Расчет ректификационной установки

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Расчет ректификационной установки

Шашлова В.С.

Введение

Простейшими способами перегонки жидких смесей являются частичное испарение жидкости и конденсация полученных паров с отводом конденсата (простая перегонка) и частичная конденсация паров перегоняемой смеси с отводом конденсата. Каждый из этих процессов в отдельности не приводит к получению достаточно чистых продуктов, но осуществляя оба эти процесса одновременно и многократно в противоточных колонах, можно достичь разделения жидкой смеси на чистые компоненты. Такой процесс разделения жидких смесей при помощи одновременно и многократно повторяемых частичных испарений и конденсация называют ректификацией.

Целью ректификации является чёткое разделение жидких смесей на отдельные чистые компоненты.

Перегонка и ректификация применяются для получения различных продуктов в чистом виде, а также для разделения газовых смесей после их сжижения.

Большинство процессов химической технологии протекает только при определенной температуре, которая достигается путем подвода или отвода тепловой энергии (теплоты). Процессы, скорость протекания которых определяется скоростью подвода или отвода теплоты(нагревание, охлаждение, испарение, конденсация и др.), называют тепловыми. Движущей силой тепловых процессов является разность температур более нагретого и менее нагретого тела. Вещество участвующее в процессе теплообмена, отдающее тепло называют-теплоносителем.

Существуют два способа проведения тепловых процессов:

- путем непосредственного соприкосновения теплоносителей;

- путем передачи тепла через стенку, разделяющую теплоносители.

При передаче тепла непосредственным соприкосновением теплоносители обычно смешиваются друг с другом, что не всегда допустимо. Поэтому данный способ применяется сравнительно редко, хотя он значительно проще в аппаратурном оформлении. При передаче тепла через стенку теплоносители не смешиваются, а каждый из них движется по отдельному каналу. Поверхность стенки, разделяющая теплоносители, используется для передачи тепла и называется поверхностью теплообмена.

Передача тепла от одного тела к другому может происходить посредством простых процессов: теплопроводности, конвекции и теплового излучения и сложных процессов, состоящих из простых процессов.

Аппараты, в которых осуществляются тепловые процессы называются теплообменниками.

1. Общие сведения о процессе ректификации

Процесс ректификации осуществляется в ректификационной установке основным аппаратом, которой является ректификационная колонна. 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. Степень разделения смеси жидкостей на составляющие компоненты и чистота получаемых дистиллята и кубового остатка зависят от того, насколько развита поверхность контакта фаз, от количества подаваемой на орошение флегмы и устройства ректификационной колонны.

Процесс ректификации может протекать при атмосферном давлении, под вакуумом (для разделения смесей высококипящих веществ), а также под давлением больше атмосферного(для разделения смесей, являющихся газообразными при нормальных температурах).

Ректификационные установки по принципу действия делятся на периодические и непрерывные. В установках непрерывного действия разделяемая сырая смесь поступает в колонну и продукты разделения выводятся из нее непрерывно. В установках периодического действия разделяемую смесь загружают в куб одновременно и ректификацию проводят до получения продуктов заданного конечного состава.

В промышленности применяют тарельчатые, насадочные, пленочные трубчатые и центробежные пленочные аппараты. Они различаются в основном конструкцией внутреннего устройства аппарата, назначение которого - обеспечение взаимодействия жидкости и пара.

Преимущественное использование тарельчатых колонн в процессах перегонки объясняется их значительно большей производительностью по сравнению с насадочными.

Наиболее распространены колпачковые тарельчатые колонны, хотя в последнее время получили преимущество ситчатые, клапанные, чешуйчатые и другие более эффективные виды барботажных устройств, главным назначением которых является максимальное развитие межфазного контакта, что способствует интенсификации массообмена между парами и флегмой.

Принципиальная схема ректификационной установки

Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рисунке 1. 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

Контактные устройства в ректификационных колоннах

В ректификационных колоннах применяются несколько сотен конструкций контактных устройств, различающихся по областям применения, конструкции и технико-экономическим показателям. При выборе типа контактных устройств обычно руководствуются следующими основными показателями:

- производительностью - пропускной способностью по пару и жидкости;

- гидравлическим сопротивлением;

- высоким КПД - для тарелок и низкой ВЭТТ (высота, эквивалентная теоретической тарелке) - для насадок;

- низким гидравлическим сопротивлением (особенно в вакуумных колоннах);

- диапазоном рабочих нагрузок;

- возможностью работы в средах, склонных к образованию смолистых или других отложений;

- простотой конструкции, проявляющейся в трудоемкости изготовления, монтаже, ремонте, металлоемкости.

Итак, контактные устройства (КУ) бывают:

1) тарельчатые;

2) роторные;

3) насадочные (регулярные и нерегулярные).

По типу применяемых контактных устройств наибольшее распространение получили тарельчатые, а также ректификационные колонны.

Чтобы легче ориентироваться во всем многообразии тарельчатых КУ, приведем краткую их классификацию в табл. 1.

Таблица 1. Классификация тарельчатых контактных устройств и их свойства

Противоточные	Прямоточные	Перекрестно- точные	Перекрестно- прямоточные
решетчатые, дырчатые и др.	вихревые, центробежные и др.	ситчатые, колпачковые, S-образные, клапанные, клапанные с балластом, S-образные с клапаном, эжекционные и др.	струйные, струйные с отбойниками, перекрестно-прямоточные клапанные и др.
Положительные стороны
высокая производительность по жидкости	повышенная производительность	(кроме ситчатых) большое время пребывания жидкости	низкое гидравлическое сопротивление;
простота конструкции;		высокие эффективность, барботаж;	организация движения жидкости по тарелке
малая металлоемкость		наличие постоянного слоя на тарелке;
		отсутствие провала жидкости
Отрицательные стороны
низкая эффективность;	повышенное гидравлическое сопротивление;	небольшой диапазон эффективной работы;	эффективность контакта ниже, чем у перекрестноточных
узкий диапазон работы;	трудоемкость изготовления	металлоемки;
неравномерное распределение потоков по сечению колонны		сложность изготовления, монтажа
			застревание части клапана в одном положении;
		вылет клапанов из отверстий при повышенной паровой нагрузке.

В ранее построенных отечественных и зарубежных установках, в основном, применялись тарелки с круглыми колпачками (то есть с нерегулируемым сечением для паровой фазы; рис. 2 а, б, в).

Затем появились тарелки с желобчатыми колпачками (рис. 2 г), но из-за низкой их производительности и эффективности, большой металлоемкости, неравномерного распределения на них жидкости, такие тарелки перестали со временем выпускать и использовать.

Затем зарекомендовали себя тарелки с S-образными элементами (рис. 2 д); их уже можно было значительно легче изготовить, производить монтаж и демонтаж. Они же используются на некоторых установках и по сей день.



Рис. 2. Типы некоторых колпачков и клапанов: колпачки: а - круглый; б - шестигранный; в - прямоугольный; г - желобчатый; д - S-образный; клапаны: е - прямоугольный; ж - круглый с нижним ограничителем; з - круглый с верхним ограничителем; и - балластный; к - дисковый эжекционный перекрестно-точный; л - пластинчатый перекрестно-прямоточный; м - S-образный колпачок с клапаном; 1 - диск тарелки; 2 - клапан; 3 - ограничитель; 4 - балласт

В последние годы широкое распространение, особенно для работы в условиях значительно меняющихся скоростей газа, получили клапанные и балластные тарелки. Принцип действия клапанных тарелок (рис. 2 е, ж, з) состоит в том, что свободно лежащий над отверстием в тарелке клапан автоматически регулирует величину зазора между клапаном и плоскостью тарелки в зависимости от газопаровой нагрузки и тем самым поддерживает постоянную скорость газа, и, следовательно, гидравлическое сопротивление тарелки в целом. Высота подъема клапана ограничивается высотой ограничителя (кронштейна, ножки).

Балластные тарелки (рис. 2 и)отличаются по устройству от клапанных тем, что в них между легким клапаном и ограничителем установлен более тяжелый клапан - балласт. Клапан начинает приподниматься при небольших скоростях газа или пара. С дальнейшим увеличением скорости газа клапан упирается в балласт и затем поднимается вместе с ним. В результате балластная тарелка, по сравнению с чисто клапанной, значительно раньше вступает в работу, имеет более широкий диапазон, более высокую (на 15-20 %) эффективность разделения и пониженное (на 10-15 %) гидравлическое сопротивление.

Однако более прогрессивными и эффективными по сравнению с колпачковыми, являются комбинированные колпачково-клапанные тарелки (рис. 2 к, л, м). Так, S-образная тарелка с клапаном (рис. 2 м) работает следующим образом: при низких скоростях газ (пар) барботирует преимущественно через прорези S-образных элементов и при достижении некоторой скорости газа включается в работу клапан. Такая двухстадийная работа тарелки позволяет повысить производительность ректификационной колонны на 25-30 % и сохранить высокую эффективность разделения в широком диапазоне рабочих нагрузок.

Перекрестно-прямоточные тарелки отличаются от перекрестно-точных тем, что в них энергия газа (пара) используется для организации направленного движения жидкости по тарелке, в результате чего повышается производительность колонны.

Среди клапанных тарелок нового поколения можно отметить дисковые эжекционные и пластинчатые эжекционные (рис. 2 к, л), а также трапециевидные. Эжекционная клапанная тарелка представляет собой полотно с отверстиями и переливными устройствами. В отверстия полотна тарелок устанавлваются клапаны, представляющие собой вогнутый диск с просечными отверстиями для эжекции жидкости. Они могут иметь распределительный выступ для равномерного стока жидкости в эжекционные каналы (или прогиб). Клапан имеет четыре ограничительные ножки и двенадцать эжекционных каналов. Их изготавливают штамповкой из нержавеющей стали. К тому же они экономически выгодны при модернизации колпачковых тарелок, так как при этом не требуется замена полотен.

При работе газ или пар поступает под клапан, приподнимает его и барботирует через слой жидкости, протекающей по полотну тарелки (рис. 3). Часть жидкости из небарботируемой зоны стекает через направленные прорези и за счет эжекции диспергируется газовым потоком, выходящим из-под клапана.

Рис. 3. Принцип работы эжекционной тарелки

Предлагаемая конструкция трапециевидного клапана (рис. 4) обеспечивает саморегулирование и перераспределение парового потока. Отогнутые под углом к плоскости клапана прорезные части бортов обеспечивают направленный под острым углом к тарелке ввод пара, что способствует уменьшению уноса за счет инерциальных сил и повышает эффект компенсации прямотока.

Рис. 4. Трапециевидная тарелка: а - трапециевидный клапан; б - тарелка с трапециевидными клапанами

Сравнительные характеристики высокоэффективных клапанных тарелок приведены в табл. 2.

Таблица 2. Характеристики клапанных тарелок (по сравнению с колпачковыми)

Параметры	Эжекционные	Трапециевидные
производительность	выше в 2 раза	выше чем в 2 раза
эффективность (КПД)	80-100 %	60-80 %
металлоемкость	ниже на 30 %
гидравлическое сопротивление	3-9 мм рт. ст. (0,3-0,3 кПа)	2-5 мм рт. ст.

Интересной особенностью конструкции обладают клапаны с дугообразной перегородкой (рис. 5).

Рис. 5. Конструкция клапана с дугообразной перегородкой: а - общий вид (стрелками показаны направления потоков газа при выходе из-под клапана); б, в - схемы взаимодействия потоков газа в контактной зоне; 1 - клапан; 2 - дугообразная перегородка

Перегородка рассекает газовый поток на части и придает ему соответствующие направление и скорость движения. Благодаря такой перегородке можно создавать различные соотношения выходящих из под клапана потоков газа (П1, П2, П3), изменяя соотношение площадей сечений для их выхода. Направления потоков П1 и П3 перпендикулярны течению жидкости, а направление потока П2 совпадает с направлением движения жидкости. Потоки с разными направлениями движения определяют схему взаимодействия фаз в контактной зоне и гидродинамическую обстановку на тарелке.

Струйно-направленные тарелки также нашли свое применение в нефтепереработке (рис. 6 а, б). Они могут использоваться как в условиях низкого вакуума, так и при атмосферном или повышенном давлении. Их основанием служит перфорированный лист, в котором выштампованы и отогнуты под углом 20-40о к ее полотну полукруглые лепестки. На полотне тарелки поперек движения потока жидкости установлены вертикальные перегородки, у основания которых выполнены прямоугольные прорези. Перегородки разделяют тарелку на ряд секций и обеспечивают интенсивное взаимодействие потоков газа и жидкости в каждой такой секции и на тарелке в целом. Варьируя число, радиус и угол отгиба лепестков, можно регулировать производительность тарелки.

Для уменьшения гидравлического сопротивления, упорядочения взаимодействия фаз при высоких газовых нагрузках и сохранения принципа секционирования в конструкции тарелки, представленной на рис. 6 в, используется эффект компенсации прямотока. Данный эффект создавается при перекрестном взаимодействии струй газа и жидкости, выходящих из-под лепестков, расположенных взаимно перпендикулярно.

На рис. 6 г также показан режим компенсированного прямотока. На полотне тарелки размещены группы из двух или более лепестков, оси которых, пересекаясь, образуют пучок прямых. Точки пересечения этих прямых располагаются в шахматном порядке, а их ряды - перпендикулярно направлению движения жидкости.



Рис. 6. Схема струйно-направленной тарелки с вертикальными поперечными секционирующими перегородками: а - общий вид; б - схема контактной зоны; в, г - с вводом части потока газа поперек потока жидкости и под углом к потоку соответственно; д - усовершенствованная конструкция лепестков; е - полотно тарелки с поперечными перегородками в форме гребенки; ж - перегородка в форме гребенки из отдельных лопаток; 1 - корпус колонны; 2 - полотно тарелки; 3 - приемный карман; 4 - стенка переливного кармана; 5 - подпорная перегородка; 6 - лепесток (язычок); 7, 8 - соответственно вертикальная и сливная перегородки; 9 - прорезь в вертикальной перегородке; 10 - конические поверхности; 11 - перегородка в форме гребенки; 12 - отдельные лопатки перегородок

Оригинальная конструкция лепестков для струйно-направленных тарелок представлена на рис. 6 д. Каждый лепесток выполнен из трех частей: средняя - по форме плоского кругового сектора; а боковые - по форме конической поверхности. Выходящий из-под лепестков газовый поток формируется в виде трех струй, одна из которых движется по тарелке в направлении потока жидкости, а две другие - под углом к нему.

Для предотвращения сдувания жидкости к одной из сторон тарелки и более равномерного распределения газа направляющие пластины перегородок повернуты в противоположные стороны. Особенно эффективны такие тарелки в аппаратах, работающих с большими нагрузками по газу и жидкости. Более совершенную конструкцию имеют тарелки с поперечными перегородками (рис. 6 ж), направляющие пластины которых выполнены в виде лопаток, соединенных между собой по вертикали. Плоскости смежных лопаток развернуты одна относительно другой и расположены симметрично относительно направления движения жидкости.

При встрече с лопатками газожидкостной поток делится по высоте на отдельные слои, движущиеся в перекрещивающихся направлениях и взаимодействующие на границах соприкосновения, турбулизируя сплошную фазу, и тем самым, повышая процесс массопередачи.

Не так давно стали предлагать высокопроизводительные тарелки центробежного типа (рис. 7), хотя идея использования закрученного газового потока была предложена русскими учеными в начале 60-х годов прошлого столетия.

Рис. 7. Центробежная тарелка: а - детали центробежной тарелки и порядок их сборки; б - общий вид тарелки; 1 - полотно; 2 - завихритель; 3 - полукруглое окно; 4 - сепарационная обечайка; 5 - отражатель; 6 - переточная труба

Работа центробежной тарелки заключается в том, что жидкость с помощью специального распределителя направляется через переливные трубы в центр каждого элемента и через щель между концом трубы и основанием тарелки поступает на лопастной завихритель. Газ проходит через завихритель снизу и, поднимаясь, закручивается, подхватывая жидкость и отбрасывая ее на сепарационную обечайку. На внутренней поверхности последней жидкость под действием центробежной силы выделяется через вертикальные щели, перетекает в межэлементное пространство, а затем через переточные трубы - на нижерасположенную тарелку.

С увеличением скорости газа в центре завихрителя понижается давление и увеличивается пропускная способность переточной трубы. Таким образом, в центробежной тарелке одновременно повышается производительность по газовой и жидким фазам.

Предлагается применять центробежные тарелки в секциях наиболее нагруженных по пару и жидкости, например, в зоне циркуляционных орошений или в секции разделения керосиновой и легкой дизельной фракций.

К тому же, преимущество предложенной конструкции состоит в том, что перепад давления значительно меньше, чем в обычных центробежных тарелках, так как здесь используются два завихрителя, а следовательно, на второй завихритель поступает поток пара, уже закрученный на первом. В итоге общий перепад давления ниже, а нагрузка по жидкости больше.

Равномерность барботажа по площади тарелки определяет ее эффективность и зависит от точности горизонтальной установки полотна тарелки. Неравномерность барботажавдоль движения жидкости связана с градиентом уровня жидкости на тарелке от точки ввода до сливного кармана. Градиент уровня жидкости зависит от плотности орошения тарелки - часового объема жидкости, отнесенного к длине сливной перегородки. Для перекрестноточных тарелок барботаж паров также является дополнительным сопротивлением движению жидкости. Допустимый градиент жидкости составляет 1-2 мм/м длины полотна тарелки, при его повышении барботажная зона смещается в направлении сливного кармана, где высота жидкости меньше. При этом со стороны ввода жидкости на тарелку пар не барботирует, что приводит к провалу части жидкости и снижению эффективности. В зоне интенсивного барботажа часть паров не успевает отделиться и увлекается жидкостью в сливной карман; плотность парожидкостной смеси в кармане уменьшается, что приводит к увеличению высоты слоя жидкости в нем и заливу тарелки. Поэтому для лучшей сепарации фаз необходима успокоительная зона перед сливным карманом; а при очень больших расходах жидкости с целью лучшей ее дегазации применяют сегментные переливы с наклонными планками.

Для уменьшения плотности орошения применяют тарелки с двумя или четырьмя сливными перегородками. Тарелки с высокой жидкостной нагрузкой также монтируют с уклоном по ходу движения жидкости. В этом случае движущей силой потока жидкости является геометрическая разность высот точек вывода и ввода жидкости на тарелке, а высота слоя жидкости остается постоянной на всем протяжении ее движения.

Необходимо учитывать, что величины жидкостных и паровых потоков внутри ректификационных колонн различны по высоте и меняются в очень широких пределах.

Следует отметить, что универсальных конструкций тарелок, эффективно работающих «всегда и везде», не существует. При выборе конкретного типа из множества вариантов следует отдать предпочтение той конструкции, основные показатели эффективности которой в наибольшей степени удовлетворяют требованиям, предъявляемым исходя из функционального назначения ректификационных колонн. Например, в вакуумных колоннах предпочтительно применение КУ, имеющих как можно меньшее гидравлическое сопротивление.

2. Технологический расчет ректификационной колонны непрерывного действия

Задание

Рассчитать основные размеры колонны ректификации смеси ацетон-бензол.

Давление в колонне: 1 ата

Количество исходной смеси: = 10т/ч=10 000 кг/ч

Концентрация исходной смеси: = 45% масс.

дистиллята: = 96% масс.

кубового остатка: = 4% масс.

Расход исходной смеси 10 т/ч.

Колонна тарельчатого типа оснащена ситчатыми тарелками.

Построение ступеней процесса ректификации

Пересчет массовых долей в мольные

,

где МА и МB- мольные массы ацетона и этанола, соответственно.

МА= 58 кг/кмоль; МЭ= 48 кг/кмоль

Таблица 2

ХF=	0,45/58	= 0,4моль.дол
	0,45/58 + (1 - 0,45)/48
ХW=	0,04/58	= 0,03моль.дол
	0,04/58 + (1 - 0,04)/48
ХD=	0,96/58	= 0.96моль.дол
	0,96/58 + (1 - 0,96)/48

Материальный баланс колонны

Молярная масса исходной смеси:

MF = MA• ХF+ MВ • (1 - ХF)= 58 • 0,4 + 48 • (1 -0,4) = 52кг/моль

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

Равновесие между паром и жидкостью

Таблица 3. Равновесные составы жидкости (x) и пара (y) в мол.% и температуры кипения (t) в °C бинарных смесей при 760 мм.рт. ст.

x	0	5	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
y	0	15,5	26,2	41,7	52,4	60,5	67,4	73,9	80,2	86,5	92,9	100
t	78,3	75,4	73	69	65,9	63,6	61,8	64,4	59,1	58	57	56,1

Минимальное флегмовое число

bmax= 0,35

Рабочее флегмовое число.

1. ; - коэффициент избытка флегмы

2.

3.

4.

5.

Оптимальное флегмовое число

Таблица 4. Число теоретических ступеней при разных коэффициентах избытка флегмы

	1,1	1,3	1,7	2	2,5
R	1,74	2,26	3,0	3,48	4,35
b	0,33	0,29	0,24	0,21	0,18
nтс	36	29	24	21	18
	98,6	94,5	96	94,08	96,3

1.1 Мольный расход жидкости в верхней и нижней части колонны

кмоль/с

кмоль/с

1.2 Мольный расход пара в колонне

кмоль/с

График построенный на основе данных табл. 2 показывает, что минимальный объем колонны будет иметь место при R = 3,48. Примем это флегмовое число для дальнейших расчетов и соответствующее ему число теоретических ступеней nTC =5и nTС = 10.

2. Физико-химические свойства паровой и жидкой фаз для верха и низа колонны

2.1 Средние мольные концентрации жидкости и пара

1 - линия жидкости, 2 - линия пара.

моль.дол.

моль.дол.

По диаграмме t - x, y (рис. 3), при средних концентрациях жидкости и , определим средние температуры жидкости: tв = 59оС (Т = 332К) и tн= 67оС (Т = 340К);

моль.дол.

моль. дол.,

где YD = XD; YW = XW; YF - состав пара, соответствующий составу исходной смеси XF.

По диаграмме t - x, y, при средних концентрациях пара и определим средние температуры пара: :tв = 61оС (Т = 334 К) и tн= 71оС (Т = 344К).

Средние мольные массы жидкости и пара

кг/кмоль

кг/кмоль

кг/кмоль

кг/кмоль

2.2 Средние плотности жидкости и пара

Пересчет мольных концентраций в массовые:

масс.дол.

масс.дол.

кг/м3,

где и - плотности ацетона и этанола соответственно при температуре°С,кг/м3, кг/м3

кг/м3,

где и - плотности ацетона и этанол соответственно при температуре °С, кг/м3, кг/м3

кг/м3

кг/м3,

где Т0 - абсолютная температура, равная 273К

2.3 Средние вязкости жидкости и пара

,

где и - вязкости ацетона и этанола соответственно при температуре°С, ,

,

где и - вязкости ацетона и этанола соответственно при температуре°С, ,

,

где и - вязкости ацетонаи этанола соответственно при температуре°С, ,

,

где и - вязкости ацетона и этанола соответственно при температуре°С, ,

2.4 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 5. 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=0,118	=54,8	=745,8	=6,47	=8,86•10-3
2	Жидкость в нижней части колонны	Lн=0,168	=50,2	=731,7	=8,43	=1,15•10-2
3	Пар в верхней части колонны	Gв=0,1454	=55,85	=2,038	=8,49	=4,2
4	Пар в нижней части колонны	Gв=0,1454	=51,2	=1,81	=7,78	=4,29

3. Гидравлический расчет колонны

3.1 Коэффициент увеличения нагрузки

3.2 Оценочная скорость пара для верхней части колонны:

м/с

для нижней части:

м/с

3.3 Диаметр

верхней части колонны:

м

нижней части колонны:

м

3.4 Действительная скорость пара

Так как принимаем колонну диаметром м

в верхней части колонны:

м/с

в нижней части колонны:

м/с

3.5 Относительная активная площадь тарелки

Периметр слива м; относительное сечение перелива; относительное свободное сечение fc=12,4%.

Относительная активная площадь тарелки:

3.6 Фактор нагрузки

для верхней части колонны:

для нижней части колонны:

Коэффициент поверхностного натяжения

для верхней части колонны:

для нижней 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

3.7 Проверка условий допустимости скоростей пара для верхней и нижней частей колонны:

>; <;1,088<1,34

>; <; 1,21<1,37

Видно, что условие не выполняется ни для верхней, ни для нижней частей колонны. Увеличим расстояние между тарелками м;

Допустимая скорость пара в рабочем сечении колонны

для верхней части:

м/с

для нижней части колонны:

м/с

>; <;1,324<1,34

>; <; 1,22>1,37

Видно, что условие выполняется только для верхней части колонны. Увеличим расстояние между тарелками м;

Допустимая скорость пара в рабочем сечении колонны для верхней части:

м/с

для нижней части колонны:

м/с

>; <;1,510>1,34

>; <; 1,637>1,37

Условия выполняются.

3.8 Удельная нагрузка жидкости на сливную перегородкув верхней части колонны:

м3/м•с

в нижней части колонны:

м3/м•с

3.9 Фактор паровой нагрузки для верхней части колонны:

для нижней части колонны:

Подпор жидкости над сливным порогом в верхней части колонны:

в нижней части:

3.10 Глубина барботажам, высота прорези колпачка h3=0,02 м, зазор установки колпачка h4=0,014 м.

Высота парожидкостного слоя на тарелках верхней части колонны:

м

на тарелках нижней части колонны:

3.11 Высота сливного порогав верхней части колонны:

м

в нижней части колонны:

м

3.12 Динамическая глубина барботажа

м

3.13. Минимально допустимая скорость пара в свободном сечении колонны

м/с

м/с

Выбираем ближайшее меньшее свободное сечение тарелок и полагаем

3.14. Фактор аэрации для верхних тарелок:

для нижних тарелок:

3.15. Газосодержание слоя

на верхних тарелках:

на нижних тарелках:

3.16. Высота слоя жидкости

на верхних тарелках:

м

на нижних тарелках:

м

3.17. Гидравлическое сопротивление тарелок

Рассчитаем коэффициент гидравлического сопротивления для ситчатых тарелок:

в верхней части колонны:

Па

в нижней части колонны:

Па

3.18. Высота сепарационного пространства между тарелками

в верхней части колонны:

м

в нижней части колонны:

м,

где К5 = 1 - коэффициент вспениваемости смеси

3.19. Межтарельчатый унос жидкости

в верхней части колонны:

кг/кг

в нижней части колонны:

кг/кг

3.20. Площадь поперечного сечения колонны:

м2

Скорость жидкости в переливных устройствах верхних тарелок:

м/с

в переливных устройствах нижних тарелок:

м/с

3.21. Допустимая скорость жидкости в переливных устройствах верхних тарелок:

м/с

в переливных устройствах нижних тарелок:

м/с

Видно, что действительные скорости жидкости в переливах меньше допустимых.

4. Локальная эффективность контакта

4.1. Коэффициент диффузии пара

где ; удельный объем ацетона и этанола соответственно.

4.2. Коэффициент диффузии пара в верхней части колонны:



,

где - температура пара в верхней части колонны

4.3. Коэффициент диффузии пара в нижней части колонны:

,

где - температура пара в нижней части колонны

для верхней части колонны:

где и - вязкости ацетона и этанола соответственно при температуре°С, ,

,

где Ф = 1 - безразмерный параметр, учитывает ассоциацию молекул растворителя

4.4. Коэффициент диффузии жидкости для нижней части колонны:

,

где и - вязкости бензола и толуола соответственно при

температуре°С, ,

4.5. Число единиц переноса

в газовой фазе для верхней части колонны:

для нижней части колонны:

4.6. Число единиц переноса в жидкой фазе для верхней части колонны:

где м/с

для нижней части:



м/с

4.7. Фактор отклонения

Среднее значение тангенсов угла наклона линии равновесия для верхней и нижней частей колонны:

4.8. Фактор отклонения для верхней части колонны:

для нижней части колонны:

4.9. Общее число единиц переноса

для верхней части колонны:

для нижней части колонны:



4.10. Локальная эффективность тарелок

в верхней части колонны:

в нижней части колонны:

5. Эффективность тарелок по Мерфри

5.1. Коэффициент турбулентной диффузии

для тарелок в верхней части колонны:

м2/с

для тарелок в нижней части колонны:

м2/с

5.2. Критерии Фурье

для тарелок в верхней части колонны:

, где

для тарелок в нижней части колонны:

5.3. Эффективность тарелок

в верхней части колонны:

, где

в нижней части колонны:

,

5.4. Число действительных тарелок

в верхней части колонны:

в нижней части колонны:

5.5. Высота колонны:

Высота верхней рабочей части колонны:

м

Высота нижней рабочей части колонны:

м

Высота крышки:

Высота днища:

Общая высота колонны:

м

5.6. Гидравлическое сопротивление

верхней части колонны:

Па

нижней части колонны:

Па

Общее гидравлическое сопротивление рабочей части колонны:

Па

Таблица 6. Основные параметры ректификационной колонны

Наименование параметра	Значение
Рабочее флегмовое число	3,48
Диаметр колонны, м	2
Межтарельчатое расстояние, м	0,6
Число действительных тарелок всего	12
из них верхних	7
из них нижних	5
Высота верхней рабочей части колонны, м	4,2
Высота нижней рабочей части колонны, м	2,4
Локальная эффективность тарелок в верхней части колонны	0,80
Локальная эффективность тарелок в нижней части колонны	0,71
Общее гидравлическое сопротивление рабочей части колонны, Па	2470
из них в верхней части колонн, Па	1397
из них в нижней части колонны, Па	3867

Список литературы

ректификационный конденсат тарельчатый

1. Ульянов Б.А., Бадеников В.Я., Лукучев В.Г. Процессы и аппараты химической технологии. - Ангарск: АГТА, 2006. - 744 с.

2. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по курсовому проектированию/Под ред. Ю.И. Дытнерского. - М.: Химия 1983. - 724 с.

Размещено на Allbest.ru

...