Полный расчет ректификационной колонны

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 (G_Wи G_D), 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 M_F-молекулярная масса:

кг/кмоль

 кг/кмоль

 кг/кмоль,

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

x_F, x_D, x_W- 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 R_min – 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 Q_K – тепловая нагрузка куба; Q_D –количество теплоты, передаваемой от пара к воде; Q_пот – 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; t_2кр=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);

,

Тогда:

2.2 Гидравлический расчет насадочной колонны аппарата

бор рабочей скорости паров обусловлен многими факторами и обычно осуществляется путем технико-экономического расчета для каждого конкретного процесса. Для ректификационных колонн, работающих в пленочном режиме при атмосферном давление, рабочую скорость можно принять на 20% ниже скорости захлёбывания:

                            (26)

где  - скорость захлебывания пара, м/с;  – удельная поверхность насадки, м²/м³; V_св – свободный объём насадки, м³/м³; μ_ж – динамический коэффициент вязкости жидкости, мПа∙с;  и  - массовые расходы жидкой и паровой фаз, кг/с;  и  - плотность пара и жидкости соответственно, кг/м³.

Выбираем в качестве насадки - стальные кольца Рашига:

Кольца Рашига 25 мм:

в:

н:

Тогда рабочая скорость в верхней и нижней части колонны равна:

По рабочей скорости определяем диаметр колонны:

,

где объемный расход пара при рабочих условиях в колонне, м³/с.

;

;

Выбираем стандартный аппарат с диаметром 2.2 м, с кольцами Рашига диаметром 25мм и уточняем рабочую скорость по формуле:

Плотность орошения для верхней и нижней части колонны определяют по формуле:

,

где U – плотность орошения, м³/(м^2.с);

- объемный расход жидкости, м³/с;

S – площадь поперечного сечения колонны, м².

,

где D – диаметр колонны, м.

так как плотность орошения меньше допустимых значений, то необходимо выбрать кольца Рашига с меньшим диаметром.

Кольца Рашига 50 мм:

в:

н:

Тогда рабочая скорость в верхней и нижней части колонны равна:

По рабочей скорости определяем диаметр колонны:

,

где объемный расход пара при рабочих условиях в колонне, м³/с.

;

;

Выбираем стандартный аппарат с диаметром 2 м, с кольцами Рашига диаметром 50мм и уточняем рабочую скорость по формуле:

Плотность орошения для верхней и нижней части колонны определяют по формуле:

,

где U – плотность орошения, м³/(м^2.с);

- объемный расход жидкости, м³/с;

S – площадь поперечного сечения колонны, м².

,

где D – диаметр колонны, м.

Так как плотность орошения удовлетворяет допустимым значениям, то в дальнейших расчетах используем кольца Рашига диаметром 50 мм.

Активную поверхность насадки  находят по формуле:

,

где U – плотность орошения, м³/(м^2.с);

 - удельная поверхность насадки, м² /м³;

p, q – постоянные, зависящие от типа и размера насадки.

Для выбранных колец Рашига с диаметром 50 мм:

p=0.024, q=0.012.

Определим активную поверхность насадки в нижней и верхней части колонны:

Одной из важных характеристик аппарата является гидравлическое сопротивление насадки, который зависит от режима движения пара (газа). Для расчета необходимо определить число Рейнольдса:

,

где  - вязкость пара.

Определяем значения числа Рейнольдса для нижней и верхней части колонны:

Определяем коэффициент сопротивления для верхней и нижней части колонны:

Так как число Re_п>40, то

Определяем гидравлическое сопротивление для верхней и нижней части колонны:

 ,

где H=1 м – высота слоя.

Па/м

Па/м

,

где b- коэффициент, для колец Рашига 50 мм: b= 47^.10^-3.

=375.61 Па/м

=1093.32Па/м

2.3 Расчет высоты колонны

Определим коэффициент диффузии газа для нижней и верней части колонны по формуле:

,

где T – температура газа, К; p- давления газа, кгс/см²; M_A,M_B- мольные массы газов A и B;

v_A,v_B- мольный объемы газов А и В, определяемые, как сумма атомных объемов элементов, входящих в состав газа.

Пусть А – ацетон (М_А=58 кг/кмоль);

В- четыреххлористый углерод (М_В=154кг/кмоль).

см³/атом

 см³/атом

м²/с;

 м²/с;

Определим коэффициент диффузии в разбавленных растворах для верхней и нижней части колонны:

,

где М – мольная масса растворителя;

v- мольный объем диффундирующего вещества;

T –температура, К;

- динамический коэффициент вязкости растворителя, мПа^.с;

- параметр, учитывающий ассоциацию молекул растворителя (_А=_В=1).

Пусть А растворяется в В (В- растворитель):

 м²/с;

 м²/с.

Пусть В растворяется в А (А- растворитель):

 м²/с;

 м²/с.

Определим коэффициент диффузии смеси жидкостей для верхней и нижней части колонны по формуле:

 м²/с;

 м²/с.

По диаграмме «Равновесное состояние жидкости и пара» определяем коэффициенты распределения нижней и верхней частей колонны:

Через x_н, x_в определяем углы α и β соответственно (приложение 2).

Определяем число единиц переноса графическим методом интегрирования для нижней и верхней части колонны:

y_w=x_w=0.06

y_D=x_D=0.8

По данным таблицы строим график зависимости и определяем площадь под графиком с помощью метода трапеций для нижней и верхней части колонны, равную числу единиц переноса (приложение 4):

n_0yн=3.029

n_0yв=5.51

Определим высоту единиц переноса с помощью сведущих формул:

а) критерий Рейнольдса для пара и жидкости в верхней и нижней части колонны:

б) критерий Прандтля для пара и жидкости в верхней и нижней части колонны:

в) приведенная толщина жидкой пленки для верхней и нижней части колонны:

г) высота единиц переноса в газовой фазе для верхней и нижней части колонны:

м

м

д) высота единиц переноса в жидкой фазе для верхней и нижней части колонны:

м

м

Тогда высота единиц переноса равна:

м

м

Определим высоту слоя насадки по формуле:

Тогда общую высоту аппарата определим по формуле:

2.4 Ориентировочный расчет теплообменников

Произведем ориентировочные расчеты пяти теплообменников: куба-испарителя, подогревателя, дефлегматора и двух холодильников (дистиллята и кубового остатка).

2.4.1 Куб-испаритель

Исходные данные: Q_k=3924.32кВт, t_w=71^ْC

Δt=t_гп-t_w

Пусть Δt=30^ْC, тогда:

t_гп= Δt+ t_w=101^ْC,

при t_гп= 101^ْC,

p_гп=1.0728кгс/см², r_гп=2257.6 кДж/кг

пусть коэффициент теплопередачи К_ор=800Вт/(м^2.К)

Определим поверхность теплообмена по формуле:

м²

По ориентировочной поверхности теплообмена выбираем стандартный куб-испаритель с внутренним диаметром кожуха D=1000 мм, числом труб n=747, с поверхностью теплообмена F=176 м² и длиной труб l=3м.

2.4.2 Подогреватель

Исходные данные: кг/с, x_F=0.48, t_F=58.4 ^ْC, t_нач=20 ^ْC, .

Определим среднюю температуру:

Δt_м=t_гп-t_F=101-58.4=42.6 ^ْC

Δt_б=t_гп-t_нач=101-20=81 ^ْC

 ^ْC

t_ср=t_гп- Δt_ср=41.23 ^ْC

Определим вязкость смеси:

мПа^.с

 мПа^.с

 мПа^.с

Определим теплоемкость смеси:

Определим количество теплоты в подогревателе:

Вт

Пусть К_ор=300Вт/(м^2.К), тогда

м²

м

м

0.01161тр<0.0232

Исходя из сделанных расчетов можем выбрать стандартный четырехходовой подогреватель с внутренним диаметром кожуха D=600 мм, числом труб n=334, длиной труб l=3м, проходным сечением одного хода S_т=1.6^.10^-2м и числом рядов труб n_р=18.

Определим расход греющего пара по формуле:

кмоль/с

2.4.3 Дефлегматор

Исходные данные: Q_D=3703,486 кВт, t_D=56 ^ْC, t_внач=15 ^ْC, t_вкон=40 ^ْC

Определим среднюю температуру:

Δt_м=t_D-t_вкон=16 ^ْC

Δt_б=t_D-t_внач=41 ^ْC

 ^ْC

t_ср=t_D- Δt_ср=29.32 ^ْC

Определим теплофизические свойства воды при t_ср=29.32 ^ْC:

· λ =0.6167Вт/(м^.К)

· μ=0.8125 мПа^.