Ректификационная колонна

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Описание ректификационной установки

2. Расчетная часть

2.1 Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число

2.2 Технологический расчет

2.3 Конструктивный расчет

2.4 Расчет действительного числа тарелок

2.5 Расчет высоты колонны

2.6 Гидравлический расчет

Заключение

Литература



Введение

На всем протяжении своего развития химия служит человеку в его практической деятельности. Еще задолго до новой эры возникли ремесла, в основе которых лежали химические процессы: получение металлов, стекла, керамики, красителей. Роль современной химии в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства исключительно велика. Без развития химии невозможно развитие топливно-энергетического комплекса, металлургии, транспорта, связи, строительства, электроники, сферы быта и услуг. Химическая индустрия снабжает народное хозяйство различными материалами - это кислоты, щелочи, растворители, топливо, масла, пластмассы, химические волокна, синтетические каучуки, минеральные удобрения и многие другие.

Современная химическая промышленность характеризуется весьма большим числом разнообразных производств, различающихся условиями протекания технологических процессов и многообразием физико-химических свойств перерабатываемых веществ и выпускаемой продукции. Одну из ключевых ролей в промышленности играют процессы разделения смесей и получение индивидуальных веществ различной чистоты. Причем наблюдается ярко выраженная тенденция получения все более чистых веществ. Среди процессов разделения доминирующую роль играет ректификация, ее количественная доля составляет около 90 %. Объясняется это достаточной универсальностью процессов ректификации или дистилляции и способностью перерабатывать огромные массовые потоки веществ.

Сущность процесса ректификации сводится к выделению из смеси двух или в общем случае нескольких жидкостей с различными температурами кипения одной или нескольких жидкостей в чистом виде. Это достигается нагреванием и испарением такой смеси с последующим многократным тепло - и массо обменом 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.

Процесс ректификации осуществляют в ректификационной установке, включающей ректификационную колонну, дефлегматор, холодильник-конденсатор, подогреватель исходной смеси, сборники дистиллята и кубового остатка. Основным аппаратом установки является ректификационная колонна, представляющая собой вертикальный цилиндрический аппарат, конструктивно состоящий из стандартных и нормализованных деталей и узлов (корпусов, крышек, днищ, штуцеров, люков-лазов, смотровых люков, опор и т.д.), встроенной или вынесенной греющей камеры и внутреннего устройства. Такие колонны изготавливают в основном из листовой стали, реже из меди, чугуна, керамики, стекла. Пары перегоняемой жидкости в колонне поднимаются снизу, а навстречу парам сверху стекает жидкость, подаваемая в верхнюю часть аппарата в виде флегмы. В большинстве случаев конечными продуктами являются дистиллят (сконденсированные в дефлегматоре пары легколетучего компонента, выходящие из верхней части колонны) и кубовый остаток (менее летучий компонент в жидком виде, вытекающий из нижней части колонны).

По конструкции корпусов различают в основном три типа колонн:

- Корпус собран из отдельных царг, соединяемых между собой фланцами на прокладке. Крышку и днища крепят таким же способом. В таком корпусе не устраивают люков лазов;

- Корпус цельносварной, крышку крепят с помощью фланцевого соединения. Для осмотра в корпусе предусматривают смотровые люки;

- Корпус цельносварной, к нему приваривают крышку и днище. Для монтажа и демонтажа тарелок его обязательно снабжают люками-лазами.

Процесс ректификации может протекать при атмосферном давлении, а также при давлениях выше и ниже атмосферного. Под вакуумом ректификацию проводят, когда разделению подлежат высококипящие жидкие смеси. Повышенные давления применяют для разделения смесей, находящихся в газообразном состоянии при более низком давлении. Степень разделения смеси жидкостей на составляющие компоненты и чистота получаемых дистиллята и кубового остатка зависят от того, насколько развита поверхность фазового контакта, а следовательно, от количества орошающей жидкости (флегмы) и устройства ректификационной колонны.

В промышленности применяют колпачковые, ситчатые, насадочные, пленочные трубчатые колонны и центробежные пленочные ректификаторы. Они различаются в основном конструкцией внутреннего устройства аппарата, назначение которого - обеспечение взаимодействия жидкости и пара. Это взаимодействие происходит при барботировании пара через слой жидкости на тарелках (колпачковых или ситчатых) либо при поверхностном контакте пара и жидкости на насадке или поверхности жидкости, стекающей тонкой пленкой.

Все ректификационные установки, независимо от типа и конструкции колонн, классифицируют на установки периодического и непрерывного действия.

В ректификационных установках периодического действия начальную смесь заливают в перегонный куб, где поддерживается непрерывное кипение с образованием паров. Пар поступает на укрепление в колонну, орошаемую частью дистиллята. Другая часть дистиллята из дефлегматора или концевого холодильника, охлажденная до определенной температуры, через контрольный фонарь поступает в сборник готового продукта. В колоннах периодического действия ректификацию проводят до тех пор, пока жидкость в кубе не достигает заданного состава. Затем обогрев куба прекращают, остаток сливают в сборник, а в куб вновь загружают на перегонку начальную смесь. Установки периодической ректификации успешно применяют для разделения небольших количеств смесей. Большим недостатком ректификационных установок периодического действия является ухудшение качества готового продукта (дистиллята) по мере протекания процесса, а также потери тепла при периодической разгрузке и загрузке куба. Эти недостатки устраняются при непрерывной ректификации.

Колонны непрерывного действия состоят из нижней (исчерпывающей) части, в которой происходит удаление легколетучего компонента из стекающей вниз жидкости, и верхней (укрепляющей) части, назначение которой - обогащение поднимающихся паров легколетучего компонента. Схема установки непрерывной ректификации отличается от периодической тем, что питание колонны начальной смесью определенного состава происходит непрерывно с постоянной скоростью; готовый продукт постоянного качества также непрерывно отводится.

ректификационная установка колонна



1. Описание ректификационной установки

Для разделения смеси бензол-толуол применяется ректификационное разделение. Процесс разделения требуется проводить непрерывным способом. Так как нам не известны предыдущие стадии процесса, то перед подачей на колонну необходимо предусмотреть накопительную емкость, которая будет обеспечивать непрерывную подачу смеси.

Питание требуется подавать в колонну при температуре кипения, для этого его необходимо подогреть. С этой целью перед подачей на колонну устанавливается теплообменник. Так как исходная смесь бензол-толуол кипит при температуре 99 С, то для подогрева, с целью экономии греющего пара, целесообразно использовать тепло кубового остатка.

В колонне исходная смесь разделяется на два потока: толуол содержащий бензол и отбираемый соответственно с нижней и верхней частей колонны, и толуол как более труднолетучий компонент, собирается внизу (в кубовой части) колонны, а бензол как легколетучий компонент в верхней части колонны. Для обеспечения потока пара через колонну, устанавливается кипятильник кубового остатка. Часть кубового остатка в виде продукта отводится и собирается в емкость. Перед подачей бензола в сборную ёмкость его необходимо охладить, что осуществляется также при помощи теплообменников. В целях экономии энергии, рационально использовать тепло кубового остатка для нагревания питания. При этом также уменьшается количество теплообменников, если этого тепла достаточно, чтобы нагреть питание до температуры кипения, или уменьшается поверхность теплообменника при использовании дополнительного подогрева с помощью греющего пара. Для образования флегмы пары, содержащие преимущественно легколетучий компонент, конденсируют в теплообменнике-дефлегматоре, и разделяют на отводимый в виде продукта поток и на поток, возвращаемый как флегму обратно в колонну.

Так как в дефлегматоре продукт только конденсируется, но не охлаждается, то перед подачей в сборную ёмкость его необходимо охладить. Охлаждение продукта в теплообменнике и дефлегматоре осуществляется с помощью воды, как наиболее дешевого теплоносителя.

Так как в технологическом процессе используются легкотекучие и чистые жидкости с не большим расходом, то используем центробежные насосы. В качестве теплообменников используем кожухотрубные теплообменники как наиболее распространённые и вполне подходящие для реализации нашей технологической схемы.



2. Расчетная часть

2.1 Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число

Производительность колоны по дистилляту D и кубовому остатку W определим из уравнений материального баланса:

	(2.1)
	(2.2)

где - производительность исходной смеси, кг/с;

- содержание легколетучего компонента в исходной смеси, %;

- содержание легколетучего компонента в дистилляте, %;

- содержание легколетучего компонента в кубовом остатке, %.

Отсюда находим:

	(2.3)
	(2.4)

Для дальнейших расчетов выразим концентрации питания, дистиллята и кубового остатка в мольных долях по следующему соотношению

	(2.5)

где - мольная масса бензола, кг/кмоль;

= 78 кг/кмоль;

- мольная масса толуола, кг/кмоль;

= 92 кг/кмоль;

Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются рабочим флегмовым числом R, его оптимальное значение можно найти путем технико-экономического расчета. Ввиду отсутствия надежной методики оценки оптимального значения используем приближенные вычисления, основанные на следующем выражении:

	(2.6)

где в - коэффициент избытка флегмы;

в =1,3;

- минимальное флегмовое число:

	(2.7)

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

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

Для этого по экспериментальным данным для смеси «бензол - толуол» строим кривую равновесия (приложение 1) в координатах y-x, по которой находим значение =0,57

Тогда действительное (рабочее) число флегмы:

Уравнение рабочей линии в верхней (укрепляющей) части колонны:

	(2.8)

Выполнив на диаграмме построение ломанной линии, находим число ступеней изменения концентрации: в верхней части оно составляет N_В=8 , в нижней части N_Н=9 , всего N_теор.= 17.

2.2 Технологический расчет

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

	(2.9)
	(2.10)

где и - мольные массы дистиллята и исходной смеси, кг/кмоль;

и - средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны, кг/кмоль.

Мольную массу дистиллята в данном случае можно принять равной мольной массе легколетучего компонента - бензола. Средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равны:

	(2.11)
	(2.12)

где и - средний мольный состав жидкости соответственно в верхней и нижней частях колонны:

	(2.13)
	(2.14)

Мольная масса исходной смеси:

Подставляя рассчитанные величины в уравнения (2.9) и (2.10), получаем:

Определим средние массовые потоки пара в верхней и нижней частях колонны из соотношений:

	(2.15)
	(2.16)

Здесь и - средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны:

	(2.17)
	(2.18)
	(2.19)

Тогда

Подставляя численные значения в уравнения (2.15) и (2.16), получаем:

2.3 Конструктивный расчет

Расчет скорости пара в колоннах с ситчатыми тарелками рекомендуют выполнять по следующему уравнению:

	(2.21)

где с_x и с_y - средние плотности соответственно жидкости и пара, кг/м³.

Найдем плотности жидкости и пара в верхней и нижней частях колонны при средних температурах в них t_в и t_н. Средние температуры паров определим по диаграмме t-x,y (приложение 1) по средним составам фаз: t_в=90С и t_н=103С. Тогда

	(2.22)
	(2.23)

Отсюда получим:

Плотность физических смесей жидкостей подчиняется закону аддитивности:

	(2.24)

где - объемная доля компонента в смеси.

В рассматриваемом примере плотности жидких бензола и толуола близки, поэтому можно принять _xв=_xн=_x=796 кг/м³.

Из уравнения (2.21) рассчитаем допустимую скорость в верхней и нижней частях колонны:

Ориентировочный диаметр колонны определим из уравнения расхода:

	(2.25)

Как правило, несмотря на разницу в рассчитанных диаметрах укрепляющей и исчерпывающей частей колонны (вследствие различия скоростей и расходов паров), изготовляют колонну единого диаметра, равного большему из рассчитанных.

В данном случае скорости мало отличаются друг от друга, поэтому будем использовать в расчете среднюю скорость паров:

Принимаем средний массовый поток пара в колонне G равным полусумме G_В и G_Н:

Средняя плотность паров

Диаметр колонны

Выберем стандартный диаметр обечайки колонны d=1,8 м. При этом рабочая скорость пара

По каталогу для колонны диаметром 1800 мм выбираем ситчатую однопоточную тарелку ТС-Р со следующими конструктивными размерами:

Диаметр отверстий в тарелке, d₀ - 8 мм

Шаг между отверстиями, t - 15 мм

Свободное сечение тарелки, F_с - 18,8 %

Высота переливного порога, h_пер - 30 мм

Ширина переливного порога, b - 1050 мм

Рабочее сечение тарелки, S_Т - 2,294 м²

Скорость пара в рабочем сечении тарелки определим по следующему уравнению:

	(2.26)

2.4 Расчет действительного числа тарелок

Действительное число тарелок рассчитываем по уравнению:

	(2.27)

где - теоретическое число тарелок, найденное по диаграмме равновесия;

=0,5 - КПД тарелки

Для верхней части колонны число тарелок:

Для нижней части колонны число тарелок:

Общее число тарелок N=34, из них в верхней части колонны 16 и в нижней части 18 тарелок.

2.5 Расчет высоты колонны

Высоту тарельчатой ректификационной колонны определим по формуле

	(2.28)

где - расстояние между тарелками, определяем по ГОСТу в зависимости от диаметра колонны, м;

и - расстояние соответственно от верхней и от нижней крышек до тарелок, принимаем конструктивно, м;

= 0,5 м; = 1,0 м; = 2,0 м.

Тогда

2.6 Гидравлический расчет

Гидравлическое сопротивление тарелок колонны определим по формуле:

	(2.29)

где P_в и P_н - гидравлическое сопротивление тарелки соответственно верхней и нижней частей колонны, Па.

Полное гидравлическое сопротивление тарелки складывается из трех слагаемых:

	(2.30)

Гидравлическое сопротивление сухой (неорошаемой) тарелки определим по уравнению:

	(2.31)

где о=1,1-2,0 - коэффициент сопротивления ситчатой тарелок;

F_с - свободное сечение тарелки;

- средняя плотность пара в колонне:

Тогда

Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя на тарелках различно для верхней и нижней частей колонны:

	(2.32)
	(2.33)

где h_0в и h_0н - высота светлого слоя жидкости в верхней и нижней частях колонны, м.

Высоту светлого слоя жидкости для ситчатых тарелок найдем по уравнению:

	(2.34)

где q=L/(_xb) - удельный расход жидкости на 1 м ширины сливной перегородки, м²/с;

b - ширина сливной перегородки, м;

h_пер - высота переливной перегородки, м;

_x и _в - поверхностное натяжение соответственно жидкости и воды при средней температуре в колонне;

m=0,05-4,6h_пер=0,05-4,60,03=-0,088;

_x - вязкость, мПас.

Вязкость жидких смесей находим по уравнению:

	(2.35)

где _xБ и _xТ - вязкости жидких бензола и толуола при температуре смеси.

Тогда вязкость жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равна:

Подставив полученные значения вязкости в уравнение (2.34) определим высоту светлого слоя жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно:

Тогда

Гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения равно

	(2.36)

Тогда полное сопротивление одной тарелки верхней и нижней частей колонны равно:

Полное гидравлическое сопротивление ректификационной колонны



Заключение

В данном курсовом проекте была рассчитана и спроектирована ректификационная колонна непрерывного действия для разделения бинарной смеси бензол-толуол.

Во введение было представлено обоснование выбора метода ректификации в современной промышленности. Технологическая часть представляет собой описание схемы ректификационной установки.

В расчетной части по количеству поступающей исходной смеси F=4,95 кг/с и содержанию низкокипящего компонента в исходной смеси =31%, в дистилляте =98,8% и в кубовом остатке =1,8% был рассчитан материальный баланс и определены количества дистиллята и кубового остатка.

На основании экспериментальных данных о равновесных составах жидкой и паровой смеси были построены диаграммы равновесия в координатах x-y и t-x,y, по которым найдено теоретическое число тарелок. В ходе технологического расчета определены массовые расходы по жидкости и пару для верхней и нижней частей колонны. Найдены конструктивные размеры ректификационной колонны: диаметр D=1800 мм, высота H=19500 мм, количество действительных тарелок N=34 шт.



Литература

1. А.Г. Касаткин Основные процессы и аппараты химической технологии, «Химия», М., 1971, с.820

2. Каталог. Колонные аппараты. Изд. 2-е. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1978, с. 31

3. Кирпичников П.А., Авероко-Антонович Л.А, Авероко-Антонович Ю.О. Химия и технология синтетического каучука, изд.. «Химия», Л., 1987, с. 424

4. Коган В.Б., Фридман В.М., Кафаров В.В. Равновесие между жидкостью и паром. Кн. 1 - 2 . Л.: Наука, 1966, с.640+786

5. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и аппараты химической и нефтехимической технологии. - М.: Химия, 1972, с. 576

6. Процессы и аппараты химической технологии. Под ред. проф. Захаровой А.А., М: М ACADEMA, 2006, с. 528

7. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и дополн. М.: Химия, 1991, с. 496

Размещено на Allbest.ru