Введение
Ректификация – массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаев в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными используемым в процессе абсорбции. Поэтому методы подхода к расчету и проектированию ректификационных и абсорбционных установок имеют много общего. Тем не менее ряд особенностей процесса ректификации (различное соотношение нагрузок по жидкости и пару в нижней и верхней частях колонны, переменные по высоте колонны физические свойства фаз и коэффициент распределения, совместное протекание процессов массо- и теплопереноса) осложняет его расчет.
Одна из сложностей заключается в отсутствии обобщенных закономерностей для расчета кинетических коэффициентов процесса ректификации. В наибольшей степени это относится к колоннам диаметром более 800 мм с насадками и тарелками, широко применяемым в химических производствах. Большинство рекомендаций сводится к использованию для расчета ректификационных колонн кинетических зависимостей, полученных при исследовании абсорбционных процессов.
В процессе ректификации происходит непрерывный обмен между жидкой и паровой фазой. Жидкая фаза обогащается более высококипящим компонентом, а паровая фаза – более низкокипящим. Процесс массообмена происходит по всей высоте колонны между стекающей вниз флегмой и поднимающимся вверх паром. Что бы интенсифицировать процесс массообмена применяют контактные элементы, что позволяет увеличить поверхность массообмена. В случае применения насадки жидкость стекает тонкой пленкой по ее поверхности, в случае применения тарелок пар проходит через слой жидкости на поверхности тарелок. В данной работе приведен расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной смеси ацетон – бензол
Принципиальная схема ректификационной установки
Принципиальная схема ректификационной установки представлена на. 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 ХF.
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 Хw, 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 числом жидкостью (флегмой) состава Хp, 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 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 труднолетучим компонентом).
/>
Рис. 1 Принципиальная схема ректификационной установки:
1 – емкость для исходной смеси; 2,9– 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.
Технологический расчет ректификационной колонны непрерывного действия
Задание
Спроектировать ректификационную установку для разделения смеси.
Смесь: ацетон – бензол.
Количество исходной смеси: />т/ч=15000 кг/ч
Состав исходной смеси: />% масс.
Состав кубового остатка: />% масс.
Состав дистиллята: />% масс.
Давление греющего пара: 5 ата
Давление в колонне: 1 ата
Вид контактных устройств: клапанные тарелки
Построение ступеней процесса ректификации
Пересчет массовых долей в мольные
/>,
где МА и МB– мольные массы ацетона и бензола, соответственно, кг/моль.
МА= 58 кг/моль; МB= 78 кг/моль
/>
Материальный баланс колонны
Молярная масса исходной смеси
/>
Мольный секундный расход смеси
/>кмоль/с
Расход дистиллята
/>
Подставим это выражение в />, где F, D, W – расходы исходной смеси, дистиллята, кубового остатка, кмоль/с.
/>
/>кмоль/с
/>кмоль/с
Равновесие между паром и жидкостью
Таблица 1. Равновесные составы жидкости (x) и пара (y) в мол. и температуры кипения (t) в °C бинарных смесей при 760 мм. рт. ст.
x
0,05
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
y--PAGE_BREAK--
0,14
0,24
0,4
0,51
0,59
0,67
0,73
0,8
0,86
0,93
1
t
80,1
78,3
76,4
72,8
69,6
66,7
64,3
62,4
60,7
59,6
58,8
56,1
/>
Рис. 2 Кривая равновесия и положение рабочей линии при Rмин
Рис. 3 Диаграмма t – x, y.
1 – линия жидкости; 2 – линия пара.
Минимальное флегмовое число
bmax= 0,35 (рис. 2)
/>
Рабочее флегмовое число
1. />; /> – коэффициент избытка флегмы
/>
2. />
/>
3. />
/>
4. />
/>
5. />
/>
/>
Рис. 4 Графическое определение числа теоретических тарелок при />
/>
Рис. 5 Графическое определение числа теоретических тарелок при />
/>
Рис. 6 Графическое определение числа теоретических тарелок при />
/>
Рис. 7 Графическое определение числа теоретических тарелок при />
/>
Рис. 8 Графическое определение числа теоретических тарелок при />
Оптимальное флегмовое число
Таблица 2. Число теоретических ступеней при разных коэффициентах избытка флегмы
/>
1,1
1,3
1,5
2
2,5
R
1,947
2,301
2,655
3,54
4,425
b
0,33
0,29
0,27
0,21
0,18
nтс
36
29
24
21
18
/>
106,1
95,7
87,7
95,4
97,7
/>
Рис. 9 Зависимость числа теоретических ступеней от флегмового числа
/>
Рис. 10 Определение оптимального флегмового числа продолжение
--PAGE_BREAK--
График (рис. 10), построенный на основе данных (табл. 2), показывает, что минимальный объем колонны будет иметь место при R=2,655. Примем это флегмовое число для дальнейших расчетов и соответствующее ему число теоретических ступеней nтс в = 19; nтс н = 5
Мольный расход жидкости в верхней и нижней части колонны
/>кмоль/с
/>кмоль/с
Мольный расход пара в колонне
/>кмоль/с
Физико-химические свойства паровой и жидкой фаз для верха и низа колонны
Средние мольные концентрации жидкости и пара
/>моль. дол.
/>моль. дол.
По диаграмме t – x, y (рис. 3), при средних концентрациях жидкости /> и />, определим средние температуры жидкости: />°С и />°С
/>моль. дол.
/>моль. дол.,
где yD = xD; yW = xW; yF – состав пара, соответствующий составу исходной смеси xF (рис. 6)
По диаграмме t – x, y (рис. 3), при средних концентрациях пара /> и />, определим средние температуры пара: />°С (334К) и />°С (347К);
Средние мольные массы жидкости и пара
/>кг/кмоль
/>кг/кмоль
/>кг/кмоль
/>кг/кмоль
Средние плотности жидкости и пара
Пересчет мольных концентраций в массовые:
/>масс. дол.
/>масс. дол.
/>/>/>кг/м3,
где /> и /> – плотности ацетона и бензола соответственно при температуре />°С, />кг/м3, />кг/м3
/>/>/>кг/м3,
где /> и /> – плотности ацетона и бензола соответственно при температуре />°С, />кг/м3, />кг/м3
/>кг/м3
/>кг/м3,
где Т0– абсолютная температура, равная 273К
Средние вязкости жидкости и пара
/>
/>/>
/>/>,
где /> и /> – вязкости ацетона и бензола соответственно при температуре />°С, />/>, />/>
/>
/>/>
/>/>,
где /> и /> – вязкости ацетона и бензола соответственно при температуре />°С, />/>, />/>
/>
/>/>
/>/>,
где /> и /> – вязкости ацетона и бензола соответственно при температуре />°С, />/>, />/> продолжение
--PAGE_BREAK--
/>
/>/>
/>/>,
где /> и /> – вязкости ацетона и бензола соответственно при температуре />°С, />/>, />/>
Массовые и объемные расходы жидкости и пара
Средние массовые расходы:
/>кг/с
/>кг/с
/>кг/с
/>кг/с
Объемные расходы:
/>м3/с
/>м3/с
/>м3/с
/>м3/с
Таблица 3. Параметры потоков пара и жидкости в колонне
№ п/п
Наименование потока
Размерность параметра
кмоль/с
кг/кмоль
кг/м3
кг/с
м3/с
1
Жидкость в верхней части колонны
Lв=0,081
/>=63
/>=767,5
/>=5,12
/>=6,67∙10-3
2
Жидкость в нижней части колонны
Lн=0,143
/>=72,2
/>=802,6
/>=10,31
/>=1,29∙10-2
3
Пар в верхней части колонны
Gв=0,112
/>=62
/>=1,25
/>=6,94
/>=5,56
4
Пар в нижней части колонны
Gв=0,112
/>=71
/>=1,4
/>=7,95
/>=5,68
Гидравлический расчет колонны
Коэффициент увеличения нагрузки
/>
Оценочная скорость пара
для верхней части колонны:
/>м/с
для нижней части:
/>м/с
Диаметр
верхней части колонны:
/>м
нижней части колонны:
/>м
Действительная скорость пара
Так как /> принимаем колонну диаметром /> в верхней части колонны: продолжение
--PAGE_BREAK--
/>м/с
в нижней части колонны:
/>м/с
Относительная активная площадь тарелки
Периметр слива />м; относительное свободное сечение />%; сечение перелива 0,3м2
Относительное сечение перелива:
/>
Относительная активная площадь тарелки:
/>
Фактор нагрузки
для верхней части колонны:
/>
для нижней части колонны:
/>
Коэффициент поверхностного натяжения для верхней части колонны:
/>
/>,
где /> и/> – поверхностное натяжение смеси для верхней и нижней части колонны соответственно, />Н/м, />Н/м
Примем минимальное расстояние между тарелками />м/>/>; />
Допустимая скорость пара в рабочем сечении колонны для верхней части:
/>м/с для нижней части колонны:
/>м/с
Проверка условий допустимости скоростей пара для верхней и нижней частей колонны:
/>> />/>
/>> />/>
Видно, что условие не выполняется ни для верхней, ни для нижней частей колонны. Увеличивая последовательно расстояние между тарелками, а также диаметр колонны, найдем, что условие будет выполняться лишь при диаметре />м; />м
Действительная скорость пара в верхней части колонны:
/>м/с
в нижней части колонны:
/>м/с
Периметр слива />м; относительное свободное сечение />%; сечение перелива 0,52м2
Относительное сечение перелива:
/>
Относительная активная площадь тарелки:
/>
Расстояние между тарелками />м/>/>; />
Допустимая скорость пара в рабочем сечении колонны для верхней части:
/>м/с
для нижней части колонны:
/>м/с
Условия допустимости скоростей пара для верхней и нижней частей колонны:
/>> />/>> />
/>> />/>> />
Условия выполняются.
Удельнаянагрузка жидкости на сливную перегородку
в верхней части колонны:
/>м3/м∙с
в нижней части колонны:
/>м3/м∙с
Фактор паровой нагрузки
для верхней части колонны:
/>
для нижней части колонны:
/>
Подпор жидкости над сливным порогом в верхней части колонны: продолжение
--PAGE_BREAK--
/>
для нижней части:
/>
Глубина барботажа
/>м
Высота парожидкостного слоя на тарелках верхней части колонны:
/>м
на тарелках нижней части колонны:
/>м
Высота сливного порога
в верхней части колонны:
/>м
в нижней части колонны:
/>м
Динамическая глубина барботажа
/>м
Минимально допустимая скорость пара в свободном сечении колонны
Удельная весовая нагрузка клапана
/>кг/м2,
где /> — толщина клапана равная 0,001 м; /> — плотность материала(сталь) равная 7700 кг/м3
Минимально допустимая скорость пара в свободном сечении верхних тарелок:
/>м/с
в свободном сечении нижних тарелок:
/>м/с,
где /> – коэффициент сопротивления
Коэффициент запаса сечения:
/>
/>
Так как /> > 1 и /> > 1, выбранное свободное сечение тарелок обеспечивает их равномерную работу, принимаем />
Фактор аэрации
для верхних тарелок:
/>
для нижних тарелок:
/>
Газосодержание слоя
на верхних тарелках:
/>
на нижних тарелках:
/>
Высота слоя жидкости
на верхних тарелках:
/>м
на нижних тарелках:
/>м
Гидравлическое сопротивление тарелок
в верхней части колонны:
/>
/>Па
в нижней части колонны:
/>
/>Па
Высота сепарационного пространства между тарелками
в верхней части колонны:
/>м
в нижней части колонны:
/>м,
где К5 = 1 – коэффициент вспениваемости смеси
Межтарельчатый унос жидкости
в верхней части колонны:
/>кг/кг
в нижней части колонны:
/>кг/кг
Площадь поперечного сечения колонны:
/>м2
Скорость жидкости в переливных устройствах верхних тарелок:
/>м/с
в переливных устройствах нижних тарелок: продолжение
--PAGE_BREAK--
/>м/с
Допустимая скорость жидкости в переливных устройствах верхних тарелок:
/>м/с в переливных устройствах нижних тарелок:
/>м/с
Действительная скорость жидкости в переливах меньше допустимых.
Локальная эффективность контакта
Коэффициент диффузии пара
/>,
где />; /> удельный объем ацетона и бензола соответственно
Коэффициент диффузии пара в верхней части колонны:
/>
/>,
где /> — температура пара в верхней части колонны
Коэффициент диффузии пара в нижней части колонны:
/>
/>,
где /> — температура пара в нижней части колонны
для верхней части колонны:
/>,
где /> и /> – вязкости ацетона и бензола соответственно при температуре />°С, />/>, />/>
/>
/>,
где Ф = 1 – безразмерный параметр, учитывает ассоциацию молекул растворителя
/>
Коэффициент диффузии жидкости для нижней части колонны:
/>,
где /> и /> – вязкости ацетона и бензола соответственно при температуре />°С, />/>, />/>
/>
/>
/>
Число единиц переноса
в газовой фазе для верхней части колонны:
/>
/>
для нижней части колонны:
/>
/>
Число единиц переноса в жидкой фазе для верхней части колонны:
/>
/>
где />м/с
для нижней части:
/>
/>
где />м/с
Фактор отклонения
Среднее значение тангенсов угла наклона линии равновесия для верхней и нижней частей колонны:
/>
/>
/>
Фактор отклонения для верхней части колонны:
/>
для нижней части колонны:
/>
Общее число единиц переноса
для верхней части колонны:
/>
для нижней части колонны:
/>
Локальная эффективность тарелок
в верхней части колонны:
/> продолжение
--PAGE_BREAK--
в нижней части колонны:
/>
Эффективность тарелок по Мерфри
Коэффициент турбулентной диффузии
для тарелок в верхней части колонны:
/>,
где при h0> 0,25 мм А = 0,58∙10-4; />; />;
/>;
/>,
где />
/>
для тарелок в нижней части колонны:
/>,
где при h0> 0,25 мм А = 0,58∙10-4; />; />;
/>;
/>;
/>
Критерии Фурье
для тарелок в верхней части колонны:
/>
для тарелок в нижней части колонны:
/>
Эффективность тарелок
в верхней части колонны:
/>,
где />
/>в нижней части колонны:
/>
где />
/>
Число действительных тарелок
в верхней части колонны:
/>
в нижней части колонны:
/>
Высота верхней рабочей части колонны:
/>м
Высота нижней рабочей части колонны:
/>м
Гидравлическое сопротивление
верхней части колонны:
/>Па
Гидравлическое сопротивление нижней части колонны:
/>Па
Общее гидравлическое сопротивление рабочей части колонны:
/>Па
Расчет штуцеров
для исходной смеси:
/>м
для входа парожидкостной смеси:
/>м
для выхода пара:
/>м
для входа флегмы:
/>м
для выхода кубового остатка:
/>м
Заключение
Таблица 4. Основные параметры ректификационной колонны
Наименование параметра
Значение
Производительность />
15000
Состав исходной смеси
Ацетон бензол
Концентрация исходной смеси />
45
Концентрация кубового остатка />
5
Концентрация дистиллята />
96
Диаметр колонны, />
2,2
Межтарельчатое расстояние, />
0,5
Число тарелок
27
Высота верхней рабочей части колонны, />
10,5
Высота нижней рабочей части колонны, />
2,5
Локальная эффективность тарелок в верхней части колонны
0,69
Локальная эффективность тарелок в нижней части колонны
0,62
Общее гидравлическое сопротивление рабочей части колонны, Па
22090
Диаметр штуцера для исходной смеси, />
0,05
Диаметр штуцера для входа парожидкостной смеси, />
0,6
Диаметр штуцера для выхода пара, />
0,6
Диаметр штуцера для входа флегмы, />
0,06
Диаметр штуцера для выхода кубового остатка, />
0,08 продолжение
--PAGE_BREAK--
Список литературы
Ульянов. Б.А., Бадеников В.Я, Ликучев В.Г., процессы и аппараты химической технологии. Учебное пособие – Ангарск: Издательство ангарской государственной технической академии, 2005 г. — 903 с.
Дытнерский Ю.И. основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию / Под ред. Ю.И. Дытнерского. М.: химия, 1991.-496 с.
Методические указания по курсовому проектированию процессов и аппаратов химической технологии – Изд. 2-е, испр. И доп. – Ангарск, АГТА, 2005 г. — 64 с.