Непрерывно действующие ректификационные установки для разделения бинарных смесей. Определение средних физических величин пара и жидкости. Высота газожидкостного слоя. Скорость пара в свободном сечении тарелки. Расчет гидравлического сопротивления колонны.
Аннотация к работе
Процесс осуществляется путем контакта потоков пара и жидкости, имеющих различную температуру кипения и проводится обычно в колонных аппаратах. При каждом контакте из жидкости испаряется преимущественно низко кипящий компонент, а из паров конденсируется высоко кипящий компонент, переходящий в жидкость. Поэтому зависимость между рабочими концентрациями фаз определяется для всей колонны одной рабочей линией, соответствующей уравнению: Роль исчерпывающей части колонны выполняет куб. В результате взаимодействия между жидкостью и паром, имеющим более высокую температуру, жидкость частично испаряется, причем в пар переходит преимущественно НК. Из пара конденсируется и переходит в жидкость преимущественно ВК, содержание которого в поступающем на тарелку паре выше равновесного с составом жидкости на тарелке.Равновесие между жидкостью и паром в системе бензол - уксусная кислота (Р=760мм р.с.
Введение
В данной курсовой работе рассматривается процесс ректификации, осуществляющийся непрерывно при атмосферном давлении. Ректификация представляет собой процесс многократного частичного испарения жидкости и конденсации паров. Процесс осуществляется путем контакта потоков пара и жидкости, имеющих различную температуру кипения и проводится обычно в колонных аппаратах. При каждом контакте из жидкости испаряется преимущественно низко кипящий компонент, а из паров конденсируется высоко кипящий компонент, переходящий в жидкость.
Такой двусторонний обмен компонентами повторяемый многократно, позволяет по лучить в конечном итоге пары представляющие собой почти чистый НК. Эти пары после конденсации в отдельном аппарате дают дистиллят и флегмужидкость, возвращаемую для орошения колоны и взаимодействия с поднимающимися парами. Пары получают путем частичного испарения снизу колоны остатка, являющегося почти чистым ВК.
Ректификация известна с начала 19 века как один из важнейших технологических процессов главным образом спиртовой и нефтяной промышленности. В настоящее время ее все шире применяют в самых различных областях химической технологии, где выделение компонентов в чистом виде имеет весьма важное значение (производство полимеров, полупроводников и различных других веществ высокой чистоты).
1. Аналитический обзор
Процессы ректификации осуществляются периодически или непрерывно при различных давлениях: атмосферном, под вакуумом (для разделения смесей высококипящих веществ), а так же под давлением больше атмосферного (для разделения смесей, являющихся газообразными при нормальных температурах).
1.1 Периодическая ректификация бинарных смесей
Процессы периодической ректификации могут проводиться при постоянном флегмовом числе (R=const), и при постоянном составе дистиллята.
При периодической ректификации содержание НК в смеси, кипящей в кубе, уменьшается во времени. Поэтому при возврате постоянного количества флегмы в колонну, т.е. в случае работы при R=const, дистиллят так же постепенно соединяется с НК. В результате дистиллят получают в виде различных по составу фракций, отбираемых в отдельные сборники. Проведение процесса получением дистиллята постоянного состава возможно, путем постепенного увеличения во времени количества возвращаемой в колонну флегмы или при работе с постепенно возрастающим флегмовым числом R.
Осуществление процесса таким способом связано с автоматическим регулированием количества флегмы, возвращаемой в колонну, или количества пара, поступающего из кипятильника, что усложняет установку.
Периодически действующие колонны работают как колонны для укрепления паров. Поэтому зависимость между рабочими концентрациями фаз определяется для всей колонны одной рабочей линией, соответствующей уравнению:
Роль исчерпывающей части колонны выполняет куб. В процессе периодической ректификации при R=const концентрация НК в кубе постепенно уменьшается от Х (в начальный момент) до Х (в конечный момент), принимая во времени промежуточные значения. При R=const наклон рабочей линии, равной , не зависит от концентрации и поэтому рабочая линия смещается параллельно своему первоначальному положению.
Однако при всех положениях рабочих линий число единиц переноса в колонне остается неизменным. В связи с этим изменяется состав дистиллята; концентрация НК в нем снижается, принимая последовательно значения (при составе в кубе), , и т.д. вплоть до конечного значения соответствующее данному составу остатка .
В процессе периодической ректификации при =const для сохранения постоянного состава дистиллята необходимо постепенно увеличивать флегмовое число. Возрастание его соответствует увеличению наклона рабочей линии. С увеличением R отрезок, отсекаемый рабочей линией на оси ординат и равный , при =const уменьшается.
1.2 Непрерывно действующие ректификационные установки для разделения бинарных смесей
Ректификационная колонна имеет цилиндрический корпус, внутри которого установлены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Снизу вверх по колонне движутся пары, поступающие в нижнюю часть аппарата из кипятильника, который находится внизу колонны (встроен в куб). С помощью него создается восходящий поток пара. Пары проходят через слой жидкости на нижней тарелке, которую считаем первой, введя условно нумерацию снизу вверх.
Пусть жидкость на первой тарелке равна по низкокипящему компоненту, а ее температура . В результате взаимодействия между жидкостью и паром, имеющим более высокую температуру, жидкость частично испаряется, причем в пар переходит преимущественно НК. Поэтому на следующую тарелку поступает пар с содержанием НК
.
Испарение жидкости на тарелке происходит за счет тепла конденсации пара. Из пара конденсируется и переходит в жидкость преимущественно ВК, содержание которого в поступающем на тарелку паре выше равновесного с составом жидкости на тарелке. При равенстве теплот испарения компонентов бинарной смеси, для испарения 1моль НК необходимо сконденсировать 1 моль ВК, т.е. фазы на тарелке обмениваются эквимолекулярными количествами компонентов.
На второй тарелке жидкость имеет состав , содержит больше НК, чем на первой, и соответственно кипит при более низкой температуре. Соприкасаясь с ней, пар состава частично конденсируется, обогащается НК и удаляется на выше лежащую тарелку, имея состав и.т.д.
Таким образом, пар представляющий собой на выходе из кипятильника почти чистый ВК, по мере движения вверх все более обогащается НК и покидает верхнюю тарелку колонны в виде почти чистого НК, который практически полностью переходит в паровую фазу на пути пара от кипятильника до верха колонны.
Пары конденсируются в дефлегматоре, охлаждаясь водой, и получаемая жидкость разделяется в делителе на дистиллят и флегму, которая направляется на верхнюю тарелку колонны.
Жидкость, поступающая на орошение колонны (флегма) представляет собой почти чистый НК. Однако, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, жидкость все более обогащается ВК и поступает в кипятильник, обогреваемый глухим паром или другим теплоносителем. На некотором расстоянии от верха колонны к жидкости из дефлегматора присоединяется исходная смесь, которая поступает на питающую тарелку. Для того чтобы уменьшить тепловую нагрузку кипятильника, исходную смесь так же нагревают в подогревателе до температуры кипения жидкости.
Питающая тарелка как бы делит колонну на две части, имеющие различное назначение.
В верхней части (от питающей до верха) должно быть обеспечено, возможно большее укрепление паров, т.е. обогащение их НК с тем, чтобы в дефлегматор направлялись пары, близкие по составу к чистому НК. Поэтому данная часть колонны называется укрепляющей. В нижней части (от питающей до нижней тарелки) необходимо в максимальной степени удалить из жидкости НК т.е. исчерпать жидкость, для того, чтобы в кипятильник стекала жидкость, близкая по составу к чистому ВК. Соответственно эта часть колонны называется исчерпывающей. Жидкость, выходящая из низа колонны (близкая по составу ВК) также делится на две части. Одна часть направляется в кипятильник, а другая - остаток после охлаждения водой в холодильнике направляется в сборник.
2. Расчетная часть
2.1 Материальный баланс
Обозначим массовый расход по кубовому остатку кг/с, по дистилляту кг/с, питания кг/с. из уравнений материального баланса:
где: находим: , Для дальнейших расчетов выразим концентрации питания, дистиллята и кубового остатка в массовых долях:
Относительный мольный расход питания: . Кривая равновесия точек перегиба не имеет. Определяем минимальное число флегмы по уравнению: ,где - мольную долю воды в паре, равновесном с жидкостью питания определяем по диаграмме . Рабочее число флегмы определяем по уравнению:
Уравнения рабочих линий: а) верхней части колонны , в) нижней части колонны
График нижней и верхней рабочих линий, а так же равновесной кривой находится в Приложение I.
2.2 Гидравлический расчет
2.2.1 Определение средних физических величин пара и жидкости. Расчет расходов пара и жидкости в верхней и нижней частях колонны
Для определения основных размеров колонны, расходов греющего пара и воды требуется найти средние мольные, массовые составы, мольные, массовые и объемные расходы по жидкости и пару, а также некоторые физические величины.
Простая полая колонна.
Для простой полой колонны, обогреваемой глухим паром (горячей водой) или острым паром, средние составы и расходы по жидкости и пару, а также физические величины определяют отдельно для верхней и нижней частей колонны. а) Для жидкой фазы в верхней и нижней частях колонны: - мольные составы ХАВ и ХАН
-мольные массы
-массовые составы
-средние температуры определяют по диаграмме t-x,y при соответствующих значениях ХАВ и ХАН : -плотности
-динамические коэффициенты вязкости
-коэффициенты диффузии
-поверхностные натяжения
-массовые расходы
-объемные расходы б) Для паровой фазы в верхней и нижней частях колонны
-мольные составы определяют по уравнениям рабочих линий при подстановке в них соответствующих ХАВ и ХАН
-мольные массы
-массовые составы
-средние температуры тув, тун определяют по диаграмме t-x,y при соответствующих значениях УАВ и УАН : -плотности
-динамические коэффициенты вязкости
-коэффициенты диффузии
-массовый расход пара, который принимается постоянным по высоте колонны
-объемный расход пара
2.2.2 Тепловой расчет установки
Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе.
Тепловой баланс ректификационной колонны можно выразить одним уравнением где CD, CW, CF - удельные теплоты дистиллята, кубового остатка и исходной смеси (Дж/кг*К) взяты соответственно при TD=81.80С, TW=116.50С, TF=93.20С
Qпотерь - тепловые потери,
2.2.3 Расчет скорости пара и диаметра колонны
Задаемся скоростью пара в колонне пусть w=1 м/с, тогда диаметр колонны рассчитываем по формуле
Результат округляем до ближайшего большего стандартного значения D=1.4 м
Гидравлический расчет ситчатых тарелок начинают с определения скорости газа(пара). Однако сначала необходимо рассчитать максимальную скорость газа(пара) по соотношению:
Коэффициент k1=1.2, k2=0.8, k3=1.22
Линейная плотность орошения
-при максимальной нагрузке по жидкости
-при минимальной нагрузке по жидкости
Lx - расход жидкости, кг/с, Lсп - длина сливной перегоролки, которая определяется по каталогу.
По каталогу, для D=1.4 м выберем ситчатую тарелку с конструктивными размерами: ?=5.25%
Lсп=840 мм
S=1.54 м2
Для выбранного стандартного диаметра рассчитываем скорость пара в свободном сечении колонны:
Для выбранной тарелки диаметра D=1.4 м2 и различных нагрузок по пару определяем рабочую скорость пара:
Величина максимально допустимой рабочей скорости пара, рассчитывается по формуле:
В- коэффициент, значение которого смотрим в справочнике, Вв=0.050, Вн=0.059
2.2.4 Расчет высоты газожидкостного (барботажного) слоя жидкости
Высота газожидкостного слоя рассчитывается по уравнению:
2.2.5 Расчет скорости пара в свободном сечении тарелки
Скорость пара в свободном сечении тарелки определяем по формуле:
? - относительное свободное сечение тарелки (см. справочник) при t=13 мм и ?=0.0922
Минимально допустимая скорость пара в свободном сечении тарелки рассчитываем по соотношению
2.2.6 Расчет брызгоуноса
Унос жидкости потоком пара на вышележащие тарелки приводит к ухудшению эффективности работы тарелок. Брызгоунос (относительный расход уносимой паром жидкости) определяется скоростью пара, высотой сепарационного пространства и физическими свойствами жидкости и пара. Унос жидкости определяем по соотношению Ханта:
hc - высота сепарационного пространства, м
Гидравлическое сопротивление тарелки можем определить по соотношению:
?=1.6 - коэффициент сопротивления ситчатой тарелки
2.3 Расчет высоты колонны
2.3.1 Определение кинетических параметров (частных чисел единиц переноса)
Число ny единиц переноса по газовой фазе можно рассчитать по следующему соотношению:
где Pe’y - диффузионный критерий Пекле
Число nx единиц переноса по жидкой фазе рассчитываем по уравнению:
Pe’х- диффузионный критерий Пекле
2.3.2 Определение локальной эффективности тарелки
Расчет эффективности Е0 тарелки зависит от модели структуры потоков пара и жидкости и их взаимного движения. На тарелках с переливными устройствами осуществляется перекрестное движение фаз. Обычно для паровой фазы используется модель идеального вытеснения, а для жидкой фазы используется либо модель полного перемешивания, либо модель идеального вытеснения, или диффузионная модель движения жидкости, учитывающая перемешивание жидкости на тарелке.
Для модели полного перемешивания жидкости на тарелке:
где n0y - общее число единиц переноса по паровой фазе на тарелке
По использовании диффузионной модели для жидкой фазы общая эффективность тарелки рассчитаем по уравнению:
-критерий Пекле, характеризующий перемешивание жидкости на тарелке,
- длина пути жидкости на тарелке (расстояние между переливной и сливной перегородками), м
Общее число единиц переноса рассчитываем по формуле:
2.3.3 Определение числа действительных тарелок
Для определения необходимого числа n тарелок необходимо знать число теоретических тарелок - nm, определяемое графическим построением ступеней между рабочими линиями и линией равновесия, вверху колонны nm=3, в низу - nm=4,
2.3.4 Определение высоты и гидравлического сопротивления колонны
Высоту Hm тарельчатой части колонны находят по соотношению:
Общая высота колонны включает высоту ее тарельчатой части и определяется по формуле: , и -расстояние между верхней тарелкой и крышкой колонны и между днищем колонны и нижней тарелкой, .
Расстояния и для колонн диаметром равны: и . Высота колонны получается равной: Гидравлическое сопротивление колонны равно:
2.4 Расчет дефлегматора
2.4.1 Температурная схема процесса
Рассчитаем среднюю движущую силу теплопередачи
Рассчитаем среднюю температуру воды:
2.4.2 Расчет теплофизических свойств
Для воды при t=19.50C ?2=998.1 кг/м3 ?2=1.0155*10-3 Па*с ?2=59.78*10-2 Вт/м*К с2=4.19 КДЖ/м2*К
Дистилят при TD=81.80C
Тепловая нагрузка аппарата:
2.4.3 Расход охлаждающей воды
Расход охлаждающей воды при нагреве на 50С
Примем k=500 Вт/м2К, тогда
2.4.4 Расчет площади поперечного сечения
Расчет площади поперечного сечения трубного пространства одного хода St, при котором режим течения воды будет турбулентным
Примем Re=104 и d=25x2 мм тогда,
Отсюда найдем площадь поперечного сечения трубного пространства одного хода: Выберем по каталогу для уточняющего расчета конденсатор с поверхностью F=Fmax и St<16.4*10-2 м2, таким параметрам удовлетворяет следующий конденсатор: D=600 мм l=2 м d=25x2 мм число ходов = 2 число труб = 240 число труб по вертикали =16
F=38 м2
2.4.5 Трубное пространство
Расчет скорости течения в трубном пространстве: Определение режима течения жидкости
Так как Re>104, то критериальное уравнение имеет вид:
Принимает =1, тогда Зная критерий Нуссельта, определим коэффициент теплоотдачи по формуле:
2.4.6 Межтрубное пространство
Примем расположение теплообменника горизонтальным.
Рассчитаем коэффициент теплоотдачи при конденсации пара на пучке горизонтальных труб:
? - поправочных множитель, учитывающий влияние числа труб по вертикали (?=0.56);
?Т - поправочная функция ( )
2.4.7 Термическое сопротивление стенки и загрязнений
В качестве хладагента используем воду со средним загрязнением тепловой проводимости загрязнений стенок, а тепловая проводимость загрязнений стенок органическими парами Толщину слоя загрязнения примем равной 2 мм. В качестве материала труб выберем сталь с коэффициентом теплопроводимости
Тогда термическое сопротивление загрязнений труб:
2.4.8 Метод итераций
Задаемся тст=60 0С
Уточним ?1
Рассчитаем тст2
Рассчитаем q2
Определение погрешности сходимости тепловых потоков
Дальнейшие итерационные действия и расчеты занесены в таблицу: t1 0C tct1 0C ?t1 0C ?1 103 Вт/м2К q1 104 Вт/м2 тст2 0С t2 0C ?2 103 Вт/м2К ?t2 0C q2 104 Вт/м2 Е %
2.4.9 Уточнение коэффициента теплопередачи и поверхности теплопередачи
Требуется установить теплообменник
D=600 мм d=25x2 мм число ходов = 2 число труб = 240 число труб по вертикали = 16
F=38 м2
Запас поверхности равен:
Заключение
Исходя из проведенных расчетов можно сделать вывод о том, что ректификационная колонна диаметром D=1.4 м и высотой H=7.8 м подходит для проведения в ней процесса разделения смеси бензол - уксусная кислота.
По итогам предварительных расчетов и уточнения их методом итераций для отвода теплоты из колонны можно использовать дефлегматор с площадью теплообмена F=38 м2.
Список литературы
1. Дытнерский Ю.И., Борисов Г.С., Брыков В.П. “Основные процессы и аппараты химической технологии” пособие по проектированию М: Химия 1991 - 496 с.
2. Касаткин А.Г. “Основные процессы и аппараты химической технологии”
М: Химия 1971 - 784 с.
3. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. “Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии”. Л: Химия 1987 - 576 с.