Насадочная ректификационная колонна для разделения смеси ацетон – вода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Насадочная ректификационная колонна для разделения смеси ацетон - вода

1. Описание технологической схемы

Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рис. Исходная смесь из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подается в теплообменник 3, где подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси хр.

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 х_W, т.е. обеднен легколетучим компонентом. 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, которая получается в дефлегматоре 6 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 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 кубовой остаток, обогащенный труднолетучим компонентом.



Рис. 1. Принципиальная схема ректификационной установки: 1 - емкость для исходной смеси; 2,9 - насосы; 3 - теплообменник-подогреватель; 4 - кипятильник; 5 - ректификационная колонна; 6 - дефлегматор; 7 - холодильник дистиллята; 8 - емкость для сбора дистиллята; 10 - холодильник кубовой жидкости; 11 - емкость для кубовой жидкости

2. Обоснование выбора и описание конструкции аппарата

2.1 Выбор типа аппарата

Насадочные колонны, в которых гидравлическое сопротивление значительно меньше, чем в тарельчатых колоннах, находят применение главным образом при ректификации под вакуумом жидкостей с высокими температурами кипения и в тех случаях, когда для перегонки данной смеси в тарельчатой колонне потребовалось бы большое число тарелок.

Схема устройства насадочной ректификационной колонны непрерывного действия представлена на рисунке 2. Колонна состоит из двух частей: верхней-укрепляющей и нижней - исчерпывающей. Внутри каждой части колонны находится решетка, на которую укладывается насадка. Сверху укрепляющей части колонны установлены приспособления для кипятильника поступают под решетку исчерпывающей части колонны и проходят по ней снизу вверх; жидкость, наоборот, протекает сверху вниз. В результате контакта паров с жидкостью происходит постепенное обогащение пара легколетучим компонентом, а жидкости-менее летучим компонентом.

Пройдя колонну, пары направляются, как обычно, в дефлегматор (на рисунке не показан), а жидкость из низа исчерпывающей части колонны частично отбирается в виде кубового остатка, содержащего относительно чистый менее летучий компонент, а частично идет в кипятильник. Насадку загружают в колонну через верх, а для выгрузки ее в обеих частях колонны устроены специальные люки.



Рисунок 2. Насадочная колонна

2.2 Выбор конструкционных материалов

Для корпуса аппарата выбираем по рекомендациям [6] листовую сталь марки 12Х18Н10Т по ГОСТ 10885-75, для которой технические требования по ГОСТ 10885-75; рабочие условия: t_R = -30 т - 200°С; р, МПа - не ограничено. Виды испытаний и требования по ГОСТ 10885-75 (испытания проводятся на заводе-поставщике металла по требованию заказчика).

При выборе материала было учтено следующее:

коррозионные свойства среды. При заданных рабочих параметрах скорость коррозии составляет менее 0,1 мм/год.

технологические свойства используемого материала: свариваемость, пластичность и другие.

влияние конструкционного материала на качество исходной смеси и продуктов разделения.

технико-экономические соображения: нержавеющая сталь широко применяется в химическом машиностроении и других отраслях промышленности.

Сварка автоматическая.

Тип электрода по ГОСТ 10052-75 - Э-04Х20Н9.

Опоры цилиндрические. Материал деталей опор должен выбираться из условий эксплуатации и в соответствии с техническими требованиями ОСТ 26-291-94. Предел текучести материала должен быть не менее 210 МПа при t = 20°С. Назначаем материал опор сталь 09Г2С-3 по ГОСТ 5520-79, технические требования по ГОСТ 5520-79.

Материал фланцев - сталь 12Х18Н10Т. Сварочные материалы по ГОСТ 10052-75 - Э-04Х20Н9.

Назначаем материал крепежных деталей: не контактирующих с агрессивной средой - сталь 35 по ГОСТ 1050-74; для деталей, контактирующих с агрессивной средой - сталь 08X13 по ГОСТ 5632-72.

По рекомендациям [7] назначаем материал прокладок - резина по ГОСТ 481-71. Внутренние элементы аппарата выполняются из стали 12Х18Н10Т по ГОСТ 5632-72.

3. Технологические расчеты

Исходные данные

наименование разделяемых компонентов…………………ацетон - вода;

производительность по питанию………………………… ;

концентрации низкокипящего компонента (% мольн.):

в питании………………………………………………….;

в дистилляте………………………………………………;

в кубовой жидкости………………………………………;

температура охлаждающей воды на дефлегматор…………;

давление греющего пара (абс.).……………………………..;

тип насадка……………………………………………………седла;

исходная смесь перед подачей в колонну нагревается до температуры кипения;

колонна обогревается глухим паром;

кипятильник и дефлегматор вынесены из колонны.

Расчет ведется согласно [1].

3.1 Материальный баланс колонны и определение рабочего флегмового числа

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

F = P + W (1)

F· = P· + W· (2)

где P - расход дистиллята, кг/с;

W - расход кубового остатка, кг/с;

Отсюда находим:

(3)

P = F - W = 2,4 - 1,6 = 0,8 кг/с

Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются значением рабочего флегмового числа R. Ввиду отсутствия надёжной методики оценки R_опт используют приближённые вычисления, основанные на определении коэффициента избытка флегмы (орошения) в, равного отношению R/R_min, где R_min - минимальное флегмовое число.

, (4)

где x_F, x_D - мольные доли легколетучего компонента соответственно в исходной смеси и дистилляте, кмоль / кмоль смеси;

y_F^* - концентрация легколетучего компонента в паре, находящегося в равновесии с исходной смесью, кмоль / кмоль смеси.

Пересчитываем составы фаз из массовых в мольные доли по соотношению:

, (5)

где M_А, M_В - молекулярные массы ацетона и воды;

M_А = 58,1 , M_В = 18

Аналогично находим x_D и x_W:x_D = 0,829 кмоль / кмоль, x_W = 0,009 кмоль / кмоль.

Таблица 1. Равновесные составы жидкости (x) и пара (y) в мольных% и температура кипения (t) в°C двойных смесей при 760 мм. рт. ст.

t	П	х	у
56,9	760	1	1
57,5	760	0,9	0,943
58,2	760	0,8	0,904
59	760	0,7	0,882
59,8	760	0,6	0,869
60,7	760	0,5	0,855
61,6	760	0,4	0,842
62,6	760	0,3	0,827
64,5	760	0,2	0,803
69,6	760	0,1	0,72
77,9	760	0,05	0,603
100	760	0	0

По данным, приведённым в таблице, строим диаграмму равновесия пар - жидкость (диаграмма y - x).

Рисунок 3.1 Диаграмма x-y для смеси ацетон - вода

Наносим на график мольную долю летучего компонента в исходной смеси x_F и находим y_F^* = 0,76.

Тогда минимальное флегмовое число:

.

Рабочее флегмовое число:

; (7)

.

Уравнение рабочей линии для укрепляющей части колонны:

. (8)

Уравнение рабочей линии для исчерпывающей части колонны:

, (9)

где f = F/R - количество питания, приходящегося на 1 кмоль дистиллята.

Относительный мольный расход питания:

, (10)

.

f = 6,9/2,5 = 2,8

,

,

,

Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости для верхней и нижней частей колонны определяются из соотношений:

, (9)

, (10)

где P - расход дистиллята;

F - расход исходной смеси;

R - рабочее флегмовое число;

M_P, M_F - мольные массы дистиллята и исходной смеси;

M_В, M_Н - средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны.

Мольную массу дистиллята в данном случае можно принять равной мольной массе легколетучего компонента - ацетона.

Мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно:

M_В = M_А·x_ср.в+M_В·(1 - x_ср.в), (11)

M_Н = M_А·x_{ср н}+M_В·(1 - x_ср.н), (12)

где M_А, M_В - мольные массы ацетона и воды;

x_ср.в, x_ср.н - средний мольный состав жидкости в верхней и нижней частях колонны.

x_ср.В = 0,5·(x_D + x_F) = 0,5·(0,829 + 0,127) = 0,351 кмоль / кмоль (13)

x_ср.Н = 0,5·(x_W + x_F) = 0,5·(0,009 + 0,127) = 0,068 кмоль / кмол (14)

Тогда:

M_В = 58.1•0,351+18·(1 - 0,351) = 32,08 кг/кмоль,

M_Н = 58.1·0,068+18·(1 - 0,068) = 20,73 кг/кмоль.

Мольная масса исходной смеси:

M_F = M_А·x_F+M_В·(1 - x_F), (15)

M_F = 58,1·0,127 + 18·(1 - 0,127) =23,09 кг/кмоль.

Подставив, получим:

,

.

Средние массовые потоки пара в верхней G_В и нижней G_Н частях колонны соответственно равны:

, (16)

, (17)

где M_В', M_Н' - средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны.

M_В' = M_А·y_ср.В + M_В·(1 - y_ср.В), (18)

M_Н' = M_А·y_ср.Н + M_В·(1 - y_ср.Н), (19)

где

y_ср.В = 0,5·(y_D + y_F) = 0,5·(0,88 + 0,205) = 0,542 кмоль / кмоль, (20)

y_ср.Н = 0,5·(y_W + y_F) = 0,5·(0,02 + 0,205) = 0,113 кмоль / кмоль, (21)

Величины y_д, y_F, y_W определяем из графика рабочей линии в y - x диаграмме при действительном флегмовом числе:

y_D = 0,88, y_F = 0,205, y_W = 0,02.

Тогда:

M_В' = 58.1·0,542 + 18·(1 - 0,542) = 39.7 кг/кмоль,

M_Н' = 58.1·0,113 + 18·(1 - 0,113) = 22.57 кг/кмоль.

Подставив, получим:

,

3.2 Расчёт скорости пара и диаметра колонны

Выбор рабочей скорости паров обусловлен многими факторами и обычно осуществляется путем технико-экономического расчета для каждого конкретного процесса. Для ректификационных колонн, работающих при атмосферном давлении, рабочую скорость можно принимать на 20 - 30% ниже скорости захлебывания.

Предельную фиктивную скорость пара , при которой происходит захлебывание насадочных колонн, определяют по уравнению:

(22)

где - средние плотности жидкости и пара, ;

- в

Поскольку отношения и физические свойства фаз в верхней и нижней частях колонны различны, определим скорости захлебывания для каждой части отдельно.

Найдем плотности жидкости _xв и _xн и пара _yв и _yн в верхней и нижней частях колонны при средних температурах в них t_в и t_н. Средние температуры паров определим по диаграмме t - х, y.

t_в = 60⁰; t_н = 87⁰.

Тогда:

(23)

(24)

Плотности жидких ацетона и воды соответственно равны _xв= 750 кг/м³ и _xн= 712 кг/м³.

Вязкость жидких смесей находим по уравнению:

(25)

где - вязкости жидких ацетона и воды при температуре смеси. /5, с. 366/

Тогда вязкость жидкости в верхней и нижней части колонны равны соответственно:

;

Предельная скорость паров в верхней части колонны

Предельная скорость паров в нижней части колонны

Примем рабочую скорость на 30% ниже предельной

(26)

Диаметр ректификационной колонны определяют из уравнения расхода:

, (27)

Тогда диаметр верхней и нижней части колонны соответственно равен

Выберем стандартный диаметр обечайки [1, стр. 106], одинаковый для обеих частей колонны. При этом действительные рабочие скорости паров вверху и внизу колонны будут равны

(28)

ректификационный колонна разделение ацетон

3.3 Расчет высоты насадки

Расчет высоты насадочной колонны ведем согласно [11] через высоту, эквивалентную теоретической тарелке (ВЕТТ).

Высота слоя насадки Н_н может быть рассчитана также по уравнению:

, (29)

где - высота, эквивалентная теоретической тарелке (ВЕТТ);

- число теоретических тарелок.

Для насадочных ректификационных колонн, работающих в режиме эмульгирования, эквивалентная высота насадки может быть определена из уравнения:

(30)

где - эквивалентный диаметр насадки;

(31)

- критерий Рейнольдса;

(32)

- отношение потоков пара и жидкости;

m - тангенс угла наклона равновесной линии.

Отношение нагрузок по пару и жидкости , кмоль / кмоль равно:

для верхней части колонны

(33)

для нижней части колонны

(34)

Здесь

(35)



Вязкость паров для верхней части колонны

(36)

где и - вязкость паров ацетона и воды при средней температуре верхней части колонны, /5, с. 371/

- средняя концентрация паров:

Подставив, получим:

Аналогичным расчетом для нижней части колонны находим:

Эквивалентная высота насадки в верхней части колонны:

Эквивалентная высота насадки в нижней части колонны:

Значения - для верхней части колонны и - для нижней определены арифметическим усреднением локальных значений в интервалах изменения составов жидкости соответственно от до и от до .

По рис. число ступеней изменения концентрации составляет в верхней части колонны , в нижней части колонны

Высота насадки в верхней и нижней частях колонны равна соответственно:

Общая высота насадки в колонне

С учетом того, что высота слоя насадки в одной секции Z равна 3 м, общее число секций в колонне составляет 7.

Общую высоту ректификационной колонны определяют по уравнению

(37)

где Z - высота насадки в одной секции;

n - число секций

- высота промежутков между секциями насадки, в которых устанавливают распределители жидкости;

- соответственно высота сепарационного пространства над насадкой и расстояние между днищем колонны и насадкой.

Значения выбирают в соответствии с рекомендациями /1, c. 130/

Общая высота колонны

Список литературы

1. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Под ред. Дытнерского. М.: Химия, 1983.

2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов. Л.: Химия, 1987.

3. Каталог. Колонные аппараты. Изд. 2-е, Цинтихимнефтемаш, М., 1978.

4. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. 7-е, ГОСХИМИЗДАТ, М., 1960.

5. Машины и аппараты химических производств: Примеры и задачи. Учебное пособие для студентов втузов / Под общей ред. В.П. Соколова - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1982.

6. Воробьева Г.Я. Коррозионная стойкость материалов и агрессивные среды химических производств. Справочник. М.: Химия, 1967.

7. Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов. Справочник. Машиностроение, 1981.

8. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. Л.: Машиностроение, 1970.

9. ГОСТ 14249-89 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность.

10.ГОСТ 24755-89 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность укрепления отверстий.

11. В.М. Рамм. Абсорбция газов: Учебник для вузов.

Размещено на Allbest.ru