Расчет ректификационной колонны

Оглавление

 

Аннотация

В данном курсовом проекте  мы ознакомимся с массообменным процессом ректификации, рассмотрим технологическую схему ректификации. Будут проведены расчеты ректификационной тарельчатой колпачковой установки непрерывного действия для разделения бензола и толуола, т.е. определены основные геометрические размеры колонны – диаметр и высота колонны.

Страниц – 33

Рисунков – 12

График – 1

Приложение  – 1

Таблиц – 2

 

 

 

 

The summary

In this course project we will familiarize with the massoobmennym process of rectification, will consider the flowsheet of rectification. The calculations of the rectification tarel'chatoy kolpachkovoy setting of continuous action will be conducted for the division of benzol and toluene, I.e. the basic geometrical sizes of column – diameter and height of column are certain.  

 

1. Ректификация. Принцип работы ректификационных установок

 

В ряде производств  химической, нефтяной, пищевой и  других отраслей промышленности в результате различных технологических процессов  получают смеси жидкостей, которые  необходимо разделить на составные части.

Для разделения смесей жидкостей и сжиженных  газовых смесей в промышленности применяют способы простой перегонки (дистилляции), перегонки под вакуумом и с водяным паром, молекулярной перегонки и ректификации. Ректификацию широко используют в промышленности для полного разделения смесей летучих жидкостей, частично или целиком растворимых одна в другой.

Сущность процесса ректификации сводится к выделению  из смеси двух или в общем случае нескольких жидкостей с различными температурами кипения одной  или нескольких жидкостей в более или менее чистом виде. Это достигается нагреванием и испарением такой смеси с последующим многократным тепло- и массообменом между жидкой и паровой фазами; в результате часть легколетучего компонента переходит из жидкой фазы в паровую, а часть менее летучего компонента—из паровой фазы в жидкую.

Ректификация (от лат. rectificare - очищать, исправлять) – массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаев в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными используемыми в процессе абсорбции. Способ почти полного разделения смеси летучих жидкостей путем взаимодействия пара и жидкости при многократном испарении и конденсации (в результате противоточного взаимодействия паров и жидкой смеси).

Процесс многократной дистилляции  ректификация осуществляется в специальных аппаратах – ректификационных установках, основной частью которых являются ректификационные колонны.

Составные части ректификационной установки:

1. дистиллятор (куб) - имеется только в периодических РУ,
2. ректификационная колонна,
3. дефлегматор,
4. конденсатор,
5. сборник, смотровой фонарь, коммуникации.

Назначение каждого  узла:

1)  Дистиллятор –  перегонный куб, предназначен  для превращения жидкости в  пар, т.е. для перегонки;

2)  Ректификационная колонна – для разделения смеси паров двух и более летучих жидкостей;

3)  Дефлегматор –  холодильник для частичной конденсации  паров, выходящих из РК (ректификационной  колонны). Служит для образования  и поддержания уровня флегмы  на тарелках;

4)  Конденсатор – холодильник для полной конденсации паров, выходящих из РК. В отличие от дефлегматора, конденсатор охлаждается не теплой, а проточной (холодной) водой;

5)  Сборник – емкость  для готовой продукции (цистерны, танки);

6)  Смотровой фонарь  – стеклянный колпак с плавающим внутри спиртомером, показывающим “крепость” получаемого спирта;

7)  Коммуникации –  трубопроводы для пара, жидкостей,  связывающие все узлы в единый  агрегат.

 

 

Принципиальная схема  ректификационной установки:

Рис. 1 Схема ректификационной установки

 

Исходная смесь загружается  в куб 1, где нагревается до температуры  кипения и испарения. Пары проходят через ректификационную колонну 2, взаимодействуя в противотоке с жидкостью, возвращаемой из дефлегматора 3. В дефлегматоре пары конденсируются, и флегма поступает в делитель потока 4. Часть флегмы из делителя потока направляется на орошение ректификационной колонны, а другая часть – дистиллят – проходит через холодильник 5 и направляется в сборники 6.

В ректификационную колонну подаются пары перегоняемой жидкости. Они поднимаются снизу, а в режиме противотока навстречу парам идёт жидкость, сконденсировавшаяся наверху в холодильнике. В случае, если разгоняемый продукт состоит из двух компонентов, конечными продуктами являются дистиллят, выходящий из верхней части колонны и кубовый остаток (менее летучий компонент в жидком виде, вытекающий из нижней части колонны). Ситуация усложняется, если необходимо разделить смесь, состоящую из большого количества фракций.

В настоящее  время применяется большое количество разновидностей ректификационных колонн. Особенности конструкции определяются температурами, при которых происходит разделение, требуемой производительностью и точностью разделения, которая характеризуется количеством эквивалентных тарелок.

Ректификационная колонна  – чаще всего это полый стальной цилиндр (труба) диаметром от 0,1 до 2,5м  и более, высотой от 6 до120м (в зависимости от того, что разгоняют – спирт - вода, нефтепродукты, воздух, продукты синтетической химии и пр.).

Внутри колонна перегорожена тарелками колпачкового, ситчатого  или клапанного типа.

Наиболее распространенными  являются колпачковые тарелки в колоннах; монтируется от 6 до нескольких десятков тарелок.

Тарелка – сплошная перегородка  с одним или несколькими отверстиями (круглыми или тоннельными), воротником, колпаком, сливным патрубком –  стаканом или переливным порогом.

 

 

Рис. 2 Схема работы колпачковой тарелки

Отверстие в тарелке  служит для прохождения паров  снизу вверх.

Воротник (поднятые края отверстия) служит для предотвращения слива жидкости-флегмы через отверстие  вниз.

Колпачок направляет пар в толщу флегмы. Чтобы увеличить  поверхность контакта пара с флегмой в нижней (утопленной во флегму) части, колпачок имеет много отверстий или щелей, рассекающих поток пара на тонкие струйки.

Сливной патрубок (или  переливной порог) регулирует толщину  жидкости на тарелке, т.е. автоматически  поддерживает постоянный уровень флегмы, лишняя жидкость, полученная в результате конденсации паров, сливается на нижнюю тарелку, а с нее на следующую, и т.д. вплоть до дистиллятора – куба.

Вместо периодически действующих установок рациональнее применять непрерывно действующие. Схема такой установки представлена на рисунке 3.

В ее состав входят ректификационная колонна, теплообменник, дефлегматор, змеевиковый холодильник, сборник  для готового продукта.

 

Рис. 3 Принципиальная схема ректификационной установки

 

Исходную смесь из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подают в теплообменник 3, где они подогреваются до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, 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. Начальный состав пара примерно равен  составу кубового остатка x_w, т.е. обеднен легколетучем компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучем компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкость (флегмой) состава x_p, получаемой в дефлегматоре 6 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения конденсата, которая 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 труднолетучем компонентом).

Непрерывно действующая  ректификационная установка оснащается необходимыми контрольно-измерительными и регулирующими приборами, позволяющими автоматизировать их работу и проводить процесс с помощью программного управления в оптимальных условиях.

Питание ректификационной колонны флегмой может осуществляться и другими способами – дефлегматор монтируют непосредственно над ректификационным аппаратом, и осуществляют частичную конденсацию выходящих паров и возврат конденсата в укрепляющую часть колонны. Часть же паров идет дальше в холодильник и далее из него – в сборник.

Во втором случае выходящие  пары полностью конденсируются в  конденсаторе, и весь конденсат собирается в сборнике. Часть дистиллята с помощью насоса направляется в укрепляющую часть колонны. Остальное количество идет в сборник либо на дальнейшую переработку, либо в емкости готового продукта.

2. Задание на проектирование

Рассчитать ректификационную колонн непрерывного действия для разделения бинарной смеси бензол-толуол, если производительность по исходной смеси F = 1,5 кг/с; содержание низкокипящего компонента (% , мол) в исходной смеси x_F = 30, в дисстиляте x_P = 98, в кубовом остатке x_W = 35; давление в паровом пространстве дефлегматора P = 0,3 МПа. Колонна работает под атмосферным давлением, низкокипящий компонент имеет температуру 25°С и перед подачей в колонну подогревается до температуры кипения. Продукты разделения охлаждаются до температуры 20°С, начальная температура охлаждающей воды 15°С.

3. Модель расчета

Расчет ректификационной колонны сводится к определению  ее основных геометрических размеров – диаметра и высоты. Оба параметра в значительной мере определяются гидродинамическим напором работы колонны, который, в свою очередь, зависит от скоростей и физических свойств фаз, а также от типа и размеров насадок.

Большое разнообразие тарельчатых  контактных устройств затрудняет выбор  оптимальной конструкции тарелки. При этом наряду с общими требованиями (высокая интенсивность единицы объема аппарата, его стоимость и др.) ряд требований может определяться спецификой производства: большим интервалом устойчивой работы при изменении нагрузок по фазам, способностью тарелок работать в среде загрязненных жидкостей, возможностью защиты от коррозии и т.п. Зачастую эти качества становятся превалирующими, определяющими пригодность той или иной конструкции для использования в каждом конкретном процессе. 

Размеры тарельчатой  колонны (диаметр и высота) обусловлены нагрузками по пару и жидкости, типом контактных устройств (тарелки), физическими свойствами взаимодействующих фаз.

 

1. Пересчет массовых процентов в молярные

,

 

где  М_Б – молярная масса бензола, кг/кмоль, (C₆H₆), М_Б = 78 кг/кмоль

М_Т – молярная масса толуола, кг/кмоль, (C₆H₅CH₃), М_Т = 92 кг/кмоль

x_F – мольная доля компонента в исходной смеси, кмоль/кмоль смеси

x_P - мольная доля компонента в дисстиляте, кмоль/кмоль смеси

x_W – мольная доля компонента в кубовом остатке, кмоль/кмоль смеси

 

2. Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число

Производительность колонны  по дистилляту P и кубовому остатку W определим из уравнения материального баланса колонны:

F = P + W (4)

Откуда находим:

,

где F – производительность по исходной смеси, кг/с

a_F – массовая доля компонента в исходной смеси, кг/кг смеси

a_P – массовая доля компонента в дистилляте, кг/кг смеси

a_W – массовая доля компонента в кубовом остатке, кг/кг смеси

 

P = F – W (7)

Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются рабочим флегмовым числом R; его оптимальное значение R_опт можно найти путем технико-экономического расчета. Ввиду отсутствия надежной методики оценки R_опт используют приближенные вычисления, основанные на определении коэффициента избытка флегмы (орошения):

,

где R_min – минимальное флегмовое число

,

где x_F и x_P – мольные доли легколетучего компонента соответственно в исходной смеси и дистилляте, кмоль/ кмоль смеси

- концентрация легколетучего  компонента в паре, находящемся  в равновесии с исходной смесью, кмоль/кмоль смеси.

Одним из возможных приближенных методов расчета R заключается в нахождении такого флегмого числа, которому соответствует минимальное произведении N(R+1), пропорциональное объему ректификационной колонны (N – число ступеней изменения концентрации или теоретических тарелок, определяющее высоту колонны, а R+1 – расход паров и, следовательно, сечение колонны).