Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия
Введение
Ректификация – это процесс разделения жидких смесей, который сводиться к одновременно протекающим и многократно повторяемым процессам частичного испарения и конденсации разделяемой смеси на поверхности контакта фаз. Ректификацию чаще всего проводят в колонных аппаратах.
Ректификационные колонны предназначены для проведения процессов массообмена в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности. Колонные аппараты изготавливают диаметром 400–4000 мм для работы под давлением до 1,6 МПа в царговом (на фланцах) исполнении корпуса, для работы под давлением до 4,0 МПа – в цельносварном исполнении корпуса.
В зависимости от диаметра, колонные аппараты изготавливают с тарелками различных типов. Колонные аппараты диаметром 400–4000 мм оснащают стандартными контактными и распределительными тарелками , опорами, люками, днищами и фланцами. На корпусе цельносваренного аппарата предусмотрены люки для обслуживания тарелок.
Большое разнообразие тарельчатых контактных устройств затрудняет выбор оптимальной конструкции тарелки. При этом наряду с общими требованиями (высокая интенсивность единицы объема аппарата, его стоимость и т.д.) ряд требований может определяться спецификой производства: большим интервалом устойчивой работы при изменении нагрузок по фазам, способность тарелки 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.
Расчет ректификационной колонны сводиться к определению её основных геометрических размеров диаметр и высота. Оба параметра в значительной мере определяются нагрузками по пару и жидкости, типом тарелки, свойствами взаимодействующих фаз .
Разделяемая смесь (бензол - толуол) близка по свойствам к идеальной смеси, без образования азеотропных смесей и других осложнений. Поэтому ректификацию будем проводить при атмосферном давлении на колпачковых тарелках. На питание колонны будем подавать исходную смесь, подогретую до температуры кипения; флегму будем подавать в виде жидкости при температуре кипения; кубовый остаток будем испарять и подавать в виде насыщенного пара в низ колонны.
Данная смесь обладает токсичными, коррозийными свойствами. Выберем для изготовления аппарата качественную легированную сталь Х17Н13М2Т для деталей, сопряженных с органической смесью [4]. Для всех остальных элементов конструкции – саль Ст3. Выполним аппарат цельносварным с люками для обслуживания.
1.Технологическая схема процесса ректификации
Исходную смесь из промежуточной емкости-1 центробежным насосом-2 подают в теплообменник-3, где подогревают до температуры кипения и подают в колонну на ту тарелку, где кипит смесь того же состава хF, т.е. на верхнюю тарелку нижней исчерпывающей части колонны. Верхняя часть колонны называется укрепляющей по легколетучему компоненту.
Внутри ректификационной колонны-4 расположены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Снизу вверх по колонне движется пар, поступающий из выносного куба – испарителя (кипятильника)-5 (куб – испаритель может размещаться и непосредственно под колонной). На каждой тарелки происходит частичная конденсация пара труднолетучего компонента и за счет конденсации – частичное испарение легколетучего компонента. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка хW, т.е. обеднен легколетучим компонентом. Таким образом, пар, выходящий из куба – испарителя и представляющий собой почти чистый труднолетучий компонент, по мере движения вверх обогащается легколетучим компонентом и покидает колонну в виде почти чистого пара легколетучего компонента. Для полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава хР, получаемой в дефлегматоре-6 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Пар конденсируется в дефлегматоре, охлаждаемом водой. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения – дистиллята, который охлаждается в теплообменнике-7 и направляется в промежуточную емкость-8. Флегма, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, обогащается труднолетучим компонентом.
Из куба – испарителя отводят нижний продукт или кубовый остаток.
Из кубовой части колонны насосом-9 непрерывно выводится кубовая жидкость – продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике-10 и направляется в емкость-11.
Рисунок 1. Принципиальная схема ректификационной установки непр. действия:
1-промежуточная ёмкость
2-центробежный насос
3-теплообменник
4– ректификационная колонна
5-куб-испаритель
6-дефлегматор
7-теплообменник
8-промежуточная ёмкость
9-насос
10- теплообменник
11-ёмкость.
ЗАДАНИЕ №1
«Расчет ректификационной колонны непрерывного действия»
Провести расчет ректификационной колонны непрерывного действия для разделения смеси бензол-толуол с определением основных геометрических размеров колонного аппарата, производительность по продукту Р = 120 т/сутки. Тип колонны – тарельчатая, тип тарелки - колпачковая.
Содержание НК в смеси (мольн. доля):
Мольная концентрация начальной смеси: XF = 0,4
Мольная концентрация дистиллята: XP = 0,95
Мольная концентрация кубового остатка: XW =0,03
Давление в колонне P = 1,0 ата.
Исходная смесь подогревается предварительно до температуры кипения. Предусматривается горячее орошение колонны.
2. Технологический расчет
Основными задачами технологического расчёта процесса ректификации, являются определение основных геометрических размеров ректификационной колонны (её диаметра и высоты), а так же расхода греющего пара в кубе колонны и охлаждающей воды в дефлегматоре.
2.1 Материальный баланс
Целью составления и решения уравнения материального баланса является определение неизвестных материальных потоков.
Температуры кипения веществ при Р=760мм.рт.ст.:
Бензол Ткип=80,2 ˚С (НК);
Толуол Ткип=110,8 ˚С (ВК).
Молекулярные массы веществ:
Бензол Мr=78,11 кг/кмоль;
Толуол Мr=92,13 кг/кмоль.
Расчет проведем по методике, предложенной в [1].
Уравнение материального баланса имеет вид:
(1)
где F– расход исходной смеси, кг/с;
P– расход верхнего продукта, кг/с;
W– расход нижнего продукта, кг/с;
– соответствующие массовые доли компонентов, кг/кг.
F=0.558+0.823 = 1.387
1.388*0.4=0.558*0.95 + 0.83*0.03
0.555 = 0.555
Для расчетов выразим концентрации питания, дистиллята и кубового остатка в мольных долях , X. Mб = 78, Mт = 92 – мольные массы бензола и толуола соответственно.
X=(хНК/ MНК)/(хНК/ MНК +(1-хНК)/ MВК) (2)
XF = (0,4/78)/( 0,4/78+ (1 – 0,4)/92) = 0,0051 кмоль/кмоль смеси
XР = (0,95/78)/( 0,95/78+ (1 – 0,95)/92) = 0,012 кмоль/кмоль смеси
XW = (0,03/78)/( 0,03/78+ (1 – 0,03)/92) = 0,00038 кмоль/кмоль смеси.
Для перевода массовых расходов F, P, W (кг/с) в мольные достаточно каждый из них разделить на соответствующую мольную массу вещества потока, которую можно рассчитать по уравнению:
(3)
где ─ мольные доли компонента, кмоль/кмоль;
─ мольные массы соответствующих компонентов,кг/кмоль;
─ мольная масса потока, кг/кмоль.
МсмF = 78*0.0051+92(1-0.0051) = 91.928 кг/кмоль
МсмP = 78*0.012+92(1-0.012) = 91.83 кг/кмоль
МсмW = 78*0.00038+92(1-0.000038) = 91.99 кг/кмоль
(4)
(5)
(6)
где F, P, W ─ массовые расходы, кг/с;
FN, PN, WN─ мольные расходы, кмоль/с.
2.2 Построение фазовых диаграмм
С целью проведения дальнейших материальных расчётов требуется построение линий равновесия t-x-y диаграммы.
Таблица 2.2.1 - Содержания низкокипящего и высококипящего компонентов при различных температурах и давлении 760 мм.рт.ст.
Т, ˚C | РНК | Рвк | П | x | y |
80,2 | 760 | 300 | 760 | 1 | 1 |
84 | 852 | 333 | 760 | 0,823 | 0,922 |
88 | 957 | 380 | 760 | 0,659 | 0,83 |
92 | 1078 | 432 | 760 | 0,508 | 0,720 |
96 | 1204 | 493 | 760 | 0,376 | 0,596 |
100 | 1344 | 559 | 760 | 0,256 | 0,453 |
104 | 1495 | 626 | 760 | 0,155 | 0,304 |
108 | 1659 | 705 | 760 | 0,058 | 0,128 |
110,4 | 1748 | 760 | 760 | 0 | 0 |
2.3 Определение рабочего флегмового числа
Определение флегмового числа
Атмосферное давление:
Давление в колонне:
Строим таблицу равновесного состава c помощью интерполяции [7,табл.XLVI и рис. XIV]:
80 | 760 | 300 | ||
84 | 852 | 333 | 0,823 | 0,922 |
88 | 957 | 379,5 | 0,659 | 0,83 |
92 | 1078 | 432 | 0,508 | 0,72 |
96 | 1204 | 492,5 | 0,376 | 0,596 |
100 | 1344 | 559 | 0,256 | 0,453 |
104 | 1495 | 625,5 | 0,155 | 0,304 |
108 | 1659 | 704,5 | 0,058 | 0,127 |
110 | 1748 | 760 | 0 | 0 |
По таблице находим состав пара равновесного с начальной смесью, с дистиллятом и кубовым остатком:
;
;
.
Рабочее (оптимальное) флегмовое число R определяет нагрузки ректификационной колонны по пару и по жидкости и наряду с производительностью колонны обуславливает геометрические размеры колонного аппарата и затраты теплоты на проведение процесса.
Исходным при выборе рабочего флегмового числа является минимальное его значение Rmin.
Rmin определяется по формуле [Иоффе]:
(7)
где - мольная доля продукта, кмоль/кмоль.
.
1. Принимаем коэффициент избытка флегмы:
.
Рабочее флегмовое число:
.
Координата точки b:
.
Строим кривую равновесия:
С помощью кривой равновесия находим число теоретических тарелок:
.
Находим произведение:
.
2. Принимаем коэффициент избытка флегмы:
.
Рабочее флегмовое число:
.
Координата точки b:
.
Строим кривую равновесия:
С помощью кривой равновесия находим число теоретических тарелок:
.
Находим произведение:
.
3. Принимаем коэффициент избытка флегмы:
.
Рабочее флегмовое число:
.
Координата точки b:
.
Строим кривую равновесия:
С помощью кривой равновесия находим число теоретических тарелок:
.
Находим произведение:
.
4. Принимаем коэффициент избытка флегмы:
.
Рабочее флегмовое число:
.
Координата точки b:
.
Строим кривую равновесия:
С помощью кривой равновесия находим число теоретических тарелок:
.
Находим произведение:
.
5. Принимаем коэффициент избытка флегмы:
.
Рабочее флегмовое число:
.
Координата точки b:
.
Строим кривую равновесия:
С помощью кривой равновесия находим число теоретических тарелок:
.
Находим произведение:
.
Строим зависимость Nm*(R+1)=f(R):
Из графика видно, что оптимальным будет 2 вариант. Флегмовое число и число теоретических тарелок при этом будут:
2.4 Определение действительного числа тарелок
Относительная летучесть начальной смеси:
.
По [1,табл.IX] находим вязкости компонентов:
;
.
Вязкость жидкости на питательной тарелке:
.
Общий коэф-т полезного действия в тарелке:
.
Число действительных тарелок:
.
Принимаем:
.
2.5 Определение геометрических размеров тарельчатых колонн
В определение геометрических размеров входят определение высоты и диаметра колонны.
2.5.1 Определение диаметра колонны
Диаметр колонны определяется по формуле :
(10)
где V – объёмный расход паров для верха и для низа колонны, м3/с;
ω - скорость пара для верхней и для нижней колонны, м/c;
π – геометрическая постоянная (π =3,14).
2.5.2 Определение объёмного расхода паров
Определение объёмного расхода паров производиться по формуле:
(11)
где P – мольный расход, кмоль/с;
R –оптимальное флегмовое число;
Mcp – средняя мольная масса пара, кг/кмоль;
ρп.ср – плотность пара для среднего сечения, кг/м2.
Средняя мольная масса пара определяется по формуле :
(12)
где Mнк, Мвк – мольные массы компонентов, кг/кмоль;;
yср – средний мольный состав пара, кмоль/кмоль.
Средняя плотность пара определяется по формуле :
(13)
где Т˚=273К;
Р0=760 мм.рт.ст.
Тср – средняя температура кипения смеси в среднем сечении верхней части колонны в ˚С (определяется по t-x-y диаграмме по значению yср)
Определение объёмного расхода паров в колонне производиться для верха и для низа колонны отдельно.
Среднее сечение верхней части колонны:
Средний мольный состав пара определяется по формуле :
(14)
где yp и yf -мольные доли компонентов (определяются по x-y диаграмме).
= 92,13*0,795 + 78,11*(1-0,795) = 89,24 кг/кмоль
= 89,24*273/22,4(273+92,2) = 2,97 кг/м3
V = (0,006*(2,43+1)*89,24)/2,97 = 0,62 м3/сек
Среднее сечение нижней части колонны:
Средний мольный состав пара определяется по формуле [3]:
(15)
где yц и yf -мольные доли компонентов (определяются по x-y диаграмме).
= 92,13*0,34 + 78,11*(1-0,34) = 82,87 кг/кмоль
= 89,24*273/22,4(273+105,95) = 2,66 кг/м3
V = (0,006*(2,43+1)*82,87)/2,66 = 0,64 м3/сек
2.5.3 Определение скорости пара
Расчет проведем по методике предложенной в [1].
Для колпачковых тарелок предельно допустимая скорость рассчитывается по уравнению:
(16)
где – диаметр колпачка, м; – расстояние от верхнего края колпачка до вышерасположенной колонны, м; – соответственно плотности жидкой и паровой фазы, кг/м3.
Верхняя часть аппарата:
(17)
где xср.нк – средний состав жидкости для верхней части колонны, кмоль/кмоль.
(18)
м/с
Нижняя часть аппарата:
(19)
м/с
Определим диаметр колонны для верха и для низа:
Верх.
Низ: Примем D=1000мм
Примем стандартный диаметр колонны одинаковый для верхней и нижней части и равный м.
Параметры колпачковой тарелки типа ТСК-1 Свободное сечение колонны м2, длина линии барботажа 9,3 м, периметр слива м, площадь слива 0,05 м2, площадь паровых патрубков 0,073 м2, относительная площадь прохода паров 9%, число колпачков 37, диаметр колпачка мм, шаг мм, мм, высота перелива мм. Расстояние между тарелками Ht=0,35[1].
2.5.4 Определение высоты колонны
Определение высоты тарельчатой колонны производиться по следующему уравнению [1]:
(20)
где -высота тарельчатой (рабочей) части колонны, м;
h – расстояние между тарелками, м [1];
h1 - высота сепарационной части над верхней тарелкой, м;
h2 - расстояние от нижней тарелки до днища колонны, м.
Значения h1 и h2 выбрать в соответствии с практическими рекомендациями в зависимости от диаметра колонны [1]:
H=(16-1)*0.6+0.6+1.5=11.1 м
3. Тепловой расчет
В задачу теплового расчета входит определение расхода греющего пара в