Расчет насадочной ректификационной колонны

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Современная химическая технология изучает процессы производства минеральных кислот и удобрений, щелочей и солей, процессы синтеза разнообразных органических соединений из природных газов и продуктов переработки каменного угля и нефти, а также многие другие процессы химической переработки синтетических и природных веществ. Несмотря на разнообразие методов химической технологии, получение различных химических продуктов связано с проведением однотипных физических процессов (нагревание, сушка, охлаждение, перемешивание, фильтрование и т.д.). Аппаратурное оформление современных химико-технологических процессов также весьма разнообразно, однако для одних и тех же целей в различных отраслях химической технологии в большинстве случаев применяются сходные по конструкции аппараты.

В курсе “Процессы и аппараты” изучаются физико-химические основы процессов, используемых во всех отраслях химической технологии, а также рассматриваются принципы устройства и методы расчета аппаратов, предназначенных для проведения этих процессов. Выявление общих закономерностей протекания различных процессов и разработка методов расче.4та аппаратуры являются основными задачами науки о процессах и аппаратах химической технологии.

Овладение этой наукой позволяет осуществлять в производственных условиях наилучшее (оптимальные) технологические режимы, повышать производительность аппаратуры и улучшать качество продукции; дает возможность разрабатывать более рациональные технологические схемы и типы аппаратов при проектировании новых производств, правильно оценивать результат лабораторных исследований и быстро реализовывать их в производственных условиях.

Применяемые в химических производствах вещества обычно измельчаются, транспортируются, нагреваются, охлаждаются, реагируют друг с другом, причем взаимодействие их часто сопровождается испарением, растворением и другими процессами, связанными с переходом веществ из одной фазы в другую (массообмен) или с образованием новых химических продуктов. Эти процессы подчиняются законом гидромеханики, теплопередачи, массопередачи и химической кинетики. В простейшем случае процесс может быть охарактеризовано лишь одним законом, например законом движения жидкости, но чаще это движение сопровождается теплообменом, массообменном и другими явлениями, т.е. протекает сложный процесс, зависящий от целого ряда факторов, которые оказывают на ход процесса совместное и часто противоречивое действие.

В зависимости от закономерностей, характеризующих протекание процессов, последние могут быть разделены на следующие группы:.

1 Механические процессы, применяемые для переработки твердых материалов и подчиняющиеся законам механики твердого тела. К таким процессам относятся: перемещение материалов, измельчение, классификация (сортировка) материалов по крупности, их дозированием и смешивание.

2 Гидромеханические процессы, используемые при переработке жидкостей и газов, а также неоднородных систем, состоящих из жидкости и мелко измельченных твердых частиц, взвешенных в жидкости (суспензий). К числу гидромеханических процессов относятся: перемещение жидкостей и газов, перемешивание в жидкой среде, разделение жидких неоднородных систем, очистка газов от пыли.

3 Тепловые процессы, связанные с теплообменом, т.е. переходом тепла от одного вещества к другому. К этим процессам относятся нагревание, охлаждение, процессы, протекающие с изменением агрегатного состояния вещества, - испарение, конденсация, плавление и затвердевание, а также процессы выпаривания, кристаллизации и получения искусственного холода.

4 Массообменные процессы, заключающиеся в переходе вещества (массы) из одной фазы в другую путем диффузии. К этой группе относятся следующие процессы перехода веществ.

1. Общая часть

1.1 Сущность и назначения процесса ректификации

Для разделения смеси жидкостей обычно прибегают к перегонке. Разделение путем перегонки основано на различной температуре кипения отдельных веществ, входящих в состав смеси. Так, если смесь состоит из двух компонентов, то при испарении компонент с более низкой температурой кипения (низкокипящий компонент, сокращенно НК) переходит в пары, а компонент с более низкой температурой кипения (высококипящий компонент, сокращенно ВК) остается в жидком состоянии. Полученные пары конденсируются, образуя так называемы дистиллят, а ВК- в остаток.

Описанный процесс, называемый простой перегонкой, не дает, однако, возможности произвести полное разделение компонентов смеси и получить их в чистом виде. Оба компонента являются летучими и потому оба переходят в пары, хотя и в различной степени. Поэтому образующиеся при перегонке пары не представляют собой чистого НК. Поскольку он вследствие большей летучести испаряется с большей степени, чем ВК, то пары обогащены НК по сравнению с содержанием его в исходной смеси. Таким образом, в дистилляте содержание НК выше, чем в исходной смеси. При выпаривании один из компонентов (растворенное вещество) не летуч, и в пары переходит только летучие компонент (растворитель).

Для достижения наиболее полного разделения компонентов применяют более сложный вид перегонки - ректификацию. Ректификация заключается в противоточном взаимодействии паров, образующихся при перегонке, с жидкостью, получающейся при конденсации паров.

Представим себе аппарат, в котором снизу вверх движутся пары, а сверху (навстречу парам) подается жидкость, представляющая собой почти чистый НК. При соприкосновении поднимающихся паров со стекающей жидкостью происходит частичная конденсация паров и частичное испарение жидкости. При этом из паров конденсируется преимущественно ВК, а из жидкости испаряется преимущественно НК. Таким образом, стекающая жидкость обогащается ВК, а поднимающиеся пары обогащаются НК, в результате чего выходящие из аппарата пары представляются собой почти чистый НК. Эти пары поступают в конденсатор (дефлегматор), где и конденсируются. Часть конденсата, возвращаемая на орошение аппарата, называется флегмой, другая часть отводится в качестве дистиллята.

В настоящее время перегонка и ректификация широко распространены в химической технологии и применяются для получения разнообразных продуктов в чистом виде, а также для разделения газовых смесей после их сжижения (разделения воздуха на кислород и азот, разделение углеводородных газов и др.).

1.2 Описание проектируемого аппарата и обоснование выбранной конструкции

Представим себе аппарат, в котором снизу вверх движутся пары, а сверху (навстречу парам) подается жидкость, представляющая собой почти чистый низкокипящий компонент. При соприкосновении поднимающихся паров со стекающей жидкостью происходит частичная конденсация паров и частичное испарение жидкости. При этом из паров конденсируется преимущественно высококипящие компоненты, а из жидкости испаряется преимущественно низкокипящие компоненты. Таким образом, стекающая жидкость обогащается высококипящими компонентами, а поднимающиеся пары обогащаются низкокипящими компонентами, в результате чего выходящие из аппарата пары представляют собой почти чистый низкокипящий компонент. Эти пары поступают в конденсатор (дефлегматор), где и конденсируются. Часть конденсата, возвращаемая на орошение аппарата, называется флегмой, другая часть - отводится в качестве дистиллята.

Периодически действующие ректификационные установки применяют, как правило, для разделения жидких смесей в тех случаях, когда использование непрерывно действующих установок нецелесообразно. Обычно это характерно для технологических процессов, в которых количества подлежащих разделению смесей невелики и требуется определенное время для накопления этих продуктов перед разделением или в условиях часто меняющегося состава исходной смеси. Последний случай специфичен для гибких технологических процессов, в которых спектр получаемых продуктов весьма разнообразен.

Периодическую ректификацию проводят на установках с практически схожей технологической схемой. Исходную смесь из сборника центробежным насосом периодически загружают в куб колонны, снабженный подогревателем, в который подается теплоноситель, например насыщенный водяной пар. Исходную смесь доводят до кипения. Образующиеся пары поднимаются по колонне, в которой происходит противоточное взаимодействие этих паров с жидкостью(флегмой), поступающей из дефлегматора. Часть конденсата после распределительного стакана возвращается в колонну в виде флегмы, другая часть - дистиллят через холодильник собирается в сборнике, откуда насосом подается на склад. Процесс ректификации заканчивают обычно после того, как будет, достигнут заданный средний состав дистиллята. Кубовый остаток, охлаждаясь в холодильнике, стекает в сборник кубового остатка и насосом перекачивается на склад.

Периодическая ректификация может осуществляться двумя способами: при постоянном составе дистиллята и при постоянном флегмовом числе. В первом случае количество флегмы по мере уменьшения содержания легколетучего компонента в кубе должно постепенно возрастать. В промышленных условиях установки для проведения такого процесса необходимо оснащать управляющими автоматизированными системами, способными осуществлять непрерывное и строго программированное изменение питания колонны флегмой и подачи теплоносителя в испаритель (куб колонны). Изменение основных расходных параметров можно проводить, например, по данным о качественном составе легколетучего компонента либо в кубовой жидкости, либо в дистилляте.

1.3 Применяемые контрольно-измерительные приборы

Ректификационные установки должны быть оснащены следующими контрольно-измерительными приборами:

- регистрирующими расходомерами;

- регистрирующими манометрами;

-манометрами, вакуумметрами и термометрами для измерения давления и температуры в ректификационной установке;

-термометрами на линиях, подводящих и отводящих воду из ректификационных установок;

-термометрами, установленными в контрольном фонаре, для измерения температуры перегоняемой смеси;

-приборами дистанционного измерения температуры и давления теплоносителя;

-пробоотборниками с холодильниками на конденсатпроводах от них.

ректификация измерительный прибор аппарат

1.4 Правила техники безопасности при обслуживании

1 Ректификационные колонны перед пуском должны быть осмотрены, проверена исправность и готовность к работе всех связанных с ними аппаратов и трубопроводов, исправность контрольно-измерительных приборов, регуляторов температуры и давления в колонне, измерителей уровня жидкости в нижней части колонны приемниках ректификата, ректификационных емкостях и емкостях остатка.

2 Пуск ректификационной установки в работу должен производиться строго в установленной последовательности, которая должна быть указана в технологической инструкции.

3 При работе ректификационной колонны необходимо непрерывно контролировать параметры процесса и исправность аппарата.

4 Для улавливания жидкости, которая может быть выброшена вместе с парами и газами через предохранительный клапан наружу на линии за предохранительном клапаном следует иметь сепаратор. Уровень жидкости в сепараторе не должен превышать установленного предела.

5 В зимнее время на открытых установках не реже одного раза в смену необходимо проверять состояние колонны, продуктопроводов, водяных линий, дренажных отростков на паропроводах и аппарата, спускных линий и т.п. В этот период следует обеспечить непрерывное движение жидкости в коммуникациях для предотвращения их разрыва. Спускные и дренажные линии, а также наиболее опасные участки для подачи воды, щелочи, других замерзающих жидкостей должны быть утеплены.

6 Необходимо следить за тем, чтобы поврежденные участки теплоизоляции ректификационных колонн и их опор своевременно исправлялись. Теплоизоляция должна быть чистой, исправленной и выполнена так, чтобы при утечках не могли образовываться скрытые потоки жидкости по корпусу.

7 Чистку внутренней поверхности колонны следует вести осторожно не искрящими инструментами.

8 Отложения, снимаемые со стенок при очистке необходимо складывать в металлическую посуду и удалять из помещения или с установки.

9 При обнаружении утечки в ректификационных колоннах необходимо подать водяной пар или азот к местам пропуска для предотвращения возможного воспламенения или образования смесей взрывоопасных концентраций. При возникновении аварии или пожара после снижения внутреннего давления в аппарате необходимо подать внутрь его водяной пар или азот.

10 В цехах или на открытых установках необходимо проверять наличие первичных средств пожаротушения и исправность имеющихся стационарных или полустационарных систем пожаротушения.

11 Колонные аппараты большой высоты (40м и более) должны быть обеспечены стационарными системами водяного или воздушно-пенного охлаждения и тушения, состояние и наличие которых должно систематически проверяться.

12 Ремонтные работы в колонне могут производиться лишь после полного удаления продукта и продувки РК паром.



2. Расчетная часть

2.1 Рассчитать количество дистиллята и остатка

Количество дистиллята и остатка (стр.675). По уравнению материального баланса: F = P + W где F-количество поступающей смеси; P - количество получаемого дистиллята; W - количество остатка.

Уравнение материального баланса:

Fxf = Pxp + Wxw

8600 * 0,37 = P + W

8600 * 0,37 = P * 0,974 + W * 0,024

8600 * 0,37 = (8600 -W) * 0,974 + W * 0,024

8600 * 0,37 = 8600 * 0,974 - 0,974 * W + W * 0,024

W= 8600 * (0,974 - 0,37 )/ 0,974 - 0,024= 5468 кг/ч = 0,87 кг/сек

2.2 Рассчитать минимальное флегмовое число

Определить молярный состав и среднюю молекулярную массу смеси бензола и толуола (стр. 677; 19-3).

M1 (C6 H6 ) = 78 - бензол;

M2 ( C6 H5 CH3 ) = 92 - толуол;

При a = 0,37

Xf = a/M1 0,37/78/ a/M1 + (1-a)/M2 0,37/78 + (1 - 0,974)/92=0,409

При a = 0,97

Xp = 0,974/78/0,974/78 + (1- 0,974)/92= 0,978

При a = 0,024

Xw = 0,024/78/0,024/78 + (1- 0,024)/92= 0,028

Где Xf - состав исходной смеси;

Xp - состав дистиллята;

Xw - состав остатка.

Строим график. На y-x диаграмме наносим точку А с координатами Xw=Yw=0,028, и точку C с координатами Xp=Yp=0,978; на кривой равновесия наносим точку B` с абсциссой Xf=0,409. Из точки C проводим через точку B` прямую до пересечения с осью ординат, отсекая на ней отрезок b0 = 0,365.

Минимальное флегмовое число находим по формуле (19-17):

Rmin = X0 B0=0,978/0,365- 1 = 1,68

Принимаем коэффициент избытка флегмы 1,6 , тогда рабочее флегмовое число составит:

R = 1,6 * Rmin = 1,6 * 1,68 = 2,68

2.3 Уравнение рабочей линии

Отрезок, отсекаемый рабочей линией укрепляющей колонны на оси ординат диаграммы равновесия, определяем по формуле (19-14):

b= X0 R + 1 = 0,978/2,7 + 1= 0,264

Количество поднимающихся паров находим по формуле (19-12):

G = RP + P = P (R + 1)

G = 3132 * (2,7 + 1) = 11588 кг/ч = 3,22 кг/сек

Количество стекающей жидкости в укрепляющей колонне равно количеству флегмы и по формуле (19-11) составляет:

R = Ф/ P

Ф = P * R = 3132 * 2,7 = 8456 кг/ч = 2,35 кг/сек

Количество стекающей жидкости в исчерпывающей колонне:

L = Ф + F = 8456 + 8600 = 17056 кг/ч = 4,74 кг/сек

По рабочей линии определяем состав пара в точке B(0,594) соответствующей составу исходной смеси. Находим средний молярный состав пара в верхней части колонны:

0,594 + 0,978/2= 0,78

И в нижней части колонны:

0,028 + 0,594/2= 0,31

Средний молярный состав пара в колонне:

ycр= 0,78 + 0,31/2= 0,55

По t-x-y диаграмме этому составу соответствует температура 91°С

Средняя плотность пара при этих условиях и абсолютном давлении

P=0,9810 5 Па , по уравнению состояния составляем:

п = MP/ RT = 84,3 * 0,98 * 105/8314 * (273 + 91)= 2,7 кг/м3

где Mср=84,3 - средняя молекулярная масса пара, имеющая концентрацию ycр ,определяем по формуле:

Mср = 78 * 0,55 + 92 * (1 - 0,55) = 84,3

Объемный расход пара составляет:



Vп= G /п = 11588/2,7= 4292 м 3/ч = 1,19 м 3/сек

Плотность жидкости в верхней части колонны при среднем содержании бензола:

xcp= Xf + xp/ xp + xw = 0,978 + 0,409/0,409 + 0, 028= 0,694

находим по формуле:

с1 = снк * xcp + свк * (1 - xcp ) = 793 * 0,694 + 788 * (1 - 0,694) = 791,5 кг/ м 3

где и - плотность бензола и толуола;

Аналогично плотность жидкости в нижней части колонны:

с1 = снк * xcp + свк * (1 - xcp ) = 793 * 0,219 + 788 * (1 - 0,219) = 789,1кг/м 3

Средняя плотность жидкости в колонне:

сж = с2 + с1 /2=789,1 + 791,5/2= 790,3 кг/м 3

Объемный расход жидкости в верхней части колонны составляет:

Vx = Ф/ с1 7= 8456/91,5= 10,68 м 3/ч = 0,003 м 3/сек

и в нижней части колонны:

Vx = L /с2= 17056/789,1= 21,61 м 3/ч = 0,006 м 3/сек



Для расчета удельных теплоемкостей и теплот испарения смесей бензола с толуолом принимаем следующее значение удельных теплоемкостей и теплот испарения чистых веществ:

для бензола (при 20°С)

Снк =1730 дж/гград

rнк =435760 дж/гград

для толуола:

Свк =1705 дж/кгград

Rвк =407687 дж/кгград

Расчет ведем на весовые количества:

для дистиллята пара при ap=0,974

Сф = Cнк * ap + Cвк * (1 - ap ) = 1730 * 0,974 + 1705 * (1 - 0,974) = 1729 дж/кг

rф = zнк * ap + zвк * (1 - ap )= 435760 * 0,974 + 407687 * (1 -0,974) =435 * 10-3 дж/кг

Для остатка при aw=0,024

Cw = 1730 * 0,024 + 1705 * (1 - 0,024) = 1706 дж/кг * град

Для исходной смеси при aF=0,37

Сp = 1730 * 0,37 + 1705 * (1 - 0,37) = 1714 дж/кг * град

Определяем расход тепла на испарение флегмы:

Qф = PRrф = 0,87 * 2,67 * 435 * 10-3 = 900711 вт

Находим расход тепла на испарение дистиллята:

Qд = P/rф + Cфtp - CFtF = 0,87/435 * 10-3 + 1729 * 82 - 1714 * 95 = 360135вт



Вычисляем расход тепла на нагревание остатка:

Qост = W (Cwtw - CFtF ) = 1,52 * (1706 * 112 - 1714 * 95) = 42928 вт

Общий расход тепла в кубе составляет:

Q = Qф + Qд + Qост = 900711 + 360155 + 42928 = 1303774 вт

С учетом 5-% потерь общий расход тепла:

Qкуб = 1,05 * Q = 1,05 * 1303774 = 1368963 вт

Тепловую нагрузку дефлегматора определяем по формуле (19-21):

Qдеф = P(R + 1) * rф = 0,87 * (2,38 + 1) * 435 * 10-3 = 1279161 вт

Расход пара в кубе при t=112°C

D = Qкуб / Z = 1368963/533 * 4190= 0,61 кг/сек = 2340 кг/ч

Расход воды в дефлегматоре:

Dв = Qдеф / С *(t * 20) = 1279161/4190= 4,92 кг/сек = 17712 кг/ ч

Определяем скорость газа соответствующую началу подвисания жидкости в колонне с насадкой из правильно уложенных колец размером 15*15*2 м. Расход газа G=11583 расход жидкости L=17056 кг/ч. Температура газа 25°С.

Для правильно уложенных колец указанного размера находим по таблице 26 = 110 м 2/ м 3; = 0,735. Эквивалентный диаметр насадки определяем по формуле:

dэкв = 4 ?/ f = 4 * 0,7/330= 0,0085 м

По формуле определяем критерий Архимеда:

Ar = gэквdэкв * сг (сж - сг) /µr /= 9,81 * 0,0267 3 * 2,7 * (790,3 - 2,7)/ 2 (0,007 * 10 -3) 2= 1,52 * 10 8

Находим Re` по формуле 17-6, заменим в ней отношение Wr/Wж на равное ему отношение G/L :

Re`r = 0,045Ar 0,57 (G/L)0,43 = 0,045 * (0,567 * 10 8) 0,57 * (11583/17056)0,43= 1754

Фиктивную скорость, ° соответствующую началу подвисания жидкости, вычисляем по формуле:

= Rerfµr / 4сг = 934 * 330 * 0,0092 * 10 -3/4 * 2,70,49 кг/сек

Определяем диаметр колонны.

Площадь сечения исчерпывающей колонны при расходе паров VП =1,083 и скорости =0,0066 м/сек соответствует:

S1 = Vп / = 1,19/0,49= 2,43 м 3

d = 4S/ =(4 * 16)/3,14 = 1,8 м

Принимаем d=1,8 м.

Аналогично для укрепляющей колонны:

Re`r = 0,045Ar 0,57 (G/Ф)0,43 = 0,045 * (0,567 * 10 8) 0,57 * (11588/8456) = 2372

= 1256 * 330 * 0,0092 * 10 -3/4 * 2,7= 0,67 м/сек

S2 = Vп/ = 1,19/0,67 = 1,78 м/сек

d = v4S/р = v(4 * 1,78)/3,14 = 1,5 м

Принимаем d=1,5 м.

Определение высоты единиц переноса

Высоты единиц переноса находи по формуле:

(стр. 575) D = D0 * P0 /P * ( T/T0 ) 3/2 = 0,77 * 10 -4 * (273/293) 3/2 =0,069 * 10-4

D0 = 0,077 * 10 -4 (стр. 825) коэффициент диффузии при нормальных условиях.

Диффузионный критерий Прандтля для пара при D=0,0069*10 -4

P`rr= µr / сr`r = 0,0092 * 10 -3/2,7 * 0,009 * 10 -4= 0,494

По формуле (19-22) определяем высоту единиц переноса для исчерпывающей колонны:

h1 = 28,6dэкв Rer0,2(Pr`r )0,65 = 28,6 * 0,0085 * 17540,2 * 0,4940,65 = 0,68

Аналогично для укрепляющей колонны:

h2 = 28,6dэкв Rer0,2(Pr`r )0,65 = 28,6 * 0,0085 * 23720,2 * 0,4940,65 = 0,73

Определяем числа единиц переноса

Графическим методом (стр. 584) определенно число единиц переноса для исчерпывающей колонны 8, для укрепляющей колонны 7,6.

Определение высоты насадки

Для исчерпывающей колонны:

8 * 0,68 = 5,4 м

Для укрепляющей колонны:

7,6 * 0,73 = 5,5 м



Литература

1. Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1968

2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А., Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - М.: Химия, 1976, 1987

3. Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1983

4. Баранов Д.А., Кутепов А.М. Процессы и аппараты. - М.: Академия, 2005.

Размещено на Allbest.ru

...