - количество пара, уходящего из верхнего слоя насадки.

_{Молекулярная  масса пара, уходящего  в дефлегматор:}

_или

_{Количества  жидкости , пара , а также содержание легколетучего компонента в паре вверху колонны находят из системы уравнений материального и теплового балансов верхней части колонны:}

_{где - скрытая теплота парообразования смеси на первой тарелке верхней части колонны; - скрытая теплота парообразования смеси на верхней тарелке верхней части колонны.}

_{Теплоту парообразования  смеси определяют по правилу аддитивности:}

_{Теплоты парообразования  уксусной кислоты  и воды при их температурах кипения.}

 или 

 или 

_Тогда

_Откуда 

, ,

_{Молекулярная  масса пара, поступающего на первую тарелку  M1, а также исходной смеси MF , находят по уравнениям:}

_Тогда

_{и среднее количество пара, поднимающегося по верхней части  колонны, равно:}

 

_{Диаметр колонны  вычисляется по формуле:}

_{где - средняя плотность пара; - рабочая скорость пара.}

_{Средняя плотность  пара}

_{где - средний объем пара, который рассчитывается по формуле:}

  _{- температура пара, соответствующая среднему содержанию легколетучего компонента в паре в верхней части колонны . Значение определяем из диаграммы t-x,y, рис. 3.}

_{Тогда согласно табл. 1}

_{Оптимальную скорость пара, соответствующую  началу эмульгирования, определяем по формуле:}

_{где -оптимальная скорость пара, отнесенная к полному сечению колонны, м/с; - удельная поверхность насадки, м²/м³; - свободный объем насадки, м³/м³; - плотность пара и жидкости, кг/м³; - динамический коэффициент вязкости жидкости при средних условиях, сП; А=-0,125 – постоянная для паро-жидкостных смесей; - масса жидкости и пара, кг/ч; - ускорение свободного падения, м/с².}

_{Выбираем  насадку в виде керамических колец  размером  . Ее характеристики: свободный объем  , удельная поверхность .}

_{Динамический  коэффициент вязкости жидкости при среднем содержании уксусной кислоты и воды и по формуле:}

_{при этом}

_При   

_{Средняя плотность жидкости}

_где

_{- средняя массовая  доля воды и  уксусной кислоты.}

_{При ,}

_{Мольные доли пересчитываем  в массовые:}

 

_{Рассчитаем  оптимальную скорость пара:}

_Откуда 

_{Диаметр верхней части  колонны:}

_{По  нормалям принимаем  диаметр верхней  части колонны  . Обратным расчетом определяем действительную скорость пара в ней:}

 

3.1.2. Расчет диаметра нижней части колонны

  или  

_, 

_{Количество  пара , уходящего в верхнего слоя насадки нижней части колонны, равно количеству пара, поступающего на первую тарелку верхней части колонны:}

_{Количество  жидкости, поступающей  на верхнюю тарелку  нижней части колонны:}

_или

_{Из  системы уравнений  материального и  теплового балансов нижней части колонны  определяем количество пара, поступающего на первую тарелку  , жидкости, стекающей с первой тарелки, и содержание в ней воды :}

_где

_{-теплота парообразования  смеси на первой  тарелке нижней  части колонны;  - теплота парообразования смеси на верхней тарелке нижней части колонны. Эти величины рассчитываем по правилу аддитивности.}

 находим по диаграмме y-x при

;

_Откуда      

_{Молекулярные  массы паров, поступающих  на первую тарелку  , и жидкости , стекающей с первой тарелки нижней части колонны с содержанием НК , равны:}

_Тогда

_{Среднее количество пара, поднимающегося по нижней части колонны:}

_{Средняя плотность жидкости}

_где

 

_{- средняя массовая  доля воды в жидкости.}

_{Из диаграммы  t-x,y , рис. 3, . ,}

_{Мольные доли пересчитываем  в массовые:}

_{Средняя плотность  пара}

_{где - средний объем пара, который рассчитывается по формуле:}

  _{- температура пара, соответствующая среднему содержанию легколетучего компонента в паре в нижней части колонны . Значение определяем из диаграммы t-x,y, рис. 3.}

_{Тогда согласно табл. 1}

_{Динамический  коэффициент вязкости жидкости при и рассчитываем по формуле:}

_{Оптимальную скорость пара в нижней части колонны  рассчитываем по формуле:}

  _Откуда

 

_{Диаметр нижней части колонны:}

_{По нормалям принимаем  диаметр нижней части колонны Обратным расчетом определяем действительную скорость пара в ней:}

 

3.2. Расчет высоты слоя насадки с учетом числа единиц переноса

_{Высоту  слоя насадки определяем по формуле:}

_{где - общее число единиц переноса; - высота насадки, эквивалентная одной единице переноса.}

_{Для определения числа  переноса составляем табл. 4. Данные таблицы 4 используем для построения графической зависимости}  , рис. 10.

_{Число единиц переноса для всей колонны равно площади, ограниченной кривой зависимости} , осью абсцисс и ординатами, проведенными через точки, в которых концентрации и .

 

 

_{Табл. 4. Данные для определения  числа единиц переноса.}

t, 0C
116,8	0,040	0,0092	0,0308	32,5000
115,4	0,092	0,0212	0,0708	14,1304
114,0	0,167	0,0385	0,1285	7,7844
111,0	0,240	0,0554	0,1846	5,4167
110,1	0,302	0,0697	0,2323	4,3046
108,4	0,360	0,0831	0,2769	3,6111
107,5	0,425	0,0981	0,3269	3,0588
105,8	0,530	0,1223	0,4077	2,4528
104,4	0,626	0,1445	0,4815	2,0767
103,2	0,713	0,1645	0,5485	1,8233
102,1	0,795	0,1835	0,6115	1,6352
100,6	0,930	0,2146	0,7154	1,3978

 

_{Для верхней части  колонны  , для нижней . Для всей колонны число единиц переноса .}

 

3.2.1. Расчет высоты насадки верхней части колонны

_{Высоту  насадки, эквивалентную  одной единице  переноса, вычисляют  по формуле:}

_где и - высота насадки, эквивалентная одной единице переноса, соответственно, паровой и жидкой фазы, м; - среднее значение тангенса угла наклона кривой равновесия к оси x.

_где - тангенсы углов наклона прямых на отдельных участках кривой равновесия; - число прямолинейных участков ломаной линии.

_{Высота  насадки, эквивалентную  одной единице  переноса паровой  фазы , и жидкой фазы , определяется по критериальным уравнениям:}

_где - коэффициент, зависящий от вида насадки (для кольцевой насадки ); - коэффициент смачиваемости насадки.

 

_{Коэффициент смачиваемости насадки  рассчитываем по формуле:}

_Здесь - плотность орошения

- объем жидкости, м³/ч; - площадь поперечного сечения колонны, м²; - постоянный коэффициент, который для ректификации равен 0,065.

_{Число Рейнольдса для паровой  фазы рассчитываем по формуле:}

_{Число Рейнольдса для жидкой фазы:}

_{Число Прандтля для пара:}

_{Число Прандтля для жидкой фазы:}

_{Для расчета коэффициента смачиваемости и  критериев}  и для жидкой и паровой фаз используем значения некоторых параметров, которые были рассчитаны ранее.

 

 

_{Табл. 5 Значения некоторых  параметров.}

Параметр	Значение параметра	Параметр	Значение параметра	Параметр	Значение параметра
	1,3772		957,9718		0,9566
	440		1,1205
	0,7		1319,3188
			1485,9869

_{Динамический  коэффициент вязкости пара воды при}  , равен: .

Коэффициент диффузии в паровой фазе вычисляем  по формуле:

где - температура пара, К; - общее давление пара, Па; и - мольные массы компонентов, кг/кмоль; и - мольные объемы компонентов, определяемые как суммы атомных объемов, составляющих их элементов, см³/моль.

_{Для смеси вода-уксусная кислота имеем:}

(атомный объем водорода)

(атомный объем углерода)

(атомный объем кислорода)

(атомный объем кислорода  в кислоте)

_тогда

Коэффициент диффузии в жидкой фазе вычисляем  по формуле:

_{где – коэффициент диффузии в жидкой фазе при t=20⁰; - температурный коэффициент.}

_{Значение} 

где А и В – поправочные коэффициенты; - динамический коэффициент вязкости жидкости при 20⁰С, мПа*с; и - мольные массы компонентов, кг/кмоль; и - мольные объемы компонентов, определяемые как суммы атомных объемов, составляющих их элементов, см³/моль.

Температурный коэффициент находим по формуле:

_где - плотность жидкости при 20⁰С, кг/м³.

_{Подставляем значения параметров табл.5 в формулы  и производим расчеты.}

Плотность орошения равна:

Оптимальная плотность орошения:

Коэффициент смачиваемости насадки:

 

_{Число Рейнольдса для паровой  фазы:}

_{Число Рейнольдса для жидкой фазы:}

_{Число Прандтля для пара:}

_{Число Прандтля для жидкой фазы:}

_{Высота  h1 для паровой фазы:}