Xreferat.com » Рефераты по химии » Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол

Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол

прочности и жесткости ротора), а также высокие эксплуатационные расходы.

В случае загрязненных сред целесообразно применять регулярные насадки, в том числе при работе под повышенным давлением. Для этих сред можно использовать также так называемые колонны с плавающей насадкой. В качестве насадки в таких колоннах обычно применяют легкие полые шары из пластмассы, которые при достаточно высоких скоростях газа переходят во взвешенное состояние. Вследствие их интенсивного взаимодействия такая насадка практически не загрязняется.

В колоннах с плавающей насадкой возможно создание более высоких скоростей, чем в колоннах с неподвижной насадкой. При этом увеличение скорости газа приводит к расширению слоя шаров, что способствует снижению скорости газа в слое насадки. Поэтому существенное увеличение скорости газового потока в таких аппаратах (до 3–5 м/с) не приводит к значительному возрастанию их гидравлического сопротивления.


1.3.4 Центробежные ректификаторы

Для интенсификации массообмена и повышения эффективности разделения были предложены аппараты, работающие на принципе использования центробежной силы (колонны с вращающейся трубой, горизонтальные аппараты с вращающимся спиралевидным ротором).

Центробежный пленочный ректификационный аппарат состоит из неподвижного кожуха, в котором вращается с большой скоростью ротор, состоящий из спиральной металлической ленты, ограниченной изнутри и снаружи сетчатыми цилиндрами. Начальная смесь движется по стенкам спирали в виде тонкой пленки от центра к периферии. Пар движется с большой скоростью противотоком к жидкости, и взаимодействие фаз происходит на поверхности плёнки. Интенсивность массообмена определяется сопротивление жидкой и паровой пленок. Поэтому эффективность пленочной ректификации возрастает и турбулизацией потоков пара и жидкости.

Несмотря на сложность устройства, центробежные ректификационные аппараты могут быть успешно применены при разделении смесей, требующем очень большого числа тарелок.


1.4. Тарельчатые колонны


Наиболее распространенными абсорбционными аппаратами являются тарельчатые колонны. По своему устройству они делятся на колонны с колпачковыми тарелками и колонны с ситчатыми тарелками.


1.4.1 Колпачковые колонны

Эти колонны наиболее распространены в ректификационных установках. На рис.1.11. схематически изображена колонна небольшого диаметра, состоящая из тарелок 1, на каждой из которых имеется один колпачок 2 круглого сечения и патрубок 3 для прохода пара. Края колпачка погружены в жидкость. Благодаря этому на тарелке создается гидравлический затвор, и пар, выходящий из колпачка, должен проходить через слой жидкости, находящийся на тарелке. Колпачки имеют отверстия или зубчатые прорези для раздробления пара на мелкие пузырьки, т.е. для увеличения поверхности его соприкосновения с жидкостью.

Приток и отвод жидкости, а также высоту жидкости на тарелке регулируют при помощи переливных трубок 4, которые расположены на диаметрально противоположных концах тарелки; поэтому жидкость течет на соседних тарелках во взаимно противоположных направлениях.

Схема работы колпачковой тарелки изображена на рис. 1.12. Выходящие через прорези колпачки пузырьки пара сливаются в струйки, которые проходят через слой жидкости, находящейся на тарелке, и над жидкостью образуется слой пены и брызг, – основная область массообмена и теплообмена между паром и жидкостью на тарелке.

При движении струйки пара обычно сливаются друг с другом; при этом некоторая часть сечения прорезей обнажается, и образуются каналы, по которым газ проходит из-под колпачка сквозь жидкость. Поэтому поверхность взаимодействия газа с жидкостью непосредственно в зоне барботажа невелика. Основная зона фазового контакта находится в области пены и брызг над жидкостью, которые образуются вследствие распыления пара в жидкости и уноса брызг при трении пара о жидкость.


Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол

Рис. 1.11. Схема устройства тарельчатой (колпачковой) колонны: 1 – тарелка; 2 – колпачок; 3 – паровой патрубок; 4 – переливная трубка.


Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол

Рис.1.12. Схема работы колпачковой тарелки.


1.4.2 Ситчатые колонны

Колонны этого типа (см. рис. 1.13) состоят из вертикального цилиндрического корпуса 1 с горизонтальными тарелками 2, в которых просверливается значительное число мелких отверстий, равномерно распределенных по всей поверхности тарелки. Для слива жидкости и регулирования ее уровня на тарелке служат переливные трубки 3. Нижние концы трубок 3 погружены в стаканы 4 на лежащих ниже тарелках и образуют гидравлические затворы.


Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол

Рис. 1.13. Схема устройства ситчатой колонны: 1 – корпус; 2 – ситчатая тарелка; 3 – переливная трубка; 4 – стакан.


Пар проходит через отверстия тарелки (см. рис. 1.14) и распределяется в жидкости в виде мелких струек; лишь на некотором расстоянии от дна тарелки образуется слой пены и брызг – основная область массообмена и теплообмена на тарелке.


Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол


Рис. 1.14. Схема работы ситчатой тарелки.

В определенном диапазоне нагрузок ситчатые тарелки обладают большим к.п.д., чем колпачковые. Однако допустимые нагрузки по жидкости и пару для ситчатых колонн относительно невелики. При слишком малой скорости пара (около 0,1 м/сек) происходит просачивание жидкости через отверстия тарелки и в связи с этим резкое падение к.п.д. тарелки.

Давление и скорость пара, проходящего через отверстия сетки, должны быть достаточными для преодоления давления слоя жидкости на тарелке и должны препятствовать ее стекания через отверстия.

Проскок жидкости у ситчатых тарелок возрастает с увеличением диаметра тарелки и отклонением ее от строго горизонтального положения. Поэтому диаметр и число отверстий следует подбирать так, чтобы жидкость удерживалась на тарелках и не увлекалась механически паром. Обычно диаметр отверстий ситчатых тарелок принимают равным 0,8 – 3 мм.

Ситчатые колонны эффективно работают только при определенных скоростях ректификации, и регулирование режима их работы затруднительно. Кроме того, ситчатые тарелки требуют весьма тщательной горизонтальной установки, так как иначе пары будут проходить через часть поверхности сетки, не соприкасаясь с жидкостью.

Ситчатые тарелки уступают колпачковым по допустимому верхнему пределу нагрузки; при значительных нагрузках потеря напора в них больше, чем у колпачковых.

При внезапном прекращении подвода пара или значительном снижении его давления тарелки ситчатой колонны полностью опоражниваются от жидкости, и требуется заново запускать колонну для достижения заданного режима ректификации.

Очистка, промывка и ремонт ситчатых тарелок производятся относительно удобно и легко.

Чувствительность к колебаниям нагрузки, а также загрязнениям и осадкам, которые образуются при перегонке кристаллизующихся веществ и быстро забивают отверстия тарелки, ограничивают область использования ситчатых колонн; их применяют, главным образом, при ректификации спирта и жидкого воздуха (кислородные установки).

Для повышения к.п.д. в ситчатых тарелках (как и в колпачковых) создают более длительный контакт между жидкостью и паром.


2. Теоретические основы расчета тарельчатых ректификационных колонн


Известно два основных метода анализа работы и расчета ректификационных колонн: графоаналитический (графический) и аналитический. Существуют некоторые допущения, мало искажающие действительный процесс, но существенно упрощающие его анализ и расчет:

молярные теплоты испарения компонентов при одной и той же температуре приблизительно одинаковы, поэтому каждый кмоль пара при конденсации испаряет 1 кмоль жидкости. Следовательно, количество поднимающихся паров в любом сечении колонны одинаково;

в дефлегматоре не происходит изменения состава пара. Состав пара, уходящего из ректификационной колонны, равен составу дистиллята;

при испарении жидкости в кипятильнике не происходит изменения ее состава;

теплоты смешения компонентов разделяемой смеси равны 0.


2.1 Материальный баланс ректификационной колонны


Согласно схеме на рис. 2.15 в колонну поступает F кмоль исходной смеси, состав которой хF в мольных долях низкокипящего компонента. Сверху из колонны удаляется G кмоль паров, образующих после конденсации флегму и дистиллят. Количество получаемого дистиллята D кмоль, его состав хD в мольных долях низкокипящего компонента. На орошение колонны возвращается флегма в количестве Ф кмоль, причем ее состав равен составу дистиллята (хф=xD в мольных долях). Снизу из колонны удаляется W кмоль остатка состава xw в мольных долях низкокипящего компонента. Тогда уравнение материального баланса колонны имеет вид:


Ф+F=G+W (2.14)

Поскольку G=D+Ф, то


F=D+W (2.15)


Соответственно по низкокипящему компоненту материальный баланс имеет вид:


FxF=DxD+WxW (2.16)


Концентрации питания, дистиллята и кубового остатка в мольных долях рассчитываются по формулам:

Питание:


Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол, где (2.17)


Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол – мольные массы бензола и толуола.


Дистиллят:


Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол (2.18)


Кубовый остаток:


Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол (2.19)

Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол

Рис. 2.15. К составлению материального баланса ректификационной колонны: 1 – куб–испаритель; 2 – колонна; 3 – дефлегматор.


2.2. Расчет флегмового числа


Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются рабочим флегмовым числом R (R=Ф/D).

Используют приближенные вычисления, основанные на определении коэффициента избытка флегмы (орошения) Z=R/Rmin. Здесь Rmin – минимальное флегмовое число:


Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол, где (2.20)


хF и хD – мольные доли легколетучего компонента соответственно в исходной смеси и дистилляте, кмоль/кмоль смеси; y*F – концентрация легколетучего компонента в паре, находящемся в равновесии с исходной смесью, кмоль/кмоль смеси.

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

При отсутствии данных о коэффициенте избытка флегмы для разделяемых смесей можно применять эмпирическую зависимость:


R=1,3·Rмин+0,3 (2.21)


Более точный метод расчета Rопт предполагает знание приведенных затрат и учет расходов, связанных с подачей сырья и подводом теплоты в колонну и организацией ее орошения, а также стоимость колонны и вспомогательного оборудования.


Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол


Рис. 2.16. К определению оптимального флегмового числа: 1 – эксплуатац. расходы; 2 – капитальные затраты; 3 – общие затраты на ректификацию.


2.3. Уравнения рабочих линий


y=Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол (2.22)


Зависимость (2.22) является уравнением рабочей линии укрепляющей части колонны. В этом уравнении Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол – тангенс угла наклона рабочей линии к оси абсцисс, а Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол– отрезок, отсекаемый верхней рабочей линией на оси ординат.


Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол, где f=F/D (2.23)


Зависимость (2.22) представляет собой уравнение рабочей линии исчерпывающей части колонны. В этом уравнении Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол– тангенс угла наклона рабочей линии к оси ординат, а Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол – отрезок, отсекаемый нижней рабочей линией на оси абсцисс. Умножив числитель и знаменатель выражений для А' и А на количество дистиллята D, можно заметить, что они представляют собой отношения количеств жидкой и паровой фаз, или удельный расход жидкости, орошающей данную часть колонны.


2.4. Определение числа тарелок и высоты колонны


Наносим на диаграмму y–x рабочие линии верхней и нижней части колонны рис. 2.17 и находим число ступеней изменения концентрации nТ.


Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол

Рис. 2.17. Графическое определение числа теоретических тарелок:

ОE – равновесная кривая, АВ и ВС – рабочие линии для укрепляющей в исчерпывающей частей колонны, 1–6 – тарелки.

Число тарелок рассчитывается по уравнению:


Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол (2.24)


Для определения среднего к.п.д. тарелок Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов при средних температурах для верхней и нижней частей колонны:

Для верхней части:


Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол (2.25)


Для нижней части:


Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол (2.26)


Величина среднего к.п.д. тарелок Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол, который зависит от многих переменных величин (конструкция и размеры тарелки, гидродинамические факторы, физико-химические свойства пара и жидкости). На рис. 2.18 приведены значения среднего к.п.д. тарелок, полученные по опытным данным для промышленных ректификационных колонн сравнительно небольшого диаметра. По оси абсцисс на этом графике отложены произведения коэффициента относительной летучести разделяемых компонентов α на динамический коэффициент вязкости жидкости питания μ (в мПа·с) при средней температуре в колонне.

Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол

Рис. 2.18. Диаграмма для приближенного определения среднего к.п.д. тарелок.


Определение вязкости жидкости (смеси) в верхней и нижней частях колонны а) в верхней части колонны:


Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол (2.27)


б) в нижней части колонны:


Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол (2.28)


Определение вязкости пара:

а) в верхней части колонны:


Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол (2.29)


б) в нижней части колонны:


Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол (2.30)

Число действительных тарелок:

а) в верхней части колонны:


Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол (2.31)


б) в нижней части колонны:


Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол (2.32)


Высота тарельчатой колонны:


Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол (2.33)


где h – расстояние между тарелками,

ZВ – расстояние между верхней тарелкой и крышкой колонны,

ZН – расстояние между нижней тарелкой и днищем колонны,

N – число действительных тарелок.


2.5. Определение средних массовых расходов пара и жидкости в верхней и нижней частях колонны


Определение среднего мольного состава жидкости в верхней и нижней частях колонны:

а) в верхней части колонны:


Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол (2.34)


б) в нижней части колонны:

Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол (2.35)


Определение среднего мольного состава пара в верхней и нижней частях колонны:

а) в верхней части колонны:


Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол (2.36)


б) в нижней части колонны:


Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол (2.37)


Средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны:

а) в верхней части колонны:


Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол (2.38)


б) в нижней части колонны:


Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол (2.39)


Определение средних мольных масс пара в верхней и нижней частях колонны: а) в верхней части колонны:


Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол (2.40)

б) в нижней части колонны:


Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол (2.41)


Определение средней плотности пара в верхней и нижней частях колонны:

Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол (2.42)

Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол (2.43)


Средняя плотность пара в колонне:


Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол (2.44)


Средняя плотность жидкости в колонне:


Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол (2.45)


Определение средней плотности жидкости в верхней и нижней частях колонны:


Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол (2.46)

Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол (2.47)


Определение мольной массы исходной смеси и дистиллята:

Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол (2.48)

Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол (2.49)


Расчет средних массовых расходов по жидкости для верхней и нижней частей колонны:


Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол (2.50)

Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол (2.51)


Расчет средних массовых расходов пара для верхней и нижней частей колонны:

Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол (2.52)

Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол (2.53)


2.6. Определение скорости пара и диаметра колонны


Эффективность работы тарельчатых колонн в значительной степени зависит от скорости пара в свободном сечении колонны. Эта скорость зависит от физико-химических свойств взаимодействующих фаз (плотность, вязкость, поверхностное натяжение и др.) и конструктивных особенностей колонны. Оптимальная величина скорости может быть установлена в каждом отдельном случае только опытным путем. В общем случае предельно допустимая скорость пара в колонне должна быть несколько меньше скорости, соответствующей явлению «захлебывания» колонны, когда восходящий поток пара начинает препятствовать стеканию жидкости по тарелкам. В колоннах, работающих при атмосферном давлении, скорость пара обычно принимают 0.3–0.6 м/с; эта скорость непосредственно связана со скоростью в отверстиях тарелок, которую следует выбирать в пределах 2–6 м/с.

Скорость паров в колоннах может быть повышена при увеличении расстояния между тарелками или применении специальных устройств в виде отбойников, позволяющие уменьшить сепарационный объем между тарелками.

При больших скоростях происходит увеличение потоком пара жидкости с нижележащих тарелок на тарелки, лежащие выше, т.е. механический унос жидкости, и слияние отдельных пузырьков пара в струю, и в результате этого уменьшается поверхность контакта фаз и длительность контакта.

Расчет рабочей скорости пара в верхней и нижней частях колонны по уравнению:


а) в верхней части колонны:


Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол (2.54)

б) в нижней части колонны:

Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол (2.55)


где С – коэффициент, зависящий от конструкции тарелок, расстояния между тарелками, рабочего давления в колонне, нагрузки колонны по жидкости.

Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол

Рис. 2.19. Значения коэффициента С: А, Б – колпачковые тарелки с круглыми колпачками;В – ситчатые тарелки.

Диаметр колонны определяется по уравнению:

а) в верхней части колонны:


Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол (2.56)

б) в нижней части колонны:

Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол (2.57)


Скорость пара в колонне при стандартном диаметре:

а) в верхней части колонны:


Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол (2.58)


б) в нижней части колонны:


Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол (2.59)

Средняя скорость пара рассчитывается по формуле:


Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол (2.60)


2.7. Гидравлическое сопротивление тарельчатых колонн


При конструировании тарельчатых колонн следует учитывать гидравлическое сопротивление, в результате которого возникает значительная разность давлений у основания и вершины

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.

Поможем написать работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту
Нужна помощь в написании работы?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Пишем статьи РИНЦ, ВАК, Scopus. Помогаем в публикации. Правки вносим бесплатно.

Похожие рефераты: