Расчет ректификационной колонны

Содержание

Введение 3

1. Технологическая схема и ее описание 4

2. Технологический расчет 5

2.1. Расчет материального баланса 5

2.2. Диаграмма равновесия y-x и рабочие линии 5

2.3. Число теоретических тарелок. Оптимальное флегмовое число 7

3. Расчет насадочной ректификационной колонны непрерывного действия 11

3.1. Диаметр колонны 11

3.2. Расчет высоты слоя насадки с учетом числа единиц переноса 17

3.2.1. Расчет высоты насадки верхней части колонны 18

3.2.2. Расчет высоты насадки нижней части колонны 22

4. Потеря давления в насадочной колонне 24

5. Тепловой баланс колонны ректификационной колонны 26

5.1. Количество тепла, отдаваемое охлаждающей воде в дефлегматоре 26

5.2. Расход тепла, получаемого в кубе-испарителе от греющего пара 26

5.3. Расход тепла в паровом подогревателе смеси 27

5.4. Общий расход тепла 27

5.5. Расход греющего пара в кубе 27

5.6. Расход воды 27

Заключение 29

Список литературы 30

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Ректификация - массообменный процесс разделения однородной смеси летучих компонентов, осуществляемый путем противоточного многократного взаимодействия паров, образующихся при перегонке, с жидкостью, образующейся при конденсации этих паров.

Разделение  жидкой смеси основано на различной  летучести веществ. При ректификации исходная смесь делится на две  части: дистиллят - смесь, обогащенную  низкокипящим компонентом, и кубовый  остаток - смесь, обогащенную высококипящим  компонентом.

Процесс ректификации осуществляется в ректификационной установке, основным аппаратом которой является ректификационная колонна, в которой пары перегоняемой жидкости поднимаются снизу, а навстречу парам стекает жидкость, подаваемая в виде флегмы в верхнюю часть аппарата.

Процесс ректификации может протекать при атмосферном  давлении, а также при давлениях  выше или ниже атмосферного. Под  вакуумом ректификацию проводят, когда  разделению подлежат высококипящие  жидкие смеси. Повышенное давление применяют  для разделения смесей, находящихся  в газообразном состоянии при  более низком давлении. Атмосферное  давление принимают при разделении смесей, имеющих температуру кипения от 30 до 150^°С.

Степень разделения смеси жидкостей на составляющие компоненты и чистота получаемого  дистиллята и кубового остатка зависят  от того, насколько развита поверхность  контакта фаз, от количества подаваемой на орошение флегмы и устройства ректификационной колонны.

В промышленности применяют тарельчатые, насадочные, пленочные трубчатые и центробежные пленочные аппараты. Они различаются  в основном конструкцией внутреннего  устройства аппарата.

 

1. Технологическая схема и ее  описание

 

Рис. 1 - Принципиальная схема ректификационной установки

1 – емкость для исходной смеси; 2 – подогреватель; 3 – колонна;

4 – кипятильник; 5 – дефлегматор; 6 – делитель флегмы; 7 – холодильник; 8 – сборник дистиллята; 9 – сборник кубового остатка.

Исходную  смесь из емкости 1 центробежным насосом подают в теплообменник 2, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 3, 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. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава х_p, получаемой в дефлегматоре 5 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 емкость 8. Из кубовой части колонны насосом непрерывно выводится кубовая жидкость – продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в емкость 9.

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).

 

 

2. Технологический расчет

2.1. Расчет материального баланса

Уравнение материального баланса

Так как

то

2.2. Диаграмма равновесия y-x и рабочие линии

3.2.1. Пересчет состава фаз из массовых долей в мольные

где - молекулярная масса уксусной кислоты ( )

       - молекулярная масса воды

2.2.2. Концентрация легколетучего компонента в паровой фазе

Исходные данные введем в табл. 1:

Табл. 1 – Равновесные составы жидкости и пара для системы вода – уксусная кислота при П_абс=700 мм рт. ст.

 

t, 0С	% (мол.) воды
	В жидкости	В паре
118,1	0	0
115,4	5	9,2
113,8	10	16,7
110,1	20	30,2
107,5	30	42,5
105,8	40	53,0
104,4	50	62,6
103,2	60	71,6
102,1	70	79,5
101,3	80	86,4
100,6	90	93,0
100,0	100	100

 

По данным табл. 1 построим диаграмму  равновесия x,y:

Рис. 2 – Диаграмма равновесия между паром (у) и жидкостью (х) при постоянном давлении

Из рис. 2:

По данным таблицы 1 строим диаграмму t-x,y, рис. 3, которую используют для определения температур кипения потоков и равновесного состава жидкости и пара для разделяемой смеси вода – уксусная кислота, табл. 2.

Табл. 2 – Равновесные  составы жидкости и пара для смеси  вода – уксусная кислота, соответствующие  рис. 3

 

Температура кипения, 0С	Массовые доля уксусной кислоты		Мольная доля бензола
	в жидкости	в паре	в жидкости	в паре
105
101
110,1

 

Рис. 3 - Диаграмма  t-x,y , для смеси вода – уксусная кислота

2.3. Число теоретических тарелок. Оптимальное флегмовое число

2.3.1. Минимальное флегмовое число

 

2.3.2. Действительные флегмовые числа R

,

где β – коэффициент избытка  флегмы (β=1,1; 1,3; 1,5; 1,7; 2,0 и т.д.)

Задавая значения коэффициента избытки  флегмы β, вычисляем соответствующие  действительные флегмовые числа  R. На диаграммах отложим значения В, затем построим рабочие линии укрепляющей и исчерпывающей части колонны и нанесем линии обозначающие теоретические тарелки. По количеству пиков, определим число теоретических тарелок

Табл. 3 – Значения величин

, , и

β
1,0	2,9571	0,2400	17,0	67,2707
1,1	3,2528	0,2200	12,8	54,4359
1,3	3,8442	0,1960	11,3	54,7400
1,5	4,4356	0,1747	11,0	48,7900
1,7	5,0271	0,1576	11,0	66,2977

где – минимальное произведение, пропорциональное объему ректификационной колонны ( – число ступеней изменения концентраций или теоретических тарелок, а – расход паров).

 

Рис. 4 - Диаграмма равновесия между паром (х) и жидкостью (у) при флегмовом числе R₁=2,9571

 

 

 

Рис. 5 - Диаграмма равновесия между паром (х) и жидкостью (у) при флегмовом числе R₂=3,2528

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 6 - Диаграмма равновесия между паром (х) и жидкостью (у) при флегмовом числе R₃=3,8442

 

 

 

 

Рис. 7 - Диаграмма равновесия между паром (х) и жидкостью (у) при флегмовом числе R₄=4,4356

 

 

 

 

 

Рис. 8 - Диаграмма  равновесия между паром (х) и жидкостью (у) при флегмовом числе R₅=5,0271

 

По данным табл. 3 построим график зависимости:

Рис. 9 – График зависимости

от R

 

Из рис. 8 находим, что R=4,4356

 

 

 

 

3. Расчет насадочной ректификационной колонны непрерывного действия

Конструктивный расчет насадочных колонн ведут с определения диаметра колонны, высоты насадки, габаритной высоты колонны и гидравлических потерь в ней.

3.1. Диаметр колонны

Диаметр колонны  рассчитывается в зависимости от количества и скорости поднимающегося пара. Скорость пара рассчитывается по точке начала эмульгирования.

3.1.1. Расчет диаметра верхней части колонны

Среднее количество поднимающегося пара:

где - количество пара, поднимающегося в нижние слои насадки верхней части колонны; - количество пара, уходящего из верхнего слоя насадки.

_{Молекулярная  масса пара, уходящего  в дефлегматор:}

_или

_{Количества  жидкости , пара , а также содержание легколетучего компонента в паре вверху колонны находят из системы уравнений материального и теплового балансов верхней части колонны:}

_{где - скрытая теплота парообразования смеси на первой тарелке верхней части колонны; - скрытая теплота парообразования смеси на верхней тарелке верхней части колонны.}

_{Теплоту парообразования  смеси определяют по правилу аддитивности:}

_{Теплоты парообразования  уксусной кислоты  и воды при их температурах кипения.}

 или 

 или 

_Тогда

_Откуда 

, ,

_{Молекулярная  масса пара, поступающего на первую тарелку  M1, а также исходной смеси MF , находят по уравнениям:}

_Тогда

_{и среднее количество пара, поднимающегося по верхней части  колонны, равно:}

 

_{Диаметр колонны  вычисляется по формуле:}

_{где - средняя плотность пара; - рабочая скорость пара.}

_{Средняя плотность  пара}

_{где - средний объем пара, который рассчитывается по формуле:}

  _{- температура пара, соответствующая среднему содержанию легколетучего компонента в паре в верхней части колонны . Значение определяем из диаграммы t-x,y, рис. 3.}

_{Тогда согласно табл. 1}

_{Оптимальную скорость пара, соответствующую  началу эмульгирования, определяем по формуле:}

_{где -оптимальная скорость пара, отнесенная к полному сечению колонны, м/с; - удельная поверхность насадки, м²/м³; - свободный объем насадки, м³/м³; - плотность пара и жидкости, кг/м³; - динамический коэффициент вязкости жидкости при средних условиях, сП; А=-0,125 – постоянная для паро-жидкостных смесей; - масса жидкости и пара, кг/ч; - ускорение свободного падения, м/с².}

_{Выбираем  насадку в виде керамических колец  размером  . Ее характеристики: свободный объем  , удельная поверхность .}

_{Динамический  коэффициент вязкости жидкости при среднем содержании уксусной кислоты и воды и по формуле:}