Полный расчет ректификационной колонны

Задание на проектирование

Перечень инженерных расчетов: расчет ректификационной колонны; подробный тепловой расчет дефлегматора; ориентировочный расчет теплообменников.

Перечень работ выполняемых на ЭВМ: расчет дефлегматора.

Состав и объем графической части: технологическая схема; общий вид дефлегматора.

Основные данные: расход исходной смеси 6.5 кг/с; концентрации (мольные доли) , ; продукты разделения охладить до 25ْС.

Введение

Для получения продуктов сложного состава, разделения изотопов, выделения индивидуальных веществ широкое применение в промышленности получила ректификация. Этот процесс основан на различной летучести составляющих смесь компонентов, т.е. на различных температурах кипения компонентов при одинаковом давлении. Ректификация заключается в многократном частичном испарении жидкости и конденсации паров. Процесс осуществляется путем контакта потоков пара и жидкости, имеющих различную температуру, и проводится обычно в колонных аппаратах, состоящих из собственно колонны, где осуществляется противоточное контактирование пара и жидкости, и устройств, в которых происходит испарение жидкости и конденсация пара — куба и дефлегматора.

По конструкции ректификационные колонны подразделяются на насадочные, тарельчатые и роторные. Основным типом колонных аппаратов большой производительности считаются ректификационные колонны с барботажными тарелками, а при необходимости самого малого перепада давления на одну теоретическую ступень разделения или при работе в коррозионной среде – колонны с насадкой.

По способу проведения ректификацию разделяют на периодическую и непрерывную.

При непрерывной - разделяемая смесь непрерывно подается в среднюю часть колонны, дистиллят отбирается из дефлегматора, а обедненный легколетучим компонентом остаток отводится из куба колонны, флегма поступает на орошение в верхнюю часть колонны.

При периодической ректификации в нижнюю часть (куб) колонны, снабженной нагревательным устройством, загружают исходную смесь; образующийся пар поднимается верх и конденсируется в дефлегматоре (холодильнике), часть конденсата (флегмы) возвращается на орошение в верхнюю часть колонны, а оставшаяся жидкость отбирается.

Насадочные колонны получили широкое распространение в химической промышленности благодаря простоте их устройства, дешевизне изготовления и малому гидравлическому сопротивлению при пленочном режиме работы. В насадочных массообменных аппаратах жидкость тонкой пленкой покрывает насадку и стекает по ней, при этом поверхность контакта с газообразной фазой определяется поверхностью насадки, свойствами жидкости и гидродинамическим режимом.

Недостатком работы насадочной колонны является неравномерность распределения пара и жидкости по поперечному сечению, что приводит к - неодинаковой эффективности различных ее частей и низкой эффективности работы всей колонны в целом. Значительное увеличение эффективности аппарата достигается применением насадки, частично погруженной в жидкость: газ при этом в виде пузырьков барботируется через слой жидкости.

В отдельных случаях применяют подвижные насадки, которые приводят в колебательное движение восходящим потоком газа, при этом допускаются высокие скорости движения фаз, а поверхность межфазного контакта превышает поверхность насадочных элементов. Эффективность тепло- и массообмена в значительной мере зависит от равномерности распределения жидкости в объеме насадки. Эта задача решается применением специальных оросителей, распределяющих жидкость по верхнему сечению насадки, и использованием материалов (металлических сеток, армированной стеклоткани), обеспечивающих растекание жидкости по поверхности насадки под действием капиллярных сил.

Насадки загружают в аппараты навалом на опорные решетки (нерегулярные насадки), укладывают в определенном порядке или монтируют в жесткую структуру (регулярные насадки). Изготавливают насадки из дерева, металла, стекла, керамики, пластмасс. Элементы нерегулярных насадок выполняют в виде колец, спиралей, роликов, шаров, седел и т.д. Наиболее распространены кольца Рашига, размеры которых обычно составляют 50 мм. Для повышения смачиваемости насадки и пропускной способности аппарата стенки колец иногда снабжают продольными или поперечными канавками или прорезями.

Для отвода жидкости из насадочной колонны применяют две схемы: в первой схеме (обычные насадочные колонны) жидкость стекает по насадке и отводится из нижней части колонны; во второй схеме (эмульгационные колонны) жидкость отводится через переливную трубу.

В данном курсовом проекте производится расчет обычной ректификационной насадочной колонны для разделения бинарной смеси – «ацетон – четыреххлористый углерод» при атмосферном давлении, с насыпной насадкой из стальных колец Рашига.

1. Описание технологической схемы

Исходная смесь подаётся в теплообменник центробежным насосом из ёмкости, где она подогревается до температуры кипения. Затем нагретая смесь поступает на разделение в середину ректификационной колонны на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси.

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка, 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), получаемой в дефлегматоре путём конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике и направляется в промежуточную ёмкость.

Из кубовой части колонны насосом непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащённый труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике и направляется в ёмкость.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента) и кубовый остаток (обогащённый труднолетучим компонентом).

2. Инженерные расчеты

2.1 Технологические расчеты

Для технологических расчетов установки необходимо знать свойства веществ при определённых температурах. Основными диаграммами для определения этих свойств являются диаграммы: состав пара – состав жидкости, и зависимость температуры кипения от состава. В приложение 1 приведены диаграммы указанных свойств бинарной системы ацетон- четыреххлористый углерод.

2.1.1 Равновесные данные

x - мольная доля легколетучего компонента в жидкой фазе;

y - мольная доля легколетучего компонента в паровой фазе;

t – температура,ْС.

2.1.2 Материальный баланс

Зная производительность колонны по дистилляту и необходимые концентрации, определим недостающие данные, т. е. производительность по кубовому остатку и питание исходной смеси (GW и GD), на основании уравнений материального баланса.

где - массовая доля легколетучего компонента в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке соответственно.

массовый расход исходной смеси, дистилляте и

кубовом остатке соответственно.

где MF -молекулярная масса:

кг/кмоль

кг/кмоль

кг/кмоль,

где M1 – молекулярная масса легколетучего компонента; M2 – молекулярная масса второго компонента;

xF, xD, xW- мольная доля легколетучего компонента в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке соответственно.

Где 1-ацетон, 2-четыреххлористый углерод.

кмоль/с

Находим массовую долю по формуле:

Решив систему материального баланса, получим:

кг/с

кг/с

кмоль/с

кмоль/с

Нагрузка ректификационной колонны по пару и жидкости определяется рабочим флегмовым числом. Для его расчета используют приближенные вычисления по формуле:

где Rmin – минимальное флегмовое число.

При этом:

где - мольные доли легколетучего компонента в жидкости, а - концентрация легколетучего компонента в паре, находящаяся в равновесии с жидкостью (питанием исходной смеси).

По диаграмме «Равновесное состояние жидкости и пара» (приложение1) находим при соответствующем значении , таким образом

Тогда:

Также для расчета флегмового числа используем графический метод:

рассчитав число теоретических ступеней контакта (теоретических тарелок)

R=1.5, y=32, n=15.2, n(R+1) =15.2(1.5+1) =38

R=2, y=26.67, n=11.4, n(R+1) =11.4(2+1) =34.2

R=2.5, y=22.86, n=9, n(R+1) =9(2.5+1) =31.5

R=3, y =20, n=8, n(R+1) =8(3+1) =32

R=4, y=16, n=7.33, n(R+1) =7.33(4+1) =36.65

R=5, y=13.33, n=6.43, n(R+1) =6.43(5+1) =38.58

В данном курсовом проекте используем , найденное графическим методом (приложение 3).

2.1.3 Расчет расходов пара и жидкости в верхней и нижней части колонны.

Найдем уравнение рабочих линий:

а) для верхней (укрепляющей) части колонны:

б) для нижней (исчерпывающей) части колонны:

где F – относительный мольный расход питания.

Определяем температуры для нижней и верхней части колонны для жидкости и пара из диаграммы «Зависимость температуры от равновесных составов пара и жидкости» (приложение1):

ْْC, ْC,

ْْْC, ْC.

Определяем объемный расход пара:

кмоль/с

Расход пара в нижней и верхней части колонны определяется по формуле:

,

где p0=760 мм рт. ст. – атмосферное давление,

T0=273 K- абсолютная температура.

м3/с

м3/с

Молярную массу паровой смеси в нижней и верхней части колоны находим по формуле:

кг/кмоль

кг/кмоль

Массовые расходы паров в нижней и верхней части колоны находим по формуле:

кг/с;

кг/с;

Определим плотности пара в верхней и нижней части колонны по формуле:

кг/м3

кг/м3

Определим вязкость пара в верхней и нижней части колонны для ацетона (1) и четыреххлористого углерода (2):

,

где табличные данные: Па. с, Па. с,

С1=651,С2=384- константы уравнения.

а) для нижней части колонны:

Па.с Па.с

б) для верхней части колонны:

Па.с

Па.с

Определим вязкость смеси пара в нижней и верхней части колонны по формуле:

Па.с

Па.с

Определим плотности жидкости по формуле:

,

где плотности ацетона, четыреххлористого углерода соответственно.

а) для нижней части колонны:

кг/м3

кг/м3

кг/м3

б) для верхней части колонны:

кг/м3

кг/м3

кг/м3

Определим вязкость смеси жидкости для нижней и верхней части колонны по формуле:

,

где вязкости ацетона, четыреххлористого углерода соответственно.

мПа.с мПа.с

мПа.с мПа.с

Па.с

Па.с

Поверхностное натяжение смеси жидкостей в верхней и нижней части колонны определим по формуле:

,

где поверхностное натяжение ацетона, четыреххлористого углерода соответственно.

Н/м

Н/м

Н/м

Н/м

м/Н

Н/м

м/Н

Н/м

Находим мольные и массовые расходы жидкости в нижней и верхней части колонны:

кмоль/с

кг/кмоль

кг/с

кг/с

кмоль/с

кг/кмоль

кг/с

кг/с

2.1.4 Расчет теплового баланса установки

Тепловой баланс ректификационной колонны выражается общим уравнением:

где QK – тепловая нагрузка куба; QD –количество теплоты, передаваемой от пара к воде; Qпот – тепловые потери (5%); -теплоёмкости соответствующие дистилляту, кубовому остатку и исходной смеси; - температуры соответствующие дистилляту, кубовому остатку и исходной смеси(находим из диаграммы «Зависимость температуры от равновесных составов пара и жидкости» приложение 1):

, , .

Найдем удельную теплоту конденсации паров дистиллята по аддитивной формуле:

кДж/кг

где - теплоты испарения ацетона и четыреххлористого углерода при температуре дистиллята , .

,

где исходные данные: A1 =72.18; t 1кр=235.1; A2=25.64; t2кр=283.4

;

.

Определим тепловую нагрузку дефлегматора по формуле:

кВт

Определим теплоёмкости смеси:

Для ацетона(1): c0=2.11кДж/(кгК); с1=0.0028 кДж/(кгК);

Для четыреххлористого углерода (2): c0=0.85кДж/(кгК); с1=0.00037 кДж/(кгК);

,