Расчет двух ректификационных установок непрерывного действия для разделения смеси этилацетат – толуол

ВВЕДЕНИЕ

Ректификация - массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаев в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными используемыми в процессе абсорбции. Поэтому методы подхода к расчету и проектированию ректификационных и абсорбционных установок имеют много общего. Тем не менее ряд особенностей процесса ректификации (различное соотношение нагрузок по жидкости и пару в нижней и верхней частях колонны, переменные по высоте колонны физические свойства фаз и коэффициент распределения, совместное протекание процессов массо- и теплопереноса) осложняет его расчет.

Одна из сложностей заключается в отсутствии обобщенных закономерностей для расчета кинетических коэффициентов процесса ректификации. В наибольшей степени это относится к колоннам диаметром более 800 мм с насадками и тарелками, широко применяемым в химических производствах. Большинство рекомендаций сводится к использованию для расчета ректификационных колон кинетических зависимостей, получаемых при исследовании абсорбционных процессов.

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, способность 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 контактного устройства (тарелки), физическими свойствами взаимодействующих фаз.

Ректификацию жидкостей, не содержащих взвешенные частицы и не инструктирующих, при атмосферном давлении в аппаратах большой производительности часто осуществляют на ситчатых переточных тарелках.

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

Рисунок 1 – Принципиальная схема ректификационной установки

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

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении в кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка xw, 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 xp, получаемой 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 обогащены 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 труднолетучим компонентом).

1. Ректификационной колонны непрерывного действия

Производительность колонны по дистилляту Р и кубовому остатку W определим из уравнений материального баланса колонны:

(1.1)

где F, P и W – производительность колонны по исходному веществу, по дистилляту и по кубовому остатку, соответственно, кг/с.

(1.2)

Отсюда находим:

(1.3)

где , и - массовые доли по дистилляту, исходной смеси и кубового остатка, соответственно, кг/кг смеси.

Пересчитаем составы фаз из мольных долей в массовые доли по соотношению:

(1.4)

где , и - мольные доли по дистилляту, исходной смеси и кубового остатка соответственно, кмоль/кмоль смеси;

, - молекулярные массы соответственно этилацетата и толуола, кг/кмоль.

(1.5)

(1.6)

кг/кг смеси

кг/кг смеси

кг/кг смеси

Находим производительность по кубовому остатку:

кг/с

Находим производительность колоны по дистилляту:

кг/с

Нагрузки ректификационной колоны по пару и жидкости определяется рабочим флегмовым числом R; его оптимальное значение Rопт можно найти путём технико-экономического расчёта. Ввиду отсутствия надёжной методики оценки Rопт используют приближённые вычисления, основанные на определении коэффициента избытка флегмы (орошения) Здесь - минимальное флегмовое число:

(1.7)

где и - 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.

Один из возможных приближённых методов расчёта R заключается в нахождении такого флегмового числа, которому соответствует минимальное произведение N(R+1), пропорциональное объёму ректификационной колонны (N – число ступеней изменения концентрации или теоретических тарелок, определяющее высоту колонны, а (R+1) − расход паров и, следовательно, сечение колонны).

Задавшись различными значениями коэффициентов избытка флегмы , определим соответствующие флегмовые числа.

(1.8)

Графическим построением ступеней изменения концентраций между равновесной и рабочими линиями на диаграмме состав пара Y – состав жидкости X, находим число ступеней N. Равновесные данные приведены в справочнике [3 с.36].

Результаты расчётов рабочего флегмового числа, представлены на рисунке 7 и приведены ниже:

Рисунок 7 – Определение рабочего флегмового числа.

Минимальное произведение N(R+1) соответствует флегмовому числу R=1,21При этом коэффициент избытка флегмы β=1,210/0,860=1,4 На рисунке , изображены рабочие линии и ступени изменения концентраций для верхней (укрепляющей) и нижней (исчерпывающей) частей колоны в соответствии с найденным значением R.

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

(1.9)

(1.10)

где и - мольные массы дистиллята и исходной смеси;

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

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

(1.11)

(1.12)

где и - мольные массы этилацетата и толуола;

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

Тогда

Мольная масса исходной смеси:

Подставим рассчитанные величины в уравнения (1.9) и (1.10), получим:

Средние массовые потоки пара в верхней и нижней частях колоны соответственно равны:

(1.13)

(1.14)

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

(1.15)

(1.16)

где и - мольные массы этилацетата и толуола, [3 c.36];

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

Тогда

Подставим численные значения в уравнение , получим:

1.2 Скорость пара и диаметр колонны

Найдём плотности жидкости , и пара , в верхних и нижних частях колонны, при средних температурах в них .

Средние температуры паров определим по диаграмме по средним составам фаз:

tв=73,6 оС tн=88,1 оС [приложение А Диаграмма 1].

Тогда

(1.18)

(1.19)

Отсюда получим:

Плотность физических смесей жидкостей подчиняется закону аддитивности:

(1.20)

где