Расчет ректификационной установки непрерывного действия для разделения смеси: уксусная кислота – вода

Основные области промышленного применения ректификации -- получение отдельных фракций и индивидуальных углеводородов из нефтяного сырья в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, получение окиси этилена, акрилонитрила, капролактама, алкилхлорсиланов -- в химической промышленности. Р. широко используется и в др. отраслях народного хозяйства: цветной металлургии, коксохимической, лесохимической, пищевой, химико-фармацевтической промышленностях.

Технологическая схема установки и ее описание

Исходную смесь из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подают в теплообменник 3, где она подогревается до температуры кипения. нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси .

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка , т. е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью мой) состава х_Р, 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).

Такие установки оснащаются необходимыми контрольно - измерительными приборами, позволяющими автоматизировать их работу и проводить процесс с помощью программного управления в оптимальных условиях. Путем автоматического регулирования сводится к минимуму колебания количества, качества и температуры исходной смеси, давления и расхода греющего пара и расхода охлаждающей жидкости.

Рис. 1. Технологическая схема ректификационной установки

1- емкость для исходной схемы; 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 аппарата

1 Построение ступеней процесса ректификации

1.1 Пересчет массовых долей

Пересчет массовых долей в мольные:

X = ,

где M_A и M_Б - молярные массы низкокипящего и высококипящего компонентов, соответственно, кг/кмоль.

М_а = 18 кг/кмоль

М_б = 60 кг/кмоль

X_F = = 0,45 кмоль/кмоль смеси;

X_P = = 0,95 кмоль/кмоль смеси;

X_W = = 0,093 кмоль/кмоль смеси.

1.2 Материальный баланс колонны и расчет флегмового числа

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

где F, P, W - расход исходной смеси, дистиллята, кубового остатка, кг/с.

F = 15000 кг/ч = 4,1 кг/с;

F·x_F=( F-W ) ·x_p+W·x_W

F·x_F=F·x_P -W·x_P+W·x_W

F· (x_F -x_P)=W ( x_W -x_P )

= 3,2 кг/с;

= 0,9 кг/с.

Расчет рабочего флегмового числа

Для технологического расчета ректификационной колонны необходимо построить равновесную зависимость между жидкостью и паром для смеси метиловый спирт - вода в координатах y-x и t-x,y (рис. 1.1 и 1.2). Данные для построения взяты в прил.8. Эти графики строятся на миллиметровке по опытным данным таблицы 1:

Таблица 1

Нагрузки ректификационной колонны по поднимающему пару и стекающей вниз жидкости определяются рабочим флегмовым числом R, которое показывает соотношение между количеством флегмы, подаваемой на орошение колонны (Ф) и количеством отбираемого дистиллята (Р):

.

Предварительно определяют минимальное флегмовое число, которое можно рассчитать аналитически:

где - концентрация легколетучего компонента в паре, находящегося в равновесии с исходной смесью X_F (находится из графика рис. 1.1).

Минимальное флегмовое число можно найти графически через отрезок В_max , отсекаемый рабочей линией, проведенной из точки диагонали, соответствующей точке а и через точку пересечения ординаты, остановленной из точки с линией равновесия (точка б) (рис.1.3,а)

Рабочее флегмовое число определяется как ,

где в - коэффициент избытка флегмы (B = 1,2 ч 4,5)

Задаваясь различными значениями коэффициента избытка флегмы , для каждого из них определяется флегмовое число R, отрезок B, число теоретических тарелок в колонне n_T, путем вписывания «ступенек» между равновесной и рабочими линиями (рис. 1.4,1.5). Данные заносим в таблицу 2.

Таблица 2

Рабочие линии строятся для каждого отрезка

Строится график в координатах и из точки минимума на кривой определяется оптимальное рабочее флегмового число R (рис. 1.6).

R_опт = 5,04

Определение средних массовых расходов жидкости и пара в колонне

Средние массовые расходы жидкости для верхней и нижней частей колонны определяются из соотношений:

L^B = P · R = Ф

L^H = Ф + F = P · R + F

L^B = 0,9 · 5,04 = 4,536 кг/с

L^H = 4,536 + 4,1 = 8,636 кг/с

Средний расход пара по колонне постоянен:

G = = = 5,436 кг/с

2. Скорость пара и диаметр колонны

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

Предварительно определяются средние концентрации жидкости и пара для верхней и нижней частей колонны:

средние концентрации жидкости:

; ,

;

средние концентрации пара:

;

,

где ; ;

- состав пара, соответствующий составу исходной смеси (рис. 1.1).

;

По диаграмме (рис. 1.2) при средних концентрациях пара и определяются средние температуры пара , °С.

= 103°С

= 107°С

Далее определяются следующие параметры для верхней и нижней частей колонны:

средние мольные массы паров:

;

,

где M₁ и M₂ - мольные массы соответственно низкокипящего и высококипящего компонентов.

;

средние плотности пара:

;

,

где T₀ - абсолютная температура, равная 273 K.

;

.

средняя мольная масса жидкой смеси:

;

;

Пересчет мольных концентраций в массовые производится:

;

,

;

средние плотности жидкости:

;

,

где с₁ и с₂ - плотности массы соответственно низкокипящего и высококипящего компонентов при температурах и (приложение1);

и - среднее массовые концентрации жидкости вверху и внизу колонны.

=0,001053

= 949,6 кг/м³

=0,001056

= 946,9 кг/м³

средние вязкости пара:

;

где и - среднее мольные массы пара в верху и низу колонны, кг/кмоль;

и - вязкости низкокипящего и высококипящего компонентов паровой смеси при температурах и , м Па·с:

=2685,7*10³

0,0107*10³ Па·с;

=4445*10³

0,0105*10³ Па·с

м₂ = 1,11·10^-5 Па·с

м₁ = 1,05·10^-5 Па·с [стр.43, табл. 5]

средние вязкости жидкости:

;

,

где и - вязкости низкокипящего и высококипящего компонентов паровой смеси при температурах и , мПа·с (приложение 2)

м₁ = 0,2725 мПа·с при = 103°С [стр.40, табл. 2]

м₂ = 0,4285 мПа·с при = 107°С [стр.40, табл. 2]

; 0,312 мПа·с

; 0,379мПа·с

2.2 Скорость пара для тарельчатых колонн

Рабочая скорость пара для тарельчатых колонн с ситчатыми тарелками определяется по формуле:

Верхняя часть колонны:

щ= м/с

Нижняя часть колонны:

щ=

2.3 Расчет диаметра колонны

Диаметр колонны рассчитывают отдельно для верхней, нижней частей колонны:

;

Рассчитанные диаметры верхней и нижней частей колонны отличаются друг от друга не более чем на 10%, принимаем колонну единого диаметра, равную большему из рассчитанных: D = 2000 мм.

Выбираем для разделения смеси клапанные тарелки типа ТКП [стр.56, табл.10]:

Характеристика тарелки

Свободное сечение колонны 3,14 м²;

Рабочее сечение тарелки 2,24 м²;

Периметр слива 1,6 м

Сечение перелива 0,45

Шаг 50 мм (t)

Относительно свободное сечение тарелки 13,65 %

Число клапанов 342

Число рядов клапанов на поток 19

3. Определение высоты колонны

Коэффициент массопередачи зависит от угла наклона кривой равновесия, причем этот угол является переменной величиной. Поэтому линию равновесия (рис. 3.1) разбивают на равные участки вертикальными линиями, проведенными через точки Х₁ = 0,1; Х₂= 0,2 и т. д. Для каждого участка определяют тангенс угла наклона отрезка кривой равновесия.

в нижней части колонны

т₁ =

т₂ =

т₃ =

т₄ =

в верхней части колонны

т₅ =

т₆ =

т₇ =

т₈ =

т₉=

Определяем коэффициент массоотдачи для паровой и жидкой фазы:

,

,

где Nu - критерий Нуссельта для паровой и жидкой фазы;

D - коэффициент диффузии для паровой и жидкой фазы;

h - определяющий размер, принятый при обработке опытных данных, равный 1 м.

Определяем коэффициент массоотдачи для паровой фазы

Критерий Рейнольдса

,

где щ - скорость пара в колонне, м/с;

h- высота 1м.

Критерий Нуссельта:

.

Коэффициент диффузии определяем по формуле:

где Т - средняя температура пара в соответствующей части колонны, К;

Р - абсолютное давление в колонне, кгс/см²;

М_А и М_Б - молекулярные массы компонентов;

V_А и V_Б - мольные объемы компонентов смеси, определяемые как сумма

V_А = 37 см³/атом [стр.47,табл.9]

V_Б = 114 см³/атом

Коэффициент массотдачи для жидкой фазы

=30,6 кг/кмоль

=48,66 кг/кмоль

Коэффициент диффузии для жидкой фазы при температуре 20°С:

где м - динамический коэффициент вязкости жидкости при 20°С, мПа·с;

А и В - коэффициенты, зависящие от свойств растворенного вещества (н.к) и растворителя (в.к.).

Коэффициент диффузии газа в жидкости D_ж связан с коэффициентом диффузии при 20 °С:

D_ж = D₂₀ [1 + b · (t - 20)], м²/ч

где b - температурный коэффициент ;

с - плотность жидкости, кг/м³.