Выбор и расчет принятой конструкции колонны ректификации

Введение

В химической технологии для  разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или большего числа  компонентов, широко используются процессы перегонки.

Перегонка основана на различии температур кипения, парциальных давлений и летучестей  отдельных компонентов, составляющих исходную смесь.

В широком смысле перегонка  представляет собой процесс, включающий частичное испарение разделяемой  смеси и последующую конденсацию  образующихся паров, осуществляемые однократно (дистилляция) или многократно (ректификация).

В результате конденсации  паров получается жидкость – дистиллят (ректификат), состав которого отличается от состава исходной смеси и содержит больше низкокипящего компонента. Неиспарившаяся часть жидкости носит название кубовой жидкости (кубового остатка) и содержит больше высококипящего компонента.

Процесс многократного взаимодействия между неравновесной жидкой и  паровой фазами при их противоточном, относительно друг друга, движении называется ректификацией.

При ректификации между фазами происходит массо- и теплообмен, обусловленный стремлением системы к состоянию равновесия. В результате каждого контакта компоненты перераспределяются между фазами: пар обогащается низкокипящим компонентом, а жидкость высококипящим компонентом. Многократный контакт жидкости и пара приводит к практически полному разделению исходной смеси. Таким образом, отсутствие равновесия и разности температур при движении фаз является необходимым условием проведения процесса ректификации.

Темой настоящего курсового  проекта является проектирование тарельчатой  ректификационной колонны для разделения бинарной смеси ацетона и этилового  спирта.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Описание схемы ректификационной установки

Процесс непрерывной ректификации осуществляется в ректификационной установке, включающей колонну ректификации, подогреватель исходной смеси, дефлегматор, кипятильник кубовой жидкости, холодильники дистиллята и кубового остатка, сборники продуктов разделения и насосное оборудование.

Основным аппаратом установки  является колонна ректификации, в  которой пары, поднимающиеся из куба колонны, взаимодействуют со стекающей  сверху жидкостью.

Конечными продуктами разделения являются дистиллят (конденсированные пары легколетучего компонента) и  кубовый остаток (высококипящий  компонент).

Принципиальная схема  установки приведена на рисунке 1.1.

 

Рисунок 1.1 – Принципиальная схема ректификационной установки

1 – емкость для  исходной смеси; 2,9,12 – 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 кубовой жидкости.

 

Работа установки осуществляется следующим образом.

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  .

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 , т.е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым число жидкостью (флегмой) состава , получаемой в 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  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 труднолетучим компонентом).

Для автоматизации процесса, регистрации, контроля и регулирования  его параметров в технологической  схеме предусмотрены следующие  контрольно-измерительные приборы и средства автоматизации:

• Регулирование уровня жидкости () в емкостях исходной смеси, кубового остатка и дистиллята, за счет подачи исходной смеси в емкость и отбора продуктов разделения потребителю или на дальнейшую переработку;
• Регулирование температуры исходной смеси на входе в колонну после подогревателя, верха и низа колонны, дистиллята и кубовой жидкости на выходе из холодильников, за счет подачи греющего пара, флегмы и охлаждающей воды;
• Регулирование давления на нагнетающих линиях насосов, пара на входе в теплообменную аппаратуру, верха и низа колонны.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Конструкция колонны и выбор конструкционного материала

2.1 Описание конструкции  колонны и обоснование ее выбора

Современные ректификационные аппараты можно классифицировать /1,2/ в зависимости от технологического назначения, давления и типа внутренних устройств, обеспечивающих контакт  между паром и жидкостью.

В зависимости от применяемого давления аппараты подразделяются на вакуумные, атмосферные и работающие под избыточным давлением.

В зависимости от вида внутренних контактных устройств различают  насадочные, тарельчатые и роторно-пленочные  аппараты.

К аппаратам предъявляются  следующие требования:

• Высокая разделительная способность, гибкость и надежность в работе;
• Высокая производительность;
• Низкие эксплуатационные расходы;
• Простота и технологичность конструкции.

Важными являются и такие  требования как легкость и удобство изготовления аппарата, монтажа и демонтажа, безопасность эксплуатации. Кроме перечисленных выше требований ректификационные аппараты должны отвечать также требованиям государственных стандартов, ведомственных нормативов и правил.

Выбор конструкции аппарата зависит /2/ от назначения аппарата и  его места в технологической  цепочке установки, состава разделяемой  смеси и требований к качеству разделяемых продуктов, а также  возможности уменьшения энергетических затрат.

В химической и нефтехимической  промышленности для ректификации применяют  исключительно насадочные и тарельчатые  колонны.

При температурах кипения  разделяемых жидкостей от до (температура кипения ацетона , температура кипения этилового спирта ) применяют ректификацию под атмосферным давлением.

Насадочные ректификационные колонны применяют главным образом  при ректификации в вакууме и  для разделения химически агрессивных  веществ. Учитывая, что процесс протекает  под атмосферным давлением, для  разделения исходной смеси примем тарельчатую  колонну.

В современных ректификационных тарельчатых колоннах используются различные конструкции контактных устройств, основное назначение которых  – создание максимально развитой поверхности контакта при взаимодействии фаз.

Основные типы наиболее часто  используемых в промышленности тарелок:

• Провальные (ситчатые, решетчатые);
• Со сливными устройствами (колпачковые, ситчатые, клапанные, струйные, с  S-образными элементами, балластные и др.).

Выбор типа контактного устройства основывается на опыте эксплуатации массообменной аппаратуры и рекомендаций /3/ с учетом технико-экономических  показателей, а также возможных  колебаний нагрузок по жидкости и  пару.

Провальные тарелки находят  применение в колоннах диаметром  не более . Их основной недостаток  - сравнительно небольшой интервал изменения нагрузок по пару и жидкости, в пределах которого поддерживается устойчивая и эффективная работа.

Учитывая это, принимаем  тарелки со сливными устройствами, тип тарелки – ситчатая ТС-Р, которая по сравнению с колпачковыми и клапанными тарелками имеет меньшую металлоемкость и трудоемкость изготовления.

Конструкция колонны приведена  на рисунке 2.1 и чертеже общего вида.

Аппарат состоит из цельносварного корпуса (1) с приварным эллиптическим  нижним днищем (2) и верхней съемной  эллиптической крышкой (3) с уплотнительной поверхностью - выступ-впадина. Для съема крышки колонна снабжена краном – укосиной (на рисунке не показан).

Корпус колонны устанавливается  на цилиндрическую вертикальную опору (4).

Внутри аппарата на опорных  рамах монтируются ситчатые тарелки ТС-Р (5): 7 штук в исчерпывающей части и 13 штук в укрепляющей части.

Для монтажа, демонтажа и  осмотра тарелок колонна снабжена люками (6) .

Для подачи и отвода соответствующих  технологических потоков колонна  снабжена штуцерами. Кроме этого  на колонне имеются штуцера под  контрольно-измерительные приборы  и средства автоматизации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.1 –  Конструкция колонны

 

 

 

 

 

2.2 Выбор конструкционного  материала

При выборе конструкционного материала учитываются следующие  факторы: рабочее давление в аппарате, температура среды и ее коррозионная активность. В данном случае скорость коррозии является главным фактором выбора материала, т.к. колонна работает под атмосферным давлением при сравнительно невысокой температуре. Также при выборе материала следует избегать дорогих и дефицитных материалов и при этом учитывать такие его свойства, как плотность, теплопроводность, пластичность и свариваемость.

Согласно /5/, в среде ацетона  и этилового спирта хорошо работают стали марок: 08Х13, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 0Х21Н5Т, 0Х21Н6М2Т, 0Х17Н13М2Т.

Сравнивая вышеперечисленные  материалы с учетом их применяемости  в химической промышленности и стоимости, принимаем в качестве основного  материала элементов колонны  (корпус, внутренние устройства, штуцера и люки) легированную сталь 08Х13  ГОСТ 1256 – 84. Скорость коррозии стали в рабочей среде менее .

Для изготовления стальных элементов  колонны, не соприкасающихся с рабочей  средой, используем:

• Опора – углеродистая сталь  Вст3сп5  ГОСТ 380 – 88;
• Крепежные изделия – сталь 08Х13  ГОСТ 1256 – 84;
• Прокладки – паронит  ПМБ  ГОСТ 481 – 80.

     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Технологический расчет колонны

3.1Цель расчета

Целью технологического расчета  колонны ректификации является составление  материального баланса, расчет диаметра колонны, числа тарелок и высоты аппарата, гидравлический и тепловой расчет колонны.

3.2 Исходные данные

Исходная смесь: ацетон (А) -этиловый спирт(В).

Производительность по исходной смеси                                                                     

Содержание легколетучего  компонента А (мол. доли)

в исходной смеси                                                                        

в дистилляте                                                                                 

в кубовом  остатке                                                                       

Давление греющего пара  

Температура исходной смеси, поступающей на установку 

Начальная температура охлаждающей  воды 

Расчет ведем согласно /4,6/.

3.3 Материальный  баланс колонны

Пересчитаем концентрации компонента А из мольных долей в массовые по формуле:

 

где ; - мольные массы соответственно компонентов А и В.

                                                  

 

Производительность колонны  по дистилляту и кубовому остатку определяется из материального баланса:

 

 

Откуда находим:

 

 

Относительный мольный расход питания:

 

 

По данным /8/ строим и  диаграммы, представленные соответственно на рисунках 3.1 и 3.2.

                      Рис. 3.1 –                                    Рис. 3.2 –  

Рис. 3.3 –  Изображение рабочих линий в  диаграмме  при действительном флегмовом числе

Минимальное флегмовое число определяется по формуле:

 

где =0,524- мольная доля компонента А в паре, равновесном с жидкостью питания, определяем по диаграмме .

 

Задавшись различными значениями коэффициентов избытка флегмы β, определим соответствующие флегмовые  числа. Графическим построением  ступеней изменения концентраций между  равновесной и рабочими линиями  на диаграмме состав пара y-состав жидкости x (рис. 3.1) находим N. Результаты расчетов рабочего флегмового числа приведены ниже:

Коэффициент избытка флегмы, β	Флегмовое число, R	Число теоретических тарелок, N
1,3	2,3	17,5	57,75
1,4	2,49	14,5	50,6
1,5	2,65	13,5	49,3
1,6	2,83	12,8	49,0
1,7	3,01	12,65	50,7
1,8	3,19	12,5	52,32

 

Минимальное произведение N(R+1) соответствует флегмовому числу R=2,83. При этом коэффициент избытка флегмы β=1,6. На рис. 3.3 изображены рабочие линии и ступени изменения концентраций для верхней (укрепляющей) и нижней (исчерпывающей) частей колонны в соответствии с найденным значением R.

Уравнения рабочих линий:

• верхней (укрепляющей) части колонны

 

 

 

 

• нижней (исчерпывающей) части колонны

 

 

 

3.4 Определение  скорости пара и диаметра колонны

Средние концентрации жидкости:

• в верхней части колонны

 

 

• в нижней части колонны

 

 

Средние концентрации пара по уравнениям рабочих линий:

• в верхней части колонны

 

• в нижней части колонны

 

Средние температуры  пара определим по рис. 3.2:

при    

при   

 

Средние массовые потоки пара в верхней  и нижней части колонны:

 

 

где - мольная масса дистиллята, кг/кмоль; - средние мольные массы паров соответственно в верхней и нижней части колонны,кг/кмоль.

  

 

 

 

 

 

Тогда имеем:

 

 

Плотности пара в верхней  и нижней части колонны определяются по формулам:

 

 

После подстановки численных  значений получим:

 

 

Плотность смеси жидкостей:

 

где - плотность соответственно ацетона и этилового спирта при , /6, табл. 4/.

 

 

Скорость пара в верхней  и нижней части колонны:

 

 

где - коэффициент, определяемый по /6, рис. 7.2/ при расстоянии между тарелками

 

 

Диаметр верхней и нижней частей колонны:

 

 

Тогда:

 

 

Рационально принять стандартный  диаметр обечайки /4,стр. 197/ одинаковым для обеих частей колонны. По каталогу для колонны диаметром 1800 мм выбираем ситчатую однопоточную тарелку ТС-Р со следующими конструктивными размерами /4, стр. 217/:

Диаметр отверстий в тарелке
Шаг между отверстиями
Свободное сечение тарелки
Высота переливного порога
Ширина переливного порога
Рабочее сечение тарелки

 

Тогда действительная скорость пара составит:

 

 

3.5 Определение  числа тарелок

Для определения числа  тарелок воспользуемся методом  кинетической кривой.

Этот метод основан  на определении КПД тарелки по Мэрфи и позволяет находить действительное число тарелок.

Построение кинетической кривой ведем согласно /4/.

Коэффициент массопередачи  определяется из уравнения аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений:

 

 где - коэффициенты массоотдачи соответственно в паровой и жидкой фазах ; m- коэффициент распределения в уравнении равновесия.

Для расчета коэффициентов  массоотдачи в паровой и жидкой фазах воспользуемся эмпирическими зависимостями /4, стр. 239/:

 

 

где - коэффициент диффузии компонента А в паровой фазе, ; - коэффициент диффузии компонента А в жидкой фазе, ; 0,188   - относительная площадь прохода паров /4, прил. 5.2/ ; – вязкость паровой фазы, ; - вязкость жидкой фазы, ; - плотность орошения, ; - скорость пара в рабочем сечении тарелки, ; - газосодержание ; - высота светлого слоя жидкости на тарелке, .

Коэффициент диффузии в паре определяется по формуле /6/:

 

где   - мольный объем ацетона /6, табл. 6.3/; - мольный объем этилового спирта /6, табл. 6.3/.

Тогда имеем:

• верх колонны

 

 

• низ колонны

 

Коэффициент диффузии в жидкости при средней температуре /6/:

 

где - коэффициент диффузии при ; – поправочный множитель.

Коэффициент диффузии при  /6/:

 

где - коэффициенты, зависящие от свойств растворенного вещества и растворителя/6/; – вязкость жидкости при ,

Динамический коэффициент  вязкости жидкой смеси определяется по формуле:

 

где - динамический коэффициент вязкости соответственно ацетона (А) и этилового спирта (B) при /6, табл. 9/.

Поправочный множитель:

 

где принимают при температуре /6/.

Тогда имеем:

• для верха

 

 

 

 

 

 

• для низа

 

 

 

 

 

 

Вязкость паровой фазы определяется по формуле:

 

где - вязкость паров соответственно ацетона (А) и этилового спирта (В), .

Вязкость паров чистых компонентов определяется по формуле /10/:

 

Тогда подставляя численные  значения, получим:

• для верха

 

 

 

• для низа

 

 

 

Плотность орошения определяется соотношением:

 

где - массовый расход жидкости, кг/с.

Массовый расход жидкости соответственно в верхней и нижней части колонны:

 

где – средняя мольная масса жидкости в верхней части колонны, кг/кмоль.

 

 

Тогда имеем:

 

 

 

где - средняя мольная масса жидкости в нижней части колонны, кг/кмоль;  - мольная масса исходной смеси, кг/кмоль.

 

 

 

Тогда имеем:

 

 

Скорость пара в рабочем  сечении тарелки определяется по формуле:

 

где - рабочее сечение тарелки /4, прил. 5.2/.

Тогда имеем:

• для верха

 

• для низа

 

Высота светлого слоя жидкости на ситчатой тарелке определяется по формуле /6/:

 

где - высота переливной перегородки, м; - удельный расход жидкости на 1 м ширины сливной перегородки, ; - ширина сливной перегородки, м; - поверхностное натяжение соответственно жидкости и воды при средней температуре в колонне /6, табл. 24/; .

Высота перелива для ситчатой тарелки определяется по формуле /7/:

 

где - глубина барботажа, м; - высота подпора жидкости над перегородкой, м.

Глубина барботажа и высота подпора определяются по формулам:

 

 

где - периметр слива, м /4, прил. 5.2/.

Подставляя численные значения, получим:

• верх колонны

 

 

 

 

• низ колонны

 

 

 

 

Линейная плотность орошения определяется по формуле:

 

Поверхностное натяжение  жидкости определяется по формуле:

 

где – поверхностное натяжение компонентов А и В, Н/м /6, табл. 24/.

Тогда имеем:

• верх колонны

 

 

 

 

 

 

 

 

• низ колонны

 

 

 

 

 

 

 

 

Газосодержание определяется соотношением:

• верх колонны

 

• низ колонны

 

где - критерий Фруда для верха колонны;

      - критерий Фруда для низа колонны.

Подставляя численные  значения в выражения для коэффициентов  массоотдачи, получим:

• верх колонны

 

 

• низ колонны

 

 

Пересчет коэффициентов  из размерности  в размерность проведем по формулам:

• верх колонны

 

 

• низ колонны

 

 

Коэффициенты массоотдачи, рассчитанные по средним значениям  скоростей и физических свойств  паровой и жидкой фаз, постоянны  для верхней и нижней частей колонны. В то же время коэффициент массопередачи – величина переменная, зависящая от кривизны линии равновесия, т.е. от коэффициента распределения. Поэтому для определения данных, по которым строится кинетическая линия, необходимо вычислить несколько значений коэффициента массопередачи в интервале изменения состава жидкости от до . В качестве примера приведем расчет коэффициента массопередачи и данных для построения кинетической кривой на примере одной точки с концентрацией .

Коэффициент распределения  компонента по фазам (тангенс угла наклона  равновесной линии в этой точке) 

  Коэффициент массопередачи вычисляем по коэффициентам массоотдачи в нижней части колонны:

 

Общее число единиц переноса на тарелку  определим по уравнению:

 

Локальная эффективность:

 

Для определения эффективности  по Мэрфи необходимо рассчитать также фактор массопередачи  , долю байпасирующей жидкости  , число ячеек полного перемешивания S и межтарельчатый унос  e.

Фактор массопередачи  для нижней части колонны:

 

Число ячеек полного перемешивания:

 

где - расстояние между переливными устройствами; - длина пути жидкости, соответствующая одной ячейке перемешивания /4, стр. 241/.

При факторе скорости для  ситчатой тарелки долю байпасирующей жидкости на тарелке принимаем равной  /2/.

Межтарельчатый унос определим по рис. 6.7 /2/.

Коэффициент, учитывающий  влияние на унос физических свойств  жидкости и пара, определяется по уравнению:

 

Высота сепарационного пространства:

 

где  - межтарельчатое расстояние, м.

В соответствии с каталогом /13/ для колонны диаметром 1800 мм расстояние .

Тогда имеем:

 

 

Тогда при  комплексе     унос составит /4/:

 

КПД по Мэрфи определяется по формуле:

 

 

 

 

Подставляя численные  значения, получим:

 

 

 

 

Концентрация ацетона (легколетучего  компонента) в паре на выходе из тарелки  определяется по соотношению:

 

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

Отсюда:

 

Аналогично произведем расчет и для других концентраций.

Результаты расчета сведены  в таблицу 3.2.

По полученным значениям на диаграмму наносим кинетическую кривую (рисунок 3.4).

Построение ступеней изменения  концентраций между рабочими линиями  и кинетической кривой дает число  действительных тарелок.

 

              Таблица 3.2 – Данные к построению кинетической кривой

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
	0,05	0,1	0,2	0,25	0,35	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,85
	2,475	2,356	1,43	1,035	0,795	0,776	0,674	0,65	0,635	0,627	0,625
	0,0357	0,036	0,04	0,0424	0,0492	0,0494	0,0505	0,0507	0,0509	0,051	0,051
	0,704	0,709	0,788	0,836	0,963	0,967	0,989	0,993	0,997	0,999	0,999
	0,506	0,508	0,54	0,567	0,618	0,62	0,628	0,63	0,631	0,632	0,632
	0,892	0,857	0,589	0,475	0,808	0,796	0,725	0,709	0,697	0,692	0,691
	0,702	0,696	0,671	0,676	0,832	0,831	0,820	0,818	0,816	0,816	0,815
	0,626	0,625	0,629	0,645	0,757	0,757	0,757	0,757	0,757	0,757	0,757
	0,583	0,582	0,593	0,599	0,634	0,634	0,634	0,635	0,634	0,634	0,634
	0,117	0,212	0,369	0,436	0,541	0,577	0,649	0,717	0,783	0,850	0,884

 

Рис. 3.4 - Кинетическая кривая.

Построение дает следующие  результаты:

• укрепляющая часть                           шт. ;
• исчерпывающая часть                      шт.
• Общее число тарелок составит .

3.6 Высота колонны

Высоту тарельчатой ректификационной колонны определим по формуле:

 

где - расстояние между тарелками, м; – расстояние соответственно между верхней тарелкой и крышкой колонны и между днищем колонны и нижней тарелкой, м;

Подставив, получим:

 

 

3.7 Гидравлическое  сопротивление тарелок колонны

Гидравлическое сопротивление  тарелок колонны  определяют по формуле:

 

где - гидравлическое сопротивление тарелки соответственно верхней и нижней частей колонны, Па.

Полное гидравлическое сопротивление  одной тарелки складывается из трех слагаемых:

 

где - гидравлическое сопротивление сухой (неорошаемой) тарелки, Па; - гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя (пены) на тарелке, Па; - гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения, Па.

 

где * – коэффициент сопротивления сухoй тарелки, *=1,85 /4/.

 

 

Гидравлическое сопротивление  газожидкостного слоя на тарелках различно для верхней и нижней частей колонны:

 

 

Гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения равно:

 

 

Тогда полное сопротивление  одной тарелки верхней и нижней частей колонны равно:

 

 

Полное гидравлическое сопротивление  ректификационной колонны:

 

 

3.8 Тепловой расчет установки

Уравнение теплового баланса  с учетом потерь в окружающую среду имеет вид:

 

где - тепло, приходящее с исходной смесью, кВт;

       - тепло, приходящее с греющим паром из испарителя, кВт;

       - тепло, уходящее с дистиллятом из дефлегматора, кВт;

       - тепло, уходящее с кубовой жидкостью, кВт;

       - тепло, уходящее с охлаждающей водой, кВт.

Тепло, приходящее с исходной смесью:

 

где - температура исходной смеси;

       - удельная теплоемкость смеси, .

 

где - удельная теплоемкость компонента А /6, рис. 11/;

       - удельная теплоемкость компонента В /6, рис. 11/.

Тогда имеем:

 

 

Тепло, уходящее с охлаждающей  водой из дефлегматора:

 

где - удельная теплота конденсации паров компонента А /6, табл. XLV/.

 

Тепло, уходящее с дистиллятом:

 

где - температура дистиллята;

       - теплоемкость дистиллята /6, рис. XI/.

 

Тепло, уходящее с кубовой  жидкостью: