Автоматизация ректификации

Введение

Ректификация  – это процесс разделения жидких смесей, который сводиться к одновременно протекающим и многократно повторяемым  процессам частичного испарения  и конденсации разделяемой смеси  на поверхности контакта фаз. Ректификацию чаще всего проводят в колонных аппаратах.

Ректификационные  колонны предназначены для проведения процессов массообмена в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности. Колонные аппараты изготавливают  диаметром 400–4000 мм для работы под  давлением до 1,6 МПа в царговом (на фланцах) исполнении корпуса, для работы под давлением до 4,0 МПа – в цельносварном исполнении корпуса.

В зависимости  от диаметра, колонные аппараты изготавливают  с тарелками различных типов. Колонные аппараты диаметром 400–4000 мм оснащают стандартными контактными и распределительными тарелками , опорами, люками, днищами и фланцами. На корпусе цельносваренного аппарата предусмотрены люки для обслуживания тарелок.

Большое разнообразие тарельчатых контактных устройств  затрудняет выбор оптимальной конструкции тарелки. При этом наряду с общими требованиями (высокая интенсивность единицы объема аппарата, его стоимость и т.д.) ряд требований может определяться спецификой производства: большим интервалом устойчивой работы при изменении нагрузок по фазам, способность тарелки 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.

Расчет ректификационной колонны сводиться к определению её основных геометрических размеров диаметр и высота. Оба параметра в значительной мере определяются нагрузками по пару и жидкости, типом тарелки, свойствами взаимодействующих фаз .

Разделяемая смесь (бензол - толуол) близка по свойствам к идеальной смеси, без образования азеотропных смесей и других осложнений. Поэтому ректификацию будем проводить при атмосферном давлении на колпачковых тарелках. На питание колонны будем подавать исходную смесь, подогретую до температуры кипения; флегму будем подавать в виде жидкости при температуре кипения; кубовый остаток будем испарять и подавать в виде насыщенного пара в низ колонны.

Данная смесь  обладает токсичными, коррозийными свойствами. Выберем для изготовления аппарата качественную легированную сталь Х17Н13М2Т для деталей, сопряженных с органической смесью [4]. Для всех остальных элементов конструкции – саль Ст3. Выполним аппарат цельносварным с люками для обслуживания.  

1. Технологическая схема процесса ректификации

Исходную смесь  из промежуточной емкости-1 центробежным насосом-2 подают в теплообменник-3, где подогревают до температуры  кипения и подают в колонну  на ту тарелку, где кипит смесь  того же состава х_F, т.е. на верхнюю тарелку нижней исчерпывающей части колонны. Верхняя часть колонны называется укрепляющей по легколетучему компоненту.

Внутри ректификационной колонны-4 расположены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Снизу  вверх по колонне движется пар, поступающий  из выносного куба – испарителя (кипятильника)-5 (куб – испаритель может размещаться и непосредственно под колонной). На каждой тарелки происходит частичная конденсация пара труднолетучего компонента и за счет конденсации – частичное испарение легколетучего компонента. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка х_W, т.е. обеднен легколетучим компонентом. Таким образом, пар, выходящий из куба – испарителя и представляющий собой почти чистый труднолетучий компонент, по мере движения вверх обогащается легколетучим компонентом и покидает колонну в виде почти чистого пара легколетучего компонента. Для полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава х_Р, получаемой в дефлегматоре-6 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Пар конденсируется в дефлегматоре, охлаждаемом водой. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения – дистиллята, который охлаждается в теплообменнике-7 и направляется в промежуточную емкость-8. Флегма, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, обогащается труднолетучим компонентом.

Из куба –  испарителя отводят нижний продукт  или кубовый остаток.

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

Рисунок 1. Принципиальная схема ректификационной установки  непр. действия:

1-промежуточная  ёмкость

2-центробежный  насос

3-теплообменник

4– ректификационная  колонна

5-куб-испаритель

6-дефлегматор

7-теплообменник

8-промежуточная  ёмкость

9-насос

10- теплообменник

11-ёмкость. 

ЗАДАНИЕ №1

«Расчет ректификационной колонны непрерывного действия»

Провести расчет ректификационной колонны непрерывного действия для разделения смеси бензол-толуол с определением основных геометрических размеров колонного аппарата, производительность по продукту Р = 120 т/сутки. Тип колонны – тарельчатая, тип тарелки - колпачковая.

Содержание НК в смеси (мольн. доля):

Мольная концентрация начальной смеси: X_F = 0,4

Мольная концентрация дистиллята: X_P = 0,95

Мольная концентрация кубового остатка: X_W =0,03

Давление в  колонне P = 1,0 ата.

Исходная смесь  подогревается предварительно до температуры  кипения. Предусматривается горячее  орошение колонны. 

2. Технологический расчет

Основными задачами технологического расчёта процесса ректификации, являются определение  основных геометрических размеров ректификационной колонны (её диаметра и высоты), а  так же расхода греющего пара в  кубе колонны и охлаждающей воды в дефлегматоре. 

 

2.1 Материальный баланс

Целью составления  и решения уравнения материального  баланса является определение неизвестных  материальных потоков.

Температуры кипения  веществ при Р=760мм.рт.ст.:

Бензол Т_кип=80,2 ˚С (НК);

Толуол Т_кип=110,8 ˚С (ВК).

Молекулярные  массы веществ:

Бензол Мr=78,11 кг/кмоль;

Толуол Мr=92,13 кг/кмоль.

Расчет проведем по методике, предложенной в [1].

Уравнение материального  баланса имеет вид:

 (1)

где F– расход исходной смеси, кг/с;

P– расход верхнего продукта, кг/с;

W– расход нижнего продукта, кг/с;

– соответствующие массовые доли компонентов, кг/кг. 

 

F=0.558+0.823 = 1.387

1.388*0.4=0.558*0.95 + 0.83*0.03

0.555 = 0.555

Для расчетов выразим  концентрации питания, дистиллята и  кубового остатка в мольных долях , X. M_б = 78, M_т = 92 – мольные массы бензола и толуола соответственно.

X=(х_НК/ M_НК)/(х_НК/ M_НК +(1-х_НК)/ M_ВК)                                (2)

X_F = (0,4/78)/( 0,4/78+ (1 – 0,4)/92) = 0,0051 кмоль/кмоль смеси

X_Р = (0,95/78)/( 0,95/78+ (1 – 0,95)/92) = 0,012 кмоль/кмоль смеси

X_W = (0,03/78)/( 0,03/78+ (1 – 0,03)/92) = 0,00038 кмоль/кмоль смеси.

Для перевода массовых расходов F, P, W (кг/с) в мольные достаточно каждый из них разделить на соответствующую мольную массу вещества потока, которую можно рассчитать по уравнению:

 (3)

где ─ мольные доли компонента, кмоль/кмоль;

 ─ мольные массы соответствующих  компонентов,кг/кмоль;

─ мольная масса потока, кг/кмоль. 

М_смF = 78*0.0051+92(1-0.0051) = 91.928 кг/кмоль

М_смP = 78*0.012+92(1-0.012) = 91.83 кг/кмоль

М_смW = 78*0.00038+92(1-0.000038) = 91.99 кг/кмоль

 (4)

 (5)

 (6)

где F, P, W ─ массовые расходы, кг/с;

F_N, P_N, W_N─ мольные расходы, кмоль/с.

2.2 Построение фазовых диаграмм   

С целью проведения дальнейших материальных расчётов требуется  построение линий равновесия t-x-y диаграммы.

Таблица 2.2.1 - Содержания низкокипящего и высококипящего компонентов при различных температурах и давлении 760 мм.рт.ст.

2.3 Определение рабочего флегмового  числа

Определение флегмового числа

Атмосферное давление:

Давление в  колонне:

Строим таблицу  равновесного состава c помощью интерполяции [7,табл.XLVI и рис. XIV]:

По таблице  находим состав пара равновесного с  начальной смесью, с дистиллятом  и кубовым остатком: 

;

;

.

Рабочее (оптимальное) флегмовое число R определяет нагрузки ректификационной колонны по пару и  по жидкости и наряду с производительностью  колонны обуславливает геометрические размеры колонного аппарата и  затраты теплоты на проведение процесса.

Исходным при выборе рабочего флегмового числа является минимальное его значение R_min.

R_min определяется по формуле [Иоффе]:

 (7)

где - мольная доля продукта, кмоль/кмоль.

.

1. Принимаем  коэффициент избытка флегмы:

.

Рабочее флегмовое  число: 

.

Координата точки b:

.

Строим кривую равновесия:

С помощью кривой равновесия находим число теоретических  тарелок:

.

Находим произведение: 

.

2. Принимаем  коэффициент избытка флегмы:

.

Рабочее флегмовое  число:

.

Координата точки b:

.

Строим кривую равновесия:

 

С помощью кривой равновесия находим число теоретических тарелок:

.

Находим произведение:

.

3. Принимаем  коэффициент избытка флегмы:

.

Рабочее флегмовое  число:

.

Координата точки b:

.

Строим кривую равновесия: 

С помощью кривой равновесия находим число теоретических  тарелок:

.

Находим произведение:

.

4. Принимаем коэффициент избытка флегмы:

.

Рабочее флегмовое  число: 

.

Координата точки b:

.

Строим кривую равновесия:

С помощью кривой равновесия находим число теоретических  тарелок:

.

Находим произведение: 

.

5. Принимаем  коэффициент избытка флегмы:

.

Рабочее флегмовое число:

.

Координата точки b:

.

Строим кривую равновесия:

 

С помощью кривой равновесия находим число теоретических  тарелок:

.

Находим произведение:

.

Строим зависимость Nm*(R+1)=f(R):

Из графика  видно, что оптимальным будет 2 вариант. Флегмовое число и число теоретических тарелок при этом будут:

  

2.4 Определение действительного  числа тарелок

Относительная летучесть начальной смеси:

. 

По [1,табл.IX] находим  вязкости компонентов:

;

.

Вязкость жидкости на питательной тарелке:

.

Общий коэф-т полезного действия в тарелке:

.

Число действительных тарелок:

.

Принимаем:

. 

 

2.5 Определение геометрических  размеров тарельчатых  колонн

В определение  геометрических размеров входят определение  высоты и диаметра колонны.

 
2.5.1 Определение  диаметра колонны

Диаметр колонны определяется по формуле :  

 (10)

где V – объёмный расход паров для верха и для низа колонны, м³/с;

ω - скорость пара для верхней и для нижней колонны, м/c;

π – геометрическая постоянная (π =3,14). 

 

2.5.2 Определение объёмного расхода паров

Определение объёмного  расхода паров производиться  по формуле:

 (11)

где P – мольный расход, кмоль/с;

R –оптимальное флегмовое число;

M_cp – средняя мольная масса пара, кг/кмоль;

ρ_п.ср – плотность пара для среднего сечения, кг/м².

Средняя мольная масса пара определяется по формуле :

 (12)

где M_нк, М_вк – мольные массы компонентов, кг/кмоль;;

y_ср – средний мольный состав пара, кмоль/кмоль.

Средняя плотность  пара определяется по формуле : 

 (13)

где Т˚=273К;

Р₀=760 мм.рт.ст.

Т_ср – средняя температура кипения смеси в среднем сечении верхней части колонны в ^˚С (определяется по t-x-y диаграмме по значению y_ср)

Определение объёмного  расхода паров в колонне производиться  для верха и для низа колонны  отдельно.

Среднее сечение верхней  части колонны:

Средний мольный состав пара определяется по формуле :

 (14)

где y_p и y_f -мольные доли компонентов (определяются по x-y диаграмме).

= 92,13*0,795 + 78,11*(1-0,795) = 89,24 кг/кмоль

= 89,24*273/22,4(273+92,2) = 2,97 кг/м³

V = (0,006*(2,43+1)*89,24)/2,97 = 0,62 м³/сек  

Среднее сечение нижней части  колонны:

Средний мольный состав пара определяется по формуле [3]:

 (15) 

где y_ц и y_f -мольные доли компонентов (определяются по x-y диаграмме).

= 92,13*0,34 + 78,11*(1-0,34) = 82,87 кг/кмоль

= 89,24*273/22,4(273+105,95) = 2,66 кг/м³

V = (0,006*(2,43+1)*82,87)/2,66 = 0,64 м³/сек 

 

2.5.3 Определение скорости  пара

Расчет проведем по методике предложенной в [1].

Для колпачковых  тарелок предельно допустимая скорость рассчитывается по уравнению:

       (16)

где  – диаметр колпачка, м;  – расстояние от верхнего края колпачка до вышерасположенной колонны, м;  – соответственно плотности жидкой и паровой фазы, кг/м³.

Верхняя часть аппарата:

 (17)

где x_ср.нк – средний состав жидкости для верхней части колонны, кмоль/кмоль. 

 (18)

 м/с  

Нижняя  часть аппарата:

 (19)

 м/с  

Определим диаметр колонны  для верха и  для низа:   

Верх.

Низ:  Примем D=1000мм 

Примем стандартный  диаметр колонны одинаковый для  верхней и нижней части и равный  м.

Параметры колпачковой  тарелки типа ТСК-1 Свободное сечение  колонны   м², длина линии барботажа 9,3 м, периметр слива  м, площадь слива 0,05 м², площадь паровых патрубков 0,073 м², относительная площадь прохода паров 9%, число колпачков 37, диаметр колпачка  мм, шаг  мм,  мм, высота перелива  мм. Расстояние между тарелками Ht=0,35[1].

2.5.4 Определение высоты  колонны

Определение высоты тарельчатой  колонны производиться  по следующему уравнению [1]:

 (20)

где  -высота тарельчатой (рабочей) части колонны, м;

h – расстояние  между тарелками, м [1];

h₁ - высота сепарационной части над верхней тарелкой, м;

h₂ - расстояние от нижней тарелки до днища колонны, м.

Значения h₁ и h₂ выбрать в соответствии с практическими рекомендациями в зависимости от диаметра колонны [1]:   

H=(16-1)*0.6+0.6+1.5=11.1 м

 
3. Тепловой расчет

В задачу теплового расчета входит определение расхода греющего пара в испарителе колонны и величину ее теплопередающей поверхности, а так же расхода охлаждающей воды в дефлегматор. Способ подвода и отвода тепла осуществляется за счет испарения части реакционной массы и за счет применения выносных поверхностей теплообмена. 

 

3.1 Расчёт испарителя

Расход греющего пара в кубе колонны рассчитывается на основе составления и решения  уравнения теплового баланса  ректификационной колонны

 (21)

где r_воды – удельная теплота парообразования, Дж/кг ;

Р – расход верхнего продукта, кг/с;

W – расход нижнего продукта, кг/с;

R_opt – флегмовое число;

 – энтальпии потоков, Дж/кг;

r_cp – средняя удельная теплота фазового перехода, кДж/кг;

Q_пот – тепловые потери (от 3% до 5% от тепла греющего пара) [1]:

   (22)

где r –удельная  теплота фазового перехода соответствующего компонента, Дж/кг [5];  

tср = 95,4 ^◦С ;

rнк  = 90

rвк  = 87

rср = 90*0,4+87*(1-0,4)= 88,2

rср = 88,2*4190 = 369558 Дж/кг.

 

Таблица 3.1-Теплоёмкости компонентов при различных температурах [2].

    (23)

где – массовые доли компонентов, кг/кг;

Ср - теплоёмкости компонентов при различных температурах, Дж/кг^*К.  

F : Cp_см = 2077*0,4+2022*(1-0,4) = 1763,3 Дж/кг*К;

P : Cp_см = 1766*0,95+1766(1-0,95) = 2044 Дж/кг*К;

W : Cp_см = 2480*0,05+2422(1-0,05) = 2424,9 Дж/кг*К.

 (24)

где I - энтальпии  потоков, Дж/кг;

Т – температура  компонентов, ˚C. 

IF = 1763,6*81 = 142851,6 Дж/кг;

IP = 2044*95,4 = 194997,6 Дж/кг;

IW = 2424,9*109,6 = 265769,04 Дж/кг.

Dг.п.*(Iг.п.- iк) = 0,558*(194997,6-142851,6) + 0,83(265769,04+142851,6) + +0,558*3,16*369558 = 1019886,829

Dг.п.  = 1019886,829/(0,97*369558) = 2,84 кг/с.

Величину теплопередающей  поверхности испарителя рассчитывают на основе уравнения теплопередачи [5]: