Определение числа тарелок, высоты и гидравлического сопротивления колонны. Проектирование ректификационной колонны для непрерывного разделения смеси бензол – уксусная кислота под атмосферным давлением. Подробный расчёт холодильника кубового остатка.
Этот пар конденсируется в дефлегматоре, часть полученного конденсата и является в большинстве случаев конечным продуктом (дистиллят), а другая часть конденсата (флегма), подается в колонну для ее орошения и окончательного укрепления пара. Массо-и теплообмен в колоннах с насадкой характеризуются не только явлениями молекулярной диффузии, определяющимися физическими свойствами фаз, но и гидродинамическими условиями работы колонны, которые определяют турбулентность потоков. В случае эмульгирования жидкость распределяется не по насадке, а заполняет весь ее свободный объем, не занятый паром; жидкость образует сплошную фазу, а газ - дисперсную фазу, распределенную в жидкости, т. е. происходит инверсия фаз. Производительность колонны по исходной смеси и кубовому остатку определим из уравнений материального баланса колонны: Отсюда находим: Мольные доли бензола в дистилляте, исходной смеси и в кубовом остатке: Расход кубового остатка и дистиллята: Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются рабочим флегмовым числом R.
Введение
Ректификация - один из наиболее распространенных методов разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или более компонентов, позволяющий получать продукты достаточно высокой чистоты. Ее сущность заключается в многократном контакте жидкой и газообразной фаз. В ходе контакта происходит частичное испарение преимущественно низкокипящего компонента с одновременной конденсацией пара высококипящего компонента. Такой взаимный обмен потоков позволяет получить в виде пара практически чистым более легколетучий компонент (или азеотроп). Этот пар конденсируется в дефлегматоре, часть полученного конденсата и является в большинстве случаев конечным продуктом (дистиллят), а другая часть конденсата (флегма), подается в колонну для ее орошения и окончательного укрепления пара.
Ректификация осуществляется в промышленных установках - ректификационных колоннах. Наиболее широко применяются колонны непрерывного действия (они имеют ряд преимуществ перед периодическими колоннами при большом тоннаже производства), проектированию которой и посвящена данная работа.
Разделение умеренно летучих веществ ведется при атмосферном давлении, так как при этом используется наиболее простое в эксплуатации оборудование, не требуются дополнительные затраты на создание особых условий и обеспечения герметичности. В качестве теплоносителей при этом используют водяной пар, воду и воздух (доступны и относительно дешевы).
Для разделения легколетучих веществ необходимо повышенное давление, чтобы для охлаждения дефлегматора использовать воду и не применять дорогое искусственное охлаждение рассолом. Кроме того, это снижает металлоемкость установки вследствие уменьшения диаметра колонны при меньшем объемном расходе пара и даже позволяет проводить процесс даже для веществ, находящимся в газообразном состоянии при обычных условиях.
Труднолетучие вещества разделяют под вакуумом, для избежания их термического разложения, увеличить относительную летучесть компонентов смеси и для обогрева куба-испарителя использовать водяной пар, а не дорогие высокотемпературные теплоносители.
Для понижения температуры процесса, а также для увеличения выделения (отпарки) легколетучих компонентов используются процессы ректификации в токе инертного носителя: насыщенного водяного пара, перегретого пара, газа.
Разделение азеотропных или близкокипящих смесей выполняется специальными видами ректификации - экстрактивной и азеотропной.
1. Аналитический обзор
Для проведения процессов ректификации применяются аппараты различных конструкций. Чаще всего используются аппараты двух типов: насадочные и тарельчатые ректификационные колонны. Кроме того для ректификации под вакуумом применяют пленочные и роторные колонны различных конструкций. Тарельчатые аппараты представляют собой, как правило, вертикальные колонны, внутри которых на определенном расстоянии друг от друга различные горизонтальные перегородки - тарелки. С помощью тарелок осуществляется многократное взаимодействие жидкости и пара. Тарельчатые аппараты по типу тарелок подразделяются на: ситчатые, колпачковые, клапанные, балластные и пластинчатые.
Насадочные колонны тоже 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. Массо- и теплообмен в колоннах с насадкой характеризуются не только явлениями молекулярной диффузии, определяющимися физическими свойствами фаз, но и гидродинамическими условиями работы колонны, которые определяют турбулентность потоков. В зависимости от скорости потока в колонне возможны три гидродинамических режима: ламинарный, промежуточный и турбулентный,- при которых поток пара является сплошным, непрерывным и заполняет свободный объем насадки, не занятый жидкостью, в то время как жидкость стекает лишь по поверхности насадки. Дальнейшее развитие турбулентного движения может привести к преодолению сил поверхностного натяжения и нарушению граничной поверхности между потоками жидкости и пара. При этом газовые вихри проникают в поток жидкости, происходит эмульгирование жидкости паром, и массообмен между фазами резко возрастает. В случае эмульгирования жидкость распределяется не по насадке, а заполняет весь ее свободный объем, не занятый паром; жидкость образует сплошную фазу, а газ - дисперсную фазу, распределенную в жидкости, т. е. происходит инверсия фаз. Исследования показали, что переход от турбулентного режима к режиму эмульгирования (точка инверсии или точка начала эмульгирования) соответствует оптимальным условиям работы колонны и оптимальной скорости пара, при которой на насадке задерживается максимальное количество жидкости, брызг и пены, достигаются интенсивный массообмен и максимальная производительность при минимальной высоте насадки. Насадочную колонну следует рассчитывать, исходя из оптимальной скорости. При превышении оптимальной скорости начинается обращенное движение жидкости снизу вверх, происходит так называемое “захлебывание” колонны и нарушение режима ее работы. Ректификационные колонны снабжены теплообменными устройствами кипятильником (кубом) и дефлегматором.
Кипятильник или куб предназначен для превращения в пар части жидкости, стекающей из колонны, и подвода пара в ее нижнюю часть под нижнюю тарелку. Кипятильники представляют собой кожухотрубный теплообменник, встроенный в нижнюю часть колонны. Более удобны для ремонта и замены выносные кипятильники, которые устанавливают ниже колонны, с тем, чтобы обеспечивать естественную циркуляцию жидкости. Обогрев кипятильников наиболее часто производится водяным паром.
Дефлегматор, предназначенный для конденсации паров и подачи орошения (флегмы) в колонну, представляет собой кожухотрубный теплообменник, в межтрубном пространстве которого обычно конденсируются пары, а в трубах движется охлаждающий агент (вода). В случае полной конденсации паров в дефлегматоре его устанавливают выше колонны, непосредственно на колонне или ниже верха колонны: для того, чтобы уменьшить общую высоту установки.
2. Технологическая часть
2.1 Описание технологической схемы
Технологическая схема ректификационной установки
Исходная смесь из расходной емкости Е1 центробежным насосом подается в подогреватель П, где нагревается до температуры кипения и поступает на питающую тарелку ректификационной колонны КР. Стекая по тарелкам жидкость, попадает в кипятильник К. Из кипятильника пары жидкости поступают в нижнюю часть колонны и двигаются навстречу исходной смеси, барботируя через нее и обогащаясь низкокипящим компонентом. Выходя из колонны пары, попадают в дефлегматор Д и конденсируются. Дистиллят поступает разделитель Р, где разделяется на два потока: одна часть в качестве флегмы возвращается в колонну и стекает по тарелкам вниз, обогащаясь при этом высококипящим компонентом, а другая часть поступает в холодильник Х2 , охлаждается и попадает в приемную емкость Е3. По мере работы часть жидкости из куба отводится в холодильник Х1 и поступает в приемную емкость Е2 в качестве кубового остатка.
2.2 Расчет ректификационной колонны
2.2.1 Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число
Производительность колонны по исходной смеси и кубовому остатку определим из уравнений материального баланса колонны:
Отсюда находим:
Мольные доли бензола в дистилляте, исходной смеси и в кубовом остатке:
Расход кубового остатка и дистиллята:
Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются рабочим флегмовым числом R. Минимальное флегмовое число Rmin определяем по формуле:
и - мольные доли легколетучего компонента соответственно в исходной смеси и дистилляте; - концентрация легколетучего компонента в паре, находящемся в равновесии с исходной смесью
, согласно [4, c.10]
Рабочее флегмовое число:
Относительный мольный расход питания:
Уравнения рабочих линий: а) верхней (укрепляющей) части колонны:
б) нижней (исчерпывающей) части колонны:
2.2.2 Расчет средних физических величин для смеси
Средние мольные доли бензола по колонне:
Средние мольные массы жидкости в верхней и нижней части колонны:
Средние массовые доли бензола в нижней и в верхней части колонны:
Мольные массы исходной смеси и дистиллята:
Средние массовые расходы по жидкости для верхней и нижней частей колонны:
Средние мольные доли паров ацетона по колонне (определяется по уравнениям рабочих линий):
Средние мольные массы паров в верхней и нижней части колонны:
Средние массовые потоки пара в верхней и нижней части колонны:
Средние температуры пара и жидкости определяем по диаграмме t - x, y: Для пара: а) при б) при
Для жидкости: а) при б) при
Плотности паров по колонне:
Объемный расход пара по колонне
Плотность жидкой смеси в колонне, согласно [6, c.4]:
Вязкости жидких смесей находим по уравнению, [6, c.5]:
Поверхностное натяжение жидкой смеси, [6, c.10]:
Коэффициент диффузии в паровой фазе:
где T - средняя температура в соответствующей части колонны, К; и - мольные объемы компонентов в жидком состоянии при температуре кипения
Мольные объемы компонентов находим как сумму атомных объемов, согласно [5, c.8]:
Коэффициент диффузии для жидкости при 20°С:
где A=1; B=1,27 - коэффициенты, зависящие от свойств растворенного вещества и растворителя;
Вязкость смеси при температуре 20°С: ,
Коэффициент диффузии для жидкости при 20°С:
Коэффициент диффузии в жидкости при средней температуре:
Температурный коэффициент b определим по формуле:
где и принимают при температуре 20°С
,
2.2.3 Скорость пара и диаметр колонны
Зададимся скоростью пара и рассчитаем диаметр колонны по соотношению:
По каталогу выбираем ситчатую тарелку диаметром 1000 мм 2-ого исполнения со следующими конструктивными характеристиками, согласно
Площадь сечения колонны S 0,785 м2
Диаметр отверстий в тарелке 5 мм
Шаг между отверстиями 15 мм
Свободное сечение тарелки 0,0666
Длина сливной планки LСП 0,585 м
Относительное сечение перелива 0,0513
Высота переливного порога 30 мм
Расстояние между тарелками 0,4 м
Линейная плотность орошения жидкости:
Скорость пара в свободном сечении колонны:
Для ректификационных колонн с ситчатыми тарелками максимальная скорость пара определяется по следующему соотношению:
где h - расстояние между тарелками в колонне, q - удельный расход жидкости, =1,2, =1,22 - коэффициенты для ситчатых тарелок. т.к. , то принимаем для формулы значение удельного расхода жидкости равным 0,00278м/с2
Проверка оптимальности скорости пара:
Как видно, условие выполняется!
Рабочее сечение тарелки:
Скорость пара в рабочем сечении тарелки:
Максимальная скорость пара, отнесенная к тарелке:
где В - комплекс, определяемый по соотношению комплекса
- значение комплекса В=0,071 при h=0,4м, согласно [3, c.30]
- значение комплекса В=0,073 при h=0,4м, согласно [3, c.30]
Максимальная скорость газа:
2.2.4 Гидравлический расчет тарелок
2.2.4.1 Скорости пара в отверстиях тарелки и брызгоунос
Максимально допустимая скорость пара в свободном сечении тарелки это критическая скорость перехода пузырькового (пенного) режима в струйный (инжекционный). В струйном режиме эффективность работы ситчатых тарелок уменьшается, кроме того, для струйного режима отсутствуют определения для определения коэффициентов массоотдачи для процесса ректификации.
Максимальную скорость пара в отверстиях тарелки принимают равной 20м/с.
При скоростях пара меньших происходит существенный провал жидкости через отверстия тарелки.
Для ситчатых тарелок должно сходиться условие:
где - максимальная скорость пара в свободном сечении тарелки, - минимальная скорость пара в свободном сечении тарелки, =1,6 - коэффициент сопротивления сухой тарелки, - высота барботажного слоя на тарелке, - паросодержание барботажного слоя, - критерий Фруда, - высота светлого слоя жидкости, - безразмерный комплекс, - поверхностное натяжение воды при 20°С.
Высота светлого слоя жидкости на тарелке:
Паросодержание барботажного слоя :
Высота барботажного слоя:
Скорость пара в отверстиях тарелки:
Минимальная скорость пара в отверстиях:
Как видно, скорости газа в отверстиях выше минимальных, следовательно, тарелки будут работать всеми отверстиями.
Высота сепарационного пространства:
Унос жидкости:
Как видно, оба параметра удовлетворяют условию
2.2.4.2 Скорость жидкости в переливе
- сечение перелива;
- скорость жидкости в переливном устройстве тарелки;
- максимальная скорость жидкости в переливном устройстве тарелки;
h - расстояние между тарелками (0,3м);
k2=0,9 - коэффициент вспениваемости жидкости.
- условие нормальной работы переливного устройства, в противном же случае избыток жидкости может привести к захлебыванию колонны.
Фактическая скорость жидкости в переливном устройстве:
Максимальная скорость жидкости в переливе:
Условие нормальной работы переливного устройства выполняется.
2.2.4.3 Гидравлическое сопротивление тарелок колонны
Рассчитаем гидравлическое сопротивление тарелок в верхней и в нижней части колонны по уравнению, согласно [3, с.13]:
- гидравлическое сопротивление сухой тарелки, =1,6-коэффициент сопротивления сухой тарелки;
- сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения;
- сопротивление парожидкостного слоя;
2.2.5 Коэффициенты массопередачи и эффективность тарелки
Расчет диффузионного критерия Пекле для паровой смеси, согласно:
Числа переноса по газовой фазе:
Плотность орошения в колонне:
Расчет диффузионного критерия Пекле для жидкой фазы, согласно:
Числа переноса по жидкой фазе:
Общие числа переноса в верхней и нижней части колонны, согласно
По диаграмме «Равновесное состояние жидкости и пара» определяем коэффициенты распределения нижней и верхней частей колонны: - тангенс угла наклона касательной к равновесной линии в верхней части колонны при среднем мольном составе по легколетучему компоненту;
- тангенс угла наклона касательной к равновесной линии в нижней части колонны при среднем мольном составе по легколетучему компоненту;
- тангенс угла наклона верхней рабочей линии;
- тангенс угла наклона нижней рабочей линии.
Локальная эффективность тарелки:
2.2.6 Определение числа тарелок, высоты и гидравлического сопротивления колонны
Число тарелок определяем с помощью ЭВМ: Верхняя часть колонны - 3
Нижняя часть колонны - 7
N=3 7=10
Высоту тарельчатой ректификационной колонны определяем по формуле:
где - расстояние между тарелками, ; , - расстояние соответственно между верхней тарелкой и крышкой колонны и между днищем колонны и нижней тарелкой, .
Согласно [3, с.31] , а Отсюда получим:
Гидравлические сопротивление колонны.
2.2.7 Тепловой баланс ректификационной колонны
Тепловой баланс ректификационной колонны выражается общим уравнением, согласно [1, с.321]:
где QK - тепловая нагрузка куба; QD - количество теплоты, передаваемой от пара к воде; Qпот - тепловые потери (5%); - теплоемкости соответствующие дистилляту, кубовому остатку и исходной смеси; - температуры соответствующие дистилляту, кубовому остатку и исходной смеси (находим из диаграммы «Зависимость температуры от равновесных составов пара и жидкости»): , , Найдем удельную теплоту конденсации паров дистиллята, [6, с.15]:
Определим тепловую нагрузку дефлегматора:
Теплоемкости дистиллята, исходной смеси и кубового остатка при их температурах кипения, согласно [1, с.562]:
Тогда:
2.3 Приближенный расчет теплообменной аппаратуры
Дан пар 1,5 атм (изб), выразим давление в единицы измерения :
Методом интерполяции найдем температуру и теплоту конденсации греющего пара, согласно [1, с.550]:
2.3.1 Куб-испаритель
Исходные данные: Q=619300 Вт - тепловой баланс куба - испарителя тг.п.=133,89°С - температура конденсации водяного пара
TW=116,5°С - температура кипения кубового остатка
Температурная диаграмма процесса: t тг.п.=133,890С
?tб ?tм
tw=116,50С
Средняя движущая сила:
Определим поверхность теплообмена по формуле (для куба-испарителя коэффициент теплопередачи КК=1000Вт/(м2.К)):
По ориентировочной поверхности теплообмена выбираем вертикальный одноходовой теплообменник с внутренним диаметром кожуха D=400 мм, числом труб n=181 (20?2 мм), с поверхностью теплообмена F=46 м2 и длиной труб l=4 м., согласно [2, с.51]
