Расчет тарельчатой ректификационной колонны непрерывного действия

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ

В химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности часто возникает необходимость разделить смеси двух или большего числа жидкостей на отдельные составляющие. Наиболее характерным примером является разделение нефтепродуктов на отдельные фракции, обладающие различными летучестями.

Процесс разделения основан на том, что все жидкости, составляющие смеси, имеют разные летучести или, иначе говоря - разные температуры кипения при одинаковом внешнем давлении. Следствием такого свойства жидкостей является различное количество паров компонентов над жидкой смесью. Пары над смесью оказываются обогащенными парами более летучих компонентов. Если смесь таких паров отделить от жидкой фазы и полностью сконденсировать, то состав полученного конденсата будет таким же, что и состав паров. Следовательно, новая жидкая смесь окажется в большей степени обогащенной относительно более летучим компонентом по сравнению с исходной жидкой смесью.

Для этого широко применяют ректификацию, которая осуществляется в аппаратах, называемых ректификационными колоннами. Они бывают с непрерывным контактом фаз - насадочные колонны, и со ступенчатым контактом фаз - аппараты тарельчатого типа (с колпачковыми, ситчатыми, клапанными и решетчатыми тарелками).

Основной объем насадочной колонны заполняется беспорядочно насыпанной дисперсной насадкой, т.е. твердым материалом, химически инертным по отношению к обеим фазам и к целевому компоненту (кольца Рашига, Седла Берля, Инталокс и др.). Назначение слоя насадки - создание значительной поверхности контакта жидкой и газовой фаз в результате стекания жидкости по всей поверхности элементов насадки в виде пленки и прохождения газового потока в пустотах между элементами насадки и внутри них. Поверхность контакта фаз приблизительно равна суммарной поверхности насадки.

В тарельчатой колонне жидкая и газовая фазы контактируют только на тарелках, где газ барботирует через слой жидкости. Жидкость перетекает с верхней тарелки на нижнюю по вертикальным перетокам, а газовая фаза проходит снизу вверх через отверстия тарелок и всплывает в слоях жидкости в виде многочисленных пузырьков. Поверхностью контакта фаз является суммарная поверхность всех газовых пузырьков, в слоях жидкости на тарелках. Подлежащая разделению бинарная смесь начального состава вводится на некоторую промежуточную по высоте колонны тарелку( или промежуточную точку по высоте насадочной колонны). Смесь подается при температуре ее кипения (или близкой к ней). В кубе-испарителе из кипящей в нем кубовой жидкости непрерывно образуется пар. Чтобы поддержать энергоемкий процесс парообразования, в куб необходимо подавать греющий водяной пар, при конденсации которого выделяется необходимая теплота. Образующиеся в кубе-испарителе пары движутся вверх, вступают в контакт с жидкой фазой, обогащаются летучим компонентом. При этом жидкость обедняется им. Пройдя весь путь пар поступает в дефлегматор, где конденсируется, делится на два потока (флегму и дистиллят). Флегма возвращается в колонну, чтобы паровому потоку было из чего извлекать летучий компонент, обедняется более летучим компонентом и приходит в куб-испаритель. Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный процесс разделения подаваемой в колонну исходной смеси на дистиллят и кубовый остаток. Основные достоинства тарельчатых колонн - способность работать при больших нагрузках по жидкости, на потоках жидкости и пара, содержащих механические примеси, на агрессивных потоках. Эти колоны просты по монтажу и изготовлению, долговечны.

ректификационная колонна расчет схема

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И СВОЙСТВА РЕКТИФИКАЦИИ

Ректификация - разделение жидких однородных смесей на составляющие вещества или группы составляющих веществ в результате противоточного взаимодействия паровой смеси и жидкой смеси.

Возможность разделения жидкой смеси на составляющие её компоненты ректификацией обусловлена тем, что состав пара, образующегося над жидкой смесью, отличается от состава жидкой смеси в условиях равновесного состояния пара и жидкости.

Сущность процесса ректификации рассмотрим на простейшем примере разделения двухкомпонентной смеси, как и в случае нашего задания по курсовому проектированию, где требуется спроектировать ректификационную установку для разделения смеси «бензол-толуол». При ректификации исходная смесь делится на две части: часть, обогащенную легколетучим компонентом (ЛЛК), называемую дистиллятом, и часть, обедненную ЛЛК, называемую кубовым остатком.

Обычно ректификационный аппарат состоит из двух частей: верхней и нижней, каждая из которых представляет собой организованную поверхность контакта фаз между паром и жидкостью.

В нижней части исходная смесь взаимодействует с паром, начальный состав которого равен составу кубового остатка. Вследствие этого из смеси извлекается легколетучий компонент.

В верхней ступени пар начального состава соответствующий составу исходной смеси, взаимодействует с жидкостью, начальный состав которой равен составу дистиллята. Вследствие этого пар обогащается легколетучим компонентом до требуемого предела, а менее летучий компонент извлекается из паровой фазы.

Пар для питания ректификационной колонны получается многократным испарением жидкости, имеющей тот же состав, что и кубовый остаток, а жидкость - многократной конденсацией пара, имеющего состав, одинаковый с составом дистиллята.

Рассматривая взаимодействие пара и жидкости в колонне, принимается допущение:

1. Мольные теплоты испарения компонентов одинаковы, поэтому каждый кмоль пара при конденсации испаряет соответственно кмоль жидкости и, следовательно, мольный поток пара, движущегося снизу вверх, одинаков в любом сечении аппарата.

2. При конденсации пара в конденсаторе не происходит изменения состава пара, и, следовательно, состав пара, уходящего из колонны, равен составу дистиллята: х_p = у_p.

3. При испарении жидкости в нижней части аппарата не происходит изменения ее состава, и, следовательно, состав пара, образующегося в испарителе, равен составу кубового остатка: х_w = у_w.

Полученный в конденсаторе дистиллят делится на две части. Одна часть направляется обратно в колонну - флегма, другая является отбираемым продуктом - дистиллят. Отношение количества возвращенного в колонну дистиллята (флегмы) к количеству дистиллята, отобранного в виде продукта - называется флегмовым числом R.

Это равенство доказывает, что разделение смеси при ректификации возможно в результате взаимодействия потоков пара и жидкости в колонне, при кратности испарения равной R + 1, и кратности конденсации, равной R.

Флегмовое число:

Уравнения рабочих линий для верхней и нижней частей ректификационной колонны соответственно:



Эти уравнения связывают составы в паре (Y) и жидкости (X) в любом произвольном сечении в соответственно укрепляющей и исчерпывающей частях колонны.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ОСНОВНЫХ РЕКТИФИКАТОРОВ И ИХ ВИДЫ

1. Ректификационная установка непрерывного действия

Схема ректификационной установки непрерывного действия для разделения бинарной смеси приведена на Рисунке 1.

Рисунок 1.

Исходная смесь, с содержанием низкокипящего компонента Хf в количестве F поступает на питающую тарелку (эвапорационное пространство) с температурой tf. На питающей тарелке происходит процесс однократного испарения (ОИ), в результате которого образуется паровая фаза, обогащенная НК и жидкая фаза, обогащенная ВК. Жидкая фаза стекает с питающей тарелки вниз и поступает в куб колонны, где происходит интенсивное испарение. Образующийся пар подается вниз колонны и движется навстречу стекающей жидкости. На всем пути происходит тепломассообмен между паром и жидкостью, т.к. поступающий на каждую тарелку пар имеет температуру выше, чем жидкость, поступающая на эту тарелку сверху. В результате массообмена на выходе из колонны пар дистиллята содержит главным образом низкокипящий компонент, а жидкость в кубе колонны - в основном высококипящий компонент. Выходящий пар дистиллята из колонны подвергается процессу дефлегмации с дальнейшим разделением потока на продукт (Р) с содержанием НК Хр и жидкую фазу, флегму в количестве (Ф) с содержанием НК Хф. Флегма подается на орошение колонны сверху. Высокое содержание НК в потоке флегмы предопределяет, что в верхней части колонны (от питающей тарелки вверх) происходит, главным образом, укрепление паровой фазы низкокипящим компонентом. По этой причине верхняя часть колонны называется укрепляющей или концентрационной. Нижняя часть колонны (от питающей тарелки вниз) называется исчерпывающей или отгонной частью, поскольку именно в этой части происходит основной отгон НК из жидкости в пар. В самом общем случае орошение колонны флегмой может осуществляться по разным вариантам [1,6]. Однако с целью упрощения расчетов в данных методических указаниях предлагается следующий вариант орошения: пар дистиллята состава УG поступает в дефлегматор, где происходит его полная конденсация и затем образующийся конденсат разделяется на два потока: горячая флегма подается на орошение, а оставшаяся часть конденсата, пройдя через холодильник, выводится из установки и поступает в виде готового продукта Р с содержанием НК Хр в рефлюксную емкость. Исходная смесь в количестве F с содержанием НК Хf может подаваться на питающую тарелку в колонну в различных состояниях и при различной температуре. Чаще всего исходная смесь предварительно подогревается в теплообменнике до температуры кипения и подается в виде кипящей жидкости.

2. Ректификационная установка периодического действия.

При осуществлении периодического процесса (Рисунок 2.) разделяемая смесь предварительно заливается в испаритель - куб колонны, доводится до кипения и испаряется. Образовавшийся пар проходит через колонну, орошаемую подаваемой сверху флегмой, представляющую собой часть сконденсированного продукта. При взаимодействии флегмы и паровой фазы последняя обогащается легколетучим компонентом. Установка периодического действия работает в нестационарном режиме, то есть концентрация легколетучего компонента и в кубе во времени непрерывно уменьшается, при условии, что расход флегмы постоянен.

Рисунок 2. Схема ректификационной установки периодического действия: 1 - куб колонны; 2 - ректификационная колонна; 3 - дефлегматор; 4 - отделитель флегмы; 5 - холодильник; 6 - сборники готового продукта.

КЛАССИФИКАЦИЯ И ВИДЫ БАРБОТАЖНЫХ КОЛОНН (ТАРЕЛОК)

При количественном расчёте работы ректификационных колонн используется понятие теоретическая тарелка (гипотетическое контактное устройство, в котором устанавливается термодинамическое равновесие между покидающими его потоками пара и жидкости, то есть концентрации компонентов этих потоков связаны между собой коэффициентом распределения). Любой реальной ректификационной колонне можно поставить в соответствие колонну с определённым числом теоретических тарелок, входные и выходные потоки которой как по величине, так и по концентрациям совпадают с потоками реальной колонны. Исходя из этого, определяют КПД. колонны как отношение числа теоретических тарелок, соответствующих этой колонне, к числу действительно установленных тарелок. Для насадочных колонн можно определить величину ВЭТТ (высоту, эквивалентную теоретической тарелке) как отношение высоты слоя насадки к числу теоретических тарелок, которым он эквивалентен по своему разделительному действию.

Используют различные виды тарелок: ситчатые, колпачковые, провальные, клапанные, пластинчатые и др.

1. Ситчатые тарелки.

Применяют главным образом при ректификации спирта и жидкого воздуха. Допустимые нагрузки по жидкости и пару для них относительно невелики, и регулирование режима их работы затруднительно. Жидкость и пар проходят попеременно через каждое отверстие в зависимости от соотношения их напоров. Тарелки имеют малое сопротивление, высокий КПД, работают при значительных нагрузках и отличаются простотой конструкции. Массо - и теплообмен между паром и жидкостью в основном происходят на некотором расстоянии от дна тарелки в слое пены и брызг. Давление и скорость пара, проходящего через отверстия сетки, должны быть достаточны для преодоления давления слоя жидкости на тарелке и создания сопротивления ее отеканию через отверстия, ситчатые тарелки необходимо устанавливать строго горизонтально для обеспечения прохождения пара через все отверстия тарелки, а также во избежание стекания жидкости через них. обычно диаметр отверстий ситчатой тарелки принимают в пределах 0,8--8,0 мм.

Колонна с ситчатыми тарелками представляет собой вертикальный цилиндрический корпус с горизонтальными тарелками (Рисунок 3.), в которых равномерно по всей поверхности просверлено значительное число отверстий диаметром 1-5 мм. газ проходи сквозь отверстия тарелки и распределяется в жидкости в виде мелких струек и пузырьков. ситчатые тарелки отличаются простотой устройства, легкостью монтажа, осмотра и ремонт. гидравлическое сопротивление этих тарелок невелико. ситчатые тарелки устойчиво работают довольно широком интервале скоростей газа, причем в определенном нагрузок по газу и жидкость эти тарелки обладают высокой эффективностью. вместе с тем ситчатые тарелки чувствительны загрязнителям и осадкам, которые забивают отверстия тарелок.

Рисунок 3.

2. Колпачковые тарелки.

Колпачки имеют отверстия или зубчатые прорези, расчленяющие пар на мелкие струйки для увеличения поверхности соприкосновения его с жидкостью (Рисунок 4). Переливные трубки служат для подвода и отвода жидкости и регулирования уровня жидкости на тарелке. Основной областью массообмена и теплообмена между парами и жидкостью, как показали исследования, является слой пены и брызг над тарелкой, создающийся в результате барботажа пара. Высота этого слоя зависит от размеров колпачков, глубины их погружения, скорости пара, толщины слоя жидкости на тарелке, физических свойств жидкости и др. Следует отметить, что, кроме колпачковых тарелок, применяют также клапанные, желобчатые, S-образные, чешуйчатые, провальные и другие конструкции тарелок. Достоинством колпачковых тарелок является удовлетворительная работа в широком диапазоне нагрузок по жидкости и пару, а также небольшая стоимость эксплуатации.

При барботаже пара через жидкость различают три режима барботажа:

Ш Пузырьковый режим (пар пробулькивается в виде отдельных пузырьков, образующих цепочку около стенки колпачка);

Ш Струйный режим (отдельные пузырьки пара сливаются в непрерывную струйку);

Ш Факельный режим (отдельные пузырьки пара сливаются в общий поток, имеющий вид факела).

Менее чувствительны к загрязнениям, чем ситчатые, и отличаются более высоким интервалом устойчивой работы колонны с колпачковыми тарелками. Газ на тарелку поступает по патрубкам, разбиваясь затем прорезями колпачка на большое число отдельных струй. Далее газ проходит через слой жидкости, перетекающей по тарелки от одного сливного устройства к другому.

Пар, образовавшийся в испарителе колонны, поступает на первую тарелку и проходит через паровые патрубки колпачков. Колпачки погружены на некоторый уровень в жидкую фазу. В результате этого паровая фаза проходит через прорези колпачков и барботирует в виде пузырьков в жидкой фазе, обеспечивая тем самым поверхность контакта между паровой и жидкой фазами и протекание на этой поверхности тепло- массообменных процессов. Поскольку пар имеет более высокую температуру чем жидкость, то при взаимодействии с жидкой фазой пар охлаждается и из него частично конденсируется легколетучий компонент, который присоединяется к жидкой фазе. Таким образом, она обогащается труднолетучим, а в паре повышается содержание легколетучего компонента.

Рисунок 4.

3. Клапанные тарелки.

Занимают среднее положение между колпачковыми и ситчатыми. Клапанные тарелки показали высокую эффективность при значительных интервалах нагрузок благодаря возможности саморегулирования. В зависимости от нагрузки клапан перемещается вертикально, изменяя площадь живого сечения для прохода пара, причем максимальное сечение определяется высотой устройства, ограничивающего подъем (Рисунок 5). Площадь живого сечения отверстий для пара составляет 10-15% площади сечения колонны. Скорость пара достигает 1,2 м/с. Клапаны изготовляют в виде пластин круглого или прямоугольного сечения с верхним или нижним ограничителем подъема. Тарелки, собранные из S-образных элементов, обеспечивают движение пара и жидкости в одном направлении, способствуя выравниванию концентрации жидкости на тарелке. Площадь живого сечения тарелки составляет 12-20% от площади сечения колонны. Коробчатое поперечное сечение элемента создает значительную жесткость, позволяющую устанавливать его на опорное кольцо без промежуточных опор в колоннах диаметром до 4,5 м.

Принцип действия клапанных тарелок состоят в том, что свободно лежащий что свободно лежащий над отверстием в тарелке круглый клапан с изменением расхода газа своим весом автоматически регулирует величину площади зазора между клапаном и плоскостью тарелки для прохода газа и тем самым поддерживает постоянной скорость газа при его истечении в барботажный слой.

Рисунок 5. а, б - с круглыми колпачками; в, с пластинчатым клапаном; г - балластная; 1 - клапан; 2 - кронштейн- ограничитель; 3 - балласт.

При этом с увеличением скорости газа в колонне гидравлическое сопротивление клапанной тарелки увеличивается незначительно. Высота подъема клапана ограничивается высотой кронштейна ограничителя и обычно не превышает 8 мм.

Достоинства клапанных тарелок: сравнительно высокая пропускная способность по газу и гидродинамическая устойчивость, постоянная высокая эффективность в широком интервале нагрузок по газу.

4. Каскадные тарелки Вентури

Собирают из отдельных листов, выгнутых так, чтобы направление потока пара было горизонтальным. Каналы для прохода пара имеют профиль сечения трубы Вентури, что способствует максимальному использованию энергии пара и снижению гидравлического сопротивления. Потоки пара и жидкости направлены в одну сторону, что обеспечивает хорошее перемешивание и контакт фаз. По сравнению с колпачковыми тарелками скорость пара может быть увеличена более чем вдвое. Конструкция гибкая, не допускает провала жидкости и снижения за счет этого эффективности. Небольшая удерживающая способность (30-40% по сравнению с колпачковой тарелкой) является ценным качеством при переработке чувствительных к нагреву жидкостей. Расстояние между тарелками выбирается в пределах 450-900 мм. Каскадные тарелки успешно применяются в установках, где необходимо обеспечить высокие скорости пара и жидкости.

5. Решетчатые тарелки

Изготавливают из штампованных листов с прямоугольными прорезами или набираются из полос. Необходимость опорной конструкции определяется толщиной металла и диаметром колонны. Расстояние между тарелками обычно 300-450 мм. Лучшая работоспособность, по сравнению с колпачковыми тарелками, при максимальных нагрузках.

6. Волнистые тарелки

Изготовляются штамповкой из перфорированных листов толщиной 2,5-3 мм в виде синусоидных волн. Жесткость конструкции позволяет использовать тонкий металл. Направление волн на соседних тарелках перпендикулярное. Глубина волн выбирается в зависимости от перерабатываемой жидкости. За счет большой турбулизации жидкости эффективность волнистой тарелки выше. А опасность засорения меньше, чем для плоской тарелки. Размеры волн увеличиваются с увеличением расчетной нагрузки по жидкости. Отношение высоты волны к ее длине выбирается в пределах от 0,2-0,4. Тарелки в колонне располагаются на расстоянии 400-600 мм друг от друга.

НАСАДОЧНЫЕ КОЛОННЫ

Насадочные колонны получили широкое распространение в промышленности. Они представляют собой цилиндрические аппараты, заполненные инертными материалами в виде кусков определенного размера или насадочными телами, имеющими форму, например, колец, шаров для увеличения поверхности фазового контакта и интенсификации перемешивания жидкой и паровой фаз (Рисунок 6).

Нерегулярная насадка. Нерегулярную насадку применяют в процессах массообмена, протекающих под давлением или в условиях неглубокого вакуума. Эта насадка обладает рядом преимуществ, одно из которых состоит в практическом отсутствии проблемы выбора материала. Насадку можно изготовить из металлов, полимеров, керамики.

Кусковая насадка. В качестве кусковой насадки применяют дробленные горные породы (кварц, андезит, кокс). Размеры кусковой насадки - 25-100 мм при беспорядочной засыпке. Достоинством насадки являются: дешевизна, химическая стойкость. Недостатком: малая удельная поверхность, малый свободный объем.

Кольцевая насадка. Наиболее распространенный тип кольцевой насадки - кольца Рашига. Изготавливаются из керамики, фарфора, пластмассы, металлов, углеграфитовых масс. Диаметр колец 25-150 мм. Кольца диаметром до 50 мм загружаются навалом. При больших диаметрах кольца укладываются рядами.

Существуют и другие кольцевые насадки: кольца с простой и крестообразной перегородкой, с прободенными стенками и т. д.

Насадка Рашига имеет небольшую стоимость, но малоэффективна. Для повышения эффективности массообмена кольцевую насадку изготовляют перфорированной и с внутренними перегородками - кольца Палля и их модификации. К кольцевой насадке с перфорированной цилиндрической частью и внутренними перегородками относится насадка «Каскад-мини-ринг».

Седлообразная насадка. Имеет большую удельную поверхность (на 25 % больше, чем кольцевая) и большой свободный объем. Такую насадку выпускают, главным образом, в виде седел «Инталокс» и седел Берля из керамики и пластмассы размером 37Ч37 мм и 50Ч50 мм. Особое место среди седловидных насадок занимает насадка «Инталокс метал», обладающая высокой эффективностью.

Регулярная насадка. Правильно уложенная насадка отличается от нерегулярной меньшим гидравлическим сопротивлением и поэтому особенно пригодна для процессов вакуумной ректификации. К недостаткам следует отнести их высокую чувствительность к равномерности орошения.

Простейшая регулярная насадка - плоскопараллельная - представляет собой пакеты, набираемые из плоских вертикальных, обычно металлических пластин толщиной 0,4-1,2 мм, расположенных параллельно с одинаковым зазором 10-20 мм. Высота пакета пластин 400-1000 мм. Наружный диаметр пакета соответствует внутреннему диаметру колонны. Для повышения равномерности распределения жидкости в колонне, пакеты устанавливают один над другим, взаимно повернутыми на угол 45-900. Недостатки этой насадки: высокая металлоемкость, плохое перераспределение жидкости, сравнительно низкая эффективность.



Рисунок 6.

СХЕМЫ РЕКТИФИКАЦИОННЫХ УСТАНОВОК

Ректификационная колонна периодического (ступенчатого) действия, представлена на Рисунке 7.

Рисунок 7. 1.Куб; 2 Ректификационная колонна; 3Дефлегматор; 4 Холодильник; 5 Сортировочный фонарь.

Куб выполняет одновременно две функции: служит емкостью для спирта подвергающегося ректификации и преобразователем спиртового пара.

Ректификационная колонна непрерывного действия, представлена на рисунке

2. Ректификационная колонна непрерывного действия, представлена на Рисунке 8.

Рисунок 8.1 Верхняя часть колонны; 2 Нижняя часть колонны; 3 Куб; 4 Дефлегматор; 5 Охладитель флегмы; 6 Холодильник; 8 Выход готового продукта.

Также ректификационные колонны делятся на полные и неполные.

Неполные колонны делятся на два вида:

· Бражные (отгонные) колонны действуют по следующему принципу: на верхнюю тарелку подается питание в виде пара, а из куба выходит практически чистая вода. Из верхней части отводится пар обогащенный спиртом. Дефлегматор в такой колонне не устанавливается, поэтому паровая фаза конденсируется в холодильнике.

· В спиртовых (концентрационных) колоннах пар подается в куб (под нижнюю тарелку). Из верхней части отводится спирт, а из нижней остаток обогащенный водой. Дефлегматор, установленный в таких колоннах выполняет функцию питания жидкостью.

Спиртовые (концентрационные) колонны не предусмотрены для получения чистой воды, а в бражной (отгонной) колонне невозможно получение чистого спирта.

Полная колонна является собирательным вариантом бражной и спиртовой. Данный вид состоит из нижней (исчерпывающей) и верхней (концентрационной) частей. Питание на верхнюю отгонную часть поступает через среднюю. В полных колоннах возможно получить оба компонента разделяемой смеси, но это допустимо только в том случае если эта смесь состоит из двух частей. Для того чтобы разделить брагу (многокомпонентную смесь) меняют несколько колонн, установленных последовательно. Каждая колонна разделяет смесь на дистиллят, представляющий собой один или несколько компонентов и остаток (труднолетучую смесь).

ПОЛНАЯ КОЛОННА

Рисунок 9. Принципиальные схемы ректификационных колонн: а - полная; б - неполная отгонная; в - неполная концентрационная

В полной ректификационной колонне 1 создается возможность для получения практически в чистом виде обоих компонентов разделяемой бинарной (двухкомпонентной) смеси. В неполной отгонной колонне из нижней части отводится практически чистый труднолетучий компонент, а из верхней - пар, несколько обогащенный легколетучим компонентом. Из верхней части неполной концентрационной колонны отводится практически чистый легколетучий компонент, а из нижней - остаток S, несколько обогащенный труднолетучим компонентом.

БРАГОПЕРЕГОННЫЕ УСТАНОВКИ

Рисунок 10.

В спиртовой промышленности применяются брагоперегонные установки двух типов - одноколонные и двухколонные. В одноколонной установке бражка, предварительно подогретая в дефлегматоре 4, поступает на верхнюю тарелку колонны 1. Нижняя часть колонны называется бражной, куда снизу подводится греющий пар. Из бражной колонны водно-спиртовые пары направляются в нижнюю часть спиртовой колонны 2; здесь пары укрепляются. Из колонны 2 укрепленные пары поступают в межтрубное пространство дефлегматора 4.

Конденсируясь, пары отдают теплоту бражке, протекающей в трубах дефлегматора. Конденсат водно-спиртовых паров возвращается в колонну 2 в виде флегмы. Не сконденсировавшиеся пары направляются в холодильник 5, где они конденсируются и образуют спирт-сырец. Спирт-сырец содержит не только воду и спирт, но и другие летучие продукты, входящие в состав бражки. Брагоректификационные установки бывают прямого, полупрямого и косвенного действия.

1. ПРЯМОГО ДЕЙСТВИЯ

Рисунок 11.

Установка состоит из эпюрационной колонны 3 с концентрационной частью 4 и ректификационной колонны 9, в состав которых входят дефлегматоры 5 и 7, а также конденсаторы 6 и 8. Бражка поступает в бражную колонну 1. Здесь из бражки выделяются этиловый спирт, хвостовые примеси и остатки головных и промежуточных примесей. Основную массу паров из бражной колонны 1 направляют в ректификационную колонну 9. Некоторая часть паров из бражной колонны 1 поступает в эпюрационную колонну 3 для ее обогревания. Для этой цели служит труба 2, снабженная дроссельным клапаном. Количество пара, поступающего в эпюрационную колонну, регулируется дроссельным клапаном. Хвостовые и промежуточные продукты, а также остатки головных продуктов отбирают в ректификационной колонне. Ректификат отводят в жидком виде с одной из верхних тарелок ректификационной колонны.

2. ПОЛУПРЯМОГО ДЕЙСТВИЯ

Рисунок 12.

В установке полупрямого действия бражка, не подвергаясь предварительной эпюрации, поступает непосредственно в бражную колонну 1. В этой колонне выделяются спирт и все примеси. Пары направляются через ловушку-сепаратор 3 в эпюрационную колонну 2 с концентрационной частью 4, дефлегматором 5 и конденсатором 6, где из них выделяются головные примеси.

Очищенный от головных примесей спирт, содержащий хвостовые и промежуточные примеси (эпюрат), в жидком виде поступает в ректификационную колонну 9, снабженную дефлегматором 8 и конденсатором 7. Отбор спирта-ректификата, сивушного масла и промежуточных продуктов производится так же, как и в аппаратах прямого действия.

3. КОСВЕННОГО ДЕЙСТВИЯ

Рисунок 13.

Водно-спиртовые пары, поднимающиеся из бражной колонны 7, полностью сгущаются в дефлегматоре 2 и конденсаторе 3, после чего в жидком виде поступают на эпюрацию в эпюрационную колонну 4 с дефлегматором 5 и конденсатором 6.

Эпюрат направляется в ректификационную колонну 9, снабженную дефлегматором 8 и конденсатором 7, где выделяются промежуточные продукты, сивушное масло и спирт-ректификат. Данная установка принята как типовая из-за высоких эксплуатационных показателей.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

Для разделения простых бинарных смесей обычно используется одна простая колонна с небольшим числом тарелок устройств (обычно не более десяти), для разделения многокомпонентных и непрерывных смесей (нефть, широкие бензиновые фракции) требуется система колонн, каждая из которых разделяет поступающую в нее смесь на соответствующие компоненты (фракции). Число тарелок в каждой из таких колонн может достигать нескольких десятков.

Основными рабочими параметрами процесса ректификации являются давление и температура в системе, соотношение потоков жидкости и пара (флегмовое число), число контактных ступеней.

В качестве контактных элементов в больших ректификационных колоннах обычно используются тарелки. Каждая такая тарелка, расположенная в колонне, называется физической тарелкой. Назначение такой тарелки, как и любого другого контактного устройства, - обеспечить наиболее тесное соприкосновение жидкой и паровой фаз для максимального достижения состояния равновесия между ними. Тарелки работают следующим образом. Пар в виде пузырьков с развитой поверхностью проходит через слой флегмы, находящейся на тарелке. В результате такого «пробулькивания», тепломассообмен между жидкой и паровой фазами интенсифицируется. Конструкции тарелок разнообразны, часть из них стандартизирована. Выбор типа тарелки определяется видом смеси, производительностью колонны, требованиями по степени ректификации, качеству разделяемых компонентов (фракций) и т. п. Тарельчатые колонны используются, как правило, в крупнотоннажных производствах.

ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

Схема тарельчатой ректификационной колонны непрерывного действия представлена в ПРИЛОЖЕНИЕ 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 x_f.

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 x_w, т.е. обеднен легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью(флегмой) состава x_p, 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 равновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента) и кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).

ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Рассчитать тарельчатую ректификационную колонну непрерывного действия для разделения бинарной смеси бензол-толуол, если производительность по исходной смеси F=4 кг/с; содержание легколетучего компонента [% (масс.)]:

В исходной смеси _f=30 в дистилляте _p=96; в кубовом остатке _w=1,5, давление в паровом пространстве дефлегматора P=0,1 МПа.

1. Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число.

Производительность колонны по дистилляту P и кубовому остатку W определим из уравнений материального баланса колонны:

F=P+W (1.0)

F_f=P_p+W_w (1.1)

Отсюда находим:

W==

P=F-W=4-2,64=1,36 кг/с

Коэффициент избытка флегмы(орошения):

Здесь Rmin-минимальное флегмовое число:

, (1.2)

где и -мольные доли легколетучего компонента соответственно в исходной смеси и дистилляте, кмоль/кмоль смеси.

Пересчитаем составы фаз из массовых долей в мольные по соотношениям:

(1.3)

(1.4)

(1.5)

где М₁, М₂ - молярные массы бензола и толуола соответственно.

Получим:

Тогда минимальное флегмовое число равно:

R_min=(0,966-0,610)/(0,610-0,336)=1,299.

Задавшись различными значениями избытка флегмы в, определим соответствующие флегмовые числа. Графическим построением ступеней изменения концентраций между равновесной и рабочей линиями на диаграмме состав пара y-состав жидкости x, находим N (см. ПРИЛОЖЕНИЕ 1-6). Результаты расчетов рабочего флегмового числа представлены в Таблице 1.

Таблица 1.

R	1,36	1,75	2,27	3,05	4,29	8,12
в	1,05	1,35	1,75	2,35	3.30	6,25
N	23,0	17,0	14,5	12,5	11,5	10,0
N(R+1)	54,4	46,8	47,5	50,65	60,8	91,2

Отрезки В откладываем на диаграмме Y-X. Соединяем верхние точки отрезков В на диаграмме с точкой 2 и получаем ряд рабочих линий верхней части колонны. Соединяя точки 3 пересечения рабочих линий верхней части колонны с линией Xf с точкой 1, получим ряд рабочих линий нижней части колонны. Для каждого выбранного флегмового числа и значений X в пределах заданных концентраций жидкости от Xw=0.012 до Xp=0.974 по диаграмме находим движущие силы процесса 1/(Х-Х*), как величины отрезков по горизонтали между кривой равновесия и соответствующими линиями рабочих концентраций и вычисляем величины.

Минимальное произведение N(R+1) соответствует флегмовому числу R=2,0. Коэффициент избытка флегмы:

в=2,0/1,30=1,54

Средние массовые расходы(нагрузки) по жидкости для верхней и нижней частей колонны определяют из соотношений:

L_в=PRM_в/M_P (2.0)

L_н=PRM_н/M_p + FM_н/M_f, (2.1)

где Mp и Mf мольные массы дистиллята и смеси, Мв и Мн -средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны. Мольную массу дистиллята в данном случае можно принять равной мольной массе легколетучего компонента-бензола. Средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равны:

М_в=М_бх_ср.в+М_т(1-х_ср.в)

М_н=М_бх_ср.н+М_т(1-х_ср.в)

где х_ср.в и х_ср.н- средний мольный состав жидкости соответственно в верхней и нижней частях колонны:

х_ср.в=(x_p+x_f)/2=(0,966+0,336)/2=0,666

х_ср.н=(x_f+x_w)/2=(0,336+0,017)/2=0,169

Тогда:

М_в=780,666+92Ч(1-0,666)=82,7

М_н=78Ч0,336+92Ч(1-0,168)=89,6

Мольная масса исходной смеси:

М_f=78Ч0,336+92Ч(1-0,336)=87,3

Подставим рассчитанные величины в уравнения (2.0) и (2.1), получим:

L_в=1,36Ч2Ч82,7/78=2,88

L_н=1,36Ч2Ч89,6/78+4Ч89,6/87,3=7,23

Средние потоки пара в верхней G_в и нижней G_н частях колонны соответственно равны:

G_в=P(R+1)/М_р (3.0)

G_н=P(R+1)/М_р (3.1)

Здесь и - средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны:

=М_бу_ср.в.+(1-у_ср.в)

= М_бу_ср.н.+(1-у_ср.н)

где:

у_р=х_р

у_f=0,54 (определили графически)

у_ср.в=(y_p+y_f)/2=(0,966+0,54)/2=0,753

у_ср.н=(y_f+y_w)/2=(0,54+0,017)/2=0,279

Тогда:

кг/кмоль

Ч(1-0,279)=149,4 кг/кмоль

Подставив численные значения в уравнения (3.0) и (3.1), получим:

G_в=1,36Ч(2+1)Ч431,2/78=22,5 кг/с

G_н=1,36Ч3Ч149,4/78=7,81 кг/с

2. Скорость пара и диаметр колонны.

Для ситчатых тарелок рабочая скорость газа (щ):

щ=0,05

где с_х-средняя плотность жидкости, с_у-средняя плотность пара.

Допустимая скорость в верхних и нижних частях колонны соответственно равна:

щ_в=0,05 =0,892 м/с

щ_н=0,05= 0,843 м/с

Ориентировочный диаметр колонны определяют из уравнения расхода:

В данном случае скорости мало отличаются друг от друга; в расчетах используют среднюю скорость паров:

щ=(0,892+0,843)/2=0,868 м/с

Принимаем средний массовый поток пара в колонне G равным полусумме:

G=(22,5+7,81)/2=15,16 кг/с

Средняя плотность паров:

(2,73+2,85)/2 =2,79 кг/м³

Диаметр колонны:

d= =2,82 ~2,8м

Выберем стандартный диаметр обечайки колонны. При этом рабочая скорость пара:

щ=0,868(2,8/1,8)² =2,1 м/с

По каталогу для колонны диаметром 2800мм выбираем ситчатую однотопочную тарелку ТС-Р со следующими контруктивными размерами:

Диаметр отверстий в тарелке d_o …… 8 мм

Шаг между отверстиями l …….. 18 мм

Свободное сечение тарелки F_c ….…. 18,6%

Высота переливного порога h_пер …… 40 мм

Ширина переливного порога b …….. 1500мм

Рабочее сечение тарелки S_т …………. 5,64м²

Скорость пара в рабочем сечении тарелки:

щ_т=щЧ0,785d²/S_т=2,1Ч0,785Ч2,8²/5,64=2,3м/с

3. Высота колонны.

Эффективность тарелки по Мэрфри приближенно определяется следующими уравнениями:

Локальная эффективность E_у связана с общим числом единиц переноса по паровой фазе на тарелке n_{o y} следующим соотношением:

,

где

Коэффициент К_yf определяют по уравнению аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений:

Обобщенные критериальные уравнения, которые приводятся к удобному для расчетов виду:

3.1 Высота светлого слоя жидкости на тарелке и паросодержание барботажного слоя.

Высоту светлого слоя жидкости h_o для ситчатых тарелок находят по уравнению:

Для верхней части колонны:

h_{o в} =0,0452

Для нижней части колонны:

h_{o в} =0,0513

Паросодержание барботажного слоя е находят по формуле:

, где F_r=²_т/(gh_o)

Для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

 .

3.2 Коэффициенты массопередачи и высота колонны.

Для верхней части колонны:

· коэффициент массоотдачи в жидкой фазе:

в_xf=6,24Ч10⁵(4,6Ч10^-9)^0,5[м/с.

· коэффициент массоотдачи в паровой фазе:

в_yf=6,24Ч10⁵(5,06Ч10^-6)^0,5[.

Для нижней части колонны:

· коэффициент массоотдачи в жидкой фазе:

в_xf=6,24Ч10⁵(5,11Ч10^-9)^0,5[ м/с

· коэффициент массоотдачи в паровой фазе:

в_yf=6,24Ч10⁵(5,39Ч10^-6)^0,5[

Пересчитаем коэффициенты массопередачи на кмоль/(м Чс)²:

Ш Для верхней части колонны:

в_xf=0,02770,268 кмоль/(м Чс)²

в_уf=2,50,084 кмоль/(м Чс)²

Ш Для нижней части колонны:

в_xf=0,0570 кмоль/(м Чс)²

в_уf=3,3 кмоль/(м Чс)²

Коэффициент массопередачи К_yf вычисляем по коэффициентам массоотдачи в верхней части колонны:

К_yf=1/(1/0,041+0,77/0,124)=0,045 кмоль/(м Чс)²

Общее число единиц переноса на тарелку n_{o y} находим по уравнению:

n_{o y}=0,045Ч81,1/(0,91Ч2,73)=1,09

Локальная эффективность равна:

Е_у=1-2,72^-1,1=0,67

Фактор массопередачи для верхней части колонны:

л=m(R+1)/R=0,77(2,1+1)/2,1=1,137

Число ячеек полного перемешивания:

S=1,45/0,35=4

Коэффициент m, учитывающий влияние на унос физических свойств жидкости и пара, определяют по уравнению

m=1,15Ч10^-3(у_х/ с_у)^0,295(

m=1,15Ч10^-3(20Ч10^-3/2,73)^0,295(796-2,73/0,00915Ч10^-3)^0,425=0,629

Высота сепарационного пространства H_c равна расстоянию между верхним и нижним уровнем барботажного слоя и плоскостью тарелки, расположенной выше:

H_c=H-h_п

Определим h_п для низа колонны:

H_п=0,0275/(1-0,56)=0,063 м

Тогда:

H_c=0,5-0,063=0,437

щ_т/(mH_c)=0,91/(0,629Ч0,473)=3,14

Определяем КПД по Мэрфри E_My:

B=1,73(0,67+0,12/0,77)/(1-0,1(1+0,12Ч1,137/0,77)=0,895

=0,67/0,895[(1+0,895/4)⁴-1]=0,911

0,911/1+1,137Ч0,1Ч0,911/(1-0,1)=0,86

0,86/1+0,12Ч1,137Ч0,86/[0,77(1-0,1)]=0,75

Зная эффективность по Мэрфри, можно определить концентрацию легколетучего компонента в паре на выходе из тарелки y_k по соотношению:

Е_Му=(у_к-у_н)/(у^*-у_н)

Отсюда:

у_к=0,725+0,71(0,79-0,725)-0,77

График 1. Определение числа действительных тарелок.

Общее число действительных тарелок определили графически.

N=N_в+N_н=18+15=33

Высоту тарельчатой ректификационной колонны определим по формуле:

H_к=(N-1)h+z_в+z_н

H_к=(33-1)0,7+1,4+2,2= 26 м.

3.3 Гидравлическое сопротивление тарелок колонны.

Гидравлическое сопротивление тарелок колонны ДР_к определяют по формуле:

ДР_к= ДР_нN_в+ ДР_нN_н

Гидравлическое сопротивление сухой ситчатой тарелки:

ДР_с=2,0Ч1,32²Ч2,5/(2Ч0,2²)=108,9 Па

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

ДР_пв=gphов=9,8Ч775Ч0,0427=324,3 Па

ДР_пн= gph_он=9,8Ч775Ч0,0513=389,6 Па

Гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения, равно:

ДРу=4у/d_э=4Ч15Ч10^-3=7,5

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

ДР_в=108,9+324,3+10=443,2

ДР_н=108,9+389,6+7,5=506

Полное гидравлическое сопротивление ректификационной колонны:

ДР_к=443,2Ч18+506Ч15=15567,6 Па.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В процессе проделанной работы была рассчитана ректификационная колонна для разделения смеси бензол-толуол.

В результате расчета получены данные:

1) Расход дистиллята - 1,36 т/час;

2) Расход кубового остатка - 2,64 т/час;

3) Рабочее флегмовое число - 1,3;

4) Число теоретических тарелок:

Всего - 23, из них верхних - 13, нижних - 10;

5) Диаметр колонны - 2,8 м;

6) Высота колонны - 26 м;

7) Число действительных тарелок:

Всего - 33, из них верхних - 18, нижних - 15;

8) Гидравлическое сопротивление тарелок:

В верхней части колонны - 443,2 Па,

В нижней части колонны - 506 Па;

Общее сопротивление колонны-15567,6 Па.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Киселев А.В. Межмолекулярные взаимодействия в адсорбции и хроматографии. М.: Высш. шк., 2000;

2. Перри Д. Справочник инженера-химика. Т. 1:Пер. с анг. М.: Химия, 1999. 640 с.

3. Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию - М. Химия 2003.

4. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии - Химия 2004. 594стр.

5. Айнштейн В.Г. Захаров М.Н. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии. Учебник для вузов, в 2 книги М.: Химия, 1999г. 888стр.,872стр.

6. Сугак А.В. Процессы и аппараты химической технологии М.: Химия, 2005г.

7. Павлов К.Ф. Романков П.Г. Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии Л: Химия 2002.

8. Каталог «Кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего и специального назначения». М., «ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ», 1999г.

9. Г. Я. Рудов, Д. А. Баранов. «Расчет тарельчато ректификационной колонны», методические указания. М., МГУИЭ, 1998г.

10. Ильиных А.А., Носач В.А., Резанцев И.Р. Методические указания «Расчет ректификационной установки непрерывного действия» - С.: Химия, 2005. - 92с.

11. ГОСТ Р 53684--2009. Аппараты колонные. Технические требования

12. Карманный справочник переработчика под ред. Рудина Н.И. - С-П.: Химия, 2000 г.

13. Коган В.Б., Фридман В.М., Кафаров В.В. Равновесие между жидкостью и паром. - М-Л: Наука, 1999

14. http://xreferat.ru/108/460-1-raschet-tarel-chatoiy-rektifikacionnoiy-kolonny-dlya-razdeleniya-binarnoiy-uglevodorodnoiy-smesi-benzol-toluol.html

15. http://ru.wikipedia.org/wiki/

16. Правила и примеры выполнения технологических схем: Методические указания к курсовому проектированию по процессам и аппаратам химических и пищевых производств / Воронеж. Гос. Технолог. Акад.; Сост. А.В. Логинов, М.И. Слюсарев. - Воронеж, 2000.

17. Павлов К. С., Романков П. Д., Носков А. А.Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии / учебное пособие для ВУЗов / под. ред. Романкова П. Д. 9-е изд. измен. и перераб.: М - 2003 г. - 563 с.

Размещено на Allbest.ru

...