Технологическая схема процесса ректификации

Расчет колонны с колпачковыми тарелками

Для дальнейших расчетов концентрации исходной смеси, дистиллята и кубового остатка выразим в массовых долях по формуле.

где мольная доля низкокипящего компонента в жидкости; мольная масса низкокипящего компонента, кг/кмоль; мольная масса высококипящего компонента, кг/кмоль.

Мольная масса ацетона — 58.08 кг/кмоль; мольная масса бензола — 78.11 кг/кмоль [2]. По расчетам получили.

Обозначим массовый расход исходной смеси через дистиллята — через кубового остатка — через.

Составим материальный баланс:

Из этой системы уравнений находим.

Данные равновесного состава жидкости (x) и пара (у) в мольных процентах и температуры кипения двойных смесей при 760 мм рт.ст. приведены в таблице 1.

Таблица 1 — Равновесные составы жидкости и пара смеси ацетона — бензола при давлении 760 мм рт.ст. и их температуры кипения.

По данным таблицы 1 строим изобары температур кипения и конденсации на диаграмме t — x, y и линию равновесия на диаграмме x — y.

Расчет флегмового числа Минимальное флегмовое число рассчитываем по формуле.

В данном случае мольная доля низкокипящего компонента в паре, равновесном с исходной смесью, определенная по диаграмме x — y, составляет Отсюда.

Оптимальное флегмовое число найдем из условия получения минимального объема колонны, пропорционального произведению, где число ступеней изменения концентрации (теоретическое число тарелок).

Расчет оптимального флегмового числа выполним в следующем порядке:

• а) задаемся рядом значений коэффициента избытка флегмы в пределах от 1.1 до 3.5; определяем рабочее флегмовое число и величину отрезка
• б) откладываем отрезок В на оси ординат и проводим линии рабочих концентраций верхней и нижней частей колонны (прямые ;
• в) между равновесной и рабочими линиями в пределах концентраций строим ступени, каждая из которых соответствует теоретической тарелке;
• г) при каждом значении определяем число теоретических тарелок и величину произведения Результаты расчета приведены в таблице 2.

Таблица 2 — Данные для расчета оптимального флегмового числа.

д) по данным таблицы 2 строим график зависимости и находим минимальное значение величины, которому соответствует флегмовое число R=6.6.

Эту величину и принимаем в дальнейших расчетах за оптимальное рабочее число флегмы.

Число ступеней изменения концентраций при этом составило (число теоретических тарелок).

Определение скорости пара в колонне Для дальнейших расчетов необходимо средние по высоте колонны мольные и массовые концентрации низкокипящего компонента в жидкости и паре.

Средний мольный состав жидкости соответственно для верхней и нижней части колонны:

Средний массовый состав жидкости соответственно для верхней и нижней части колонны:

Средние температуры жидкости определяем по диаграмме t-x, y.

при.

при.

Средняя плотность жидкости по высоте колонны, определяются по уравнению.

гдеплотности соответственно низкокипящего и высококипящего компонента при средней температуре в колонне,.

Тогда средняя плотность жидкости по формуле (1.6) составит:

а) в верхней части колонны.

б) в нижней части колонны.

Средняя плотность для колонны в целом.

Определяем средние мольные концентрации ацетона в паре:

а) в верхней части колонны.

б) в нижней части колонны.

Средние температуры пара определяются по диаграмме t-x, y.

при.

при.

Средняя мольная масса пара.

Средняя плотность пара.

Тогда в соответствии с формулами (1.9) и (1.10) получим:

а) в верхней части колонны:

средняя мольная масса пара.

средняя плотность пара.

б) в нижней части колонны:

средняя мольная масса пара.

средняя плотность пара.

Тогда средняя плотность пара по всей колонны.

Допустимую скорость пара в колонне определяем по уравнению.

гдеплотность жидкости и пара соответственно,; С-коэффициент, величина которого зависит от конструкции тарелки, расстояние между тарелками и поверхностного натяжения жидкости определяется по рисунку 8 [3 cт.27].

Принимаем предварительно расстояние между тарелками [2].

Для определения коэффициента С определяем поверхностное натяжение.

Поверхностное натяжение.

где определяются по таблице XXIV [2 ст.526].

По рисунку 8 [3 cт.27] определяем коэффициент С по линии 1-кривые максимальных нагрузок для колпачковых тарелок при.

Принимаем С=900.

В соответствии с уравнением (1.12) скорость пара в колонне составит.

Объёмный расход пара, поступающий в дефлегматор, определяется по формуле.

гдемольная масса дистиллята, определяется по формуле.

Объемный расход пара, поступающий в дефлегматор, определяем по формуле (1.14). Предварительно рассчитываем мольную массу дистиллята по формуле (1.15).

Тогда.

Диаметр колонны определяется по формуле.

По таблице Б1(Приложение Б)[3] выбираем диаметр колонны .

При этом действительная скорость пара в колонне составит.

По таблице Б1(Приложение Б) [3] для колонны диаметра 2000 мм выбираем нормализированные тарелки типа ТСК-Р (ОСТ 26−808−73) с капсульными стальными колпачками.

Основные конструктивные размеры колонных аппаратов с капсульными колпачками приведены в таблице Б2, Б3 (Приложение Б) [3]. Общее число колпачков на тарелке — 129. Характеристики устанавливаемой колпачковой тарелки приведены в таблице 3.

Таблица 3 — Характеристика колпачковой тарелки.

ректификация колпачковый дефлегматор дистиллят Определение высоты колонны Высоту колонны определяем графоаналитическим методом, то есть последовательно рассчитываем коэффициенты массоотдачи, массопередачи, коэффициенты полезного действия тарелок; строим кинетическую кривую и определяем число действительных тарелок.

Коэффициент массоотдачи в паровой фазе, м/с, рассчитываем по формуле.

где — коэффициент молекулярной диффузии паров компонента, А в парах компонента В,; - критерий Рейнольдса для парой фазы.

Коэффициент молекулярной диффузии в парой фазе, , рассчитывается по формуле.

где Т — температура, К; р — абсолютное давление, кгс/; - мольные массы пара компонента, А и В; - мольные объемы компонентов, А и В, определяемые как сумма атомных объемов элементов, входящих в состав пара, приведены в таблице 6.3 [2 ст.288].

Критерий Рейнольдса для паровой фазы определяется по формуле.

где — динамический коэффициент вязкости пара, Па*с, определяется по формуле.

где — мольные массы пара и отдельных компонентов, кг/кмоль; - соответствующие им динамические коэффициенты вязкости, Па*с; - мольные доли компонентов смеси.

В соответствии с формулой (1.19) коэффициент диффузии паров ацетона в парах бензола:

а) в верхней части колонны.

б) в нижней части колонны.

В соответствии с формулой (1.21) коэффициент динамической вязкости смеси паров ацетона и бензола;

а) в верхней части колонны при температуре.

б) в нижней части колонны при температуре.

В соответствии с формулой (1.20) критерий Рейнольдса для паровой фазы:

а) в верхней части колонны.

б) в нижней части колонны.

Коэффициент массоотдачи в паровой фазе по формуле (1.18) составит а) в верхней части колонны.

б) в нижней части колонны.

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе, м/с, рассчитывается по формуле.

гдекоэффициент диффузии в жидкости,; - диффузионный критерий Прандтля; - средняя мольная масса жидкости в колонне, кг/кмоль, определяем по формуле.

где — средний мольный состав жидкости, кмоль А/кмоль смеси.

В соответствии с формулой (1.23) средние массы жидкости в верхней и нижней части колонны составят.

При расчете диффузии паров низкокипящего компонента в жидкости сначала рассчитываем коэффициент диффузии при 20, а затем коэффициент диффузии при соответствующей температуре — .

Коэффициент диффузии в жидкости при 20, , можно вычеслить по приближенной формуле.

где — динамический коэффициент вязкости жидкости при 20, мПа*с; - мольные объемы компонентов, А и В, приведены в таблице 6.3 [2 cт.288]; - мольные массы соответственно компонентов, А и В, кг/кмоль; А, В — коэффициент зависящие от свойств низкокипящего и высококипящего компонентов [2 cт.289].

Коэффициент диффузии пара в жидкости (при соответствующей температуре t) связана с коэффициентом диффузии (при температуре 20) следующей приблеженной зависимостью.

в котором температурный коэффициент b может быть определен по эмпирической формуле.

где — динамический коэффициент вязкости при 20, мПа*с; - плотность жидкости при 20, кг/.

Динамический коэффициент вязкости жидкости определяется по формуле.

где — вязкость жидких компонентов, А и В при температуре смеси, мПа*с.

Рассчитаем динамический коэффициент вязкости жидкости в колонне при 20 по формуле (1.27), предварительно определив по таблице IX [2] вязкости ацетона и бензола при 20: ,.

Тогда а) в верхней части колонны.

б) в нижней части колонны.

Как видно из полученных значений в рассматриваемом примере коэффициент вязкости жидкости в верхней и нижней частях колонны не одинаковы. Кроме того не близки плотности жидких ацетона и бензола при 20:, поэтому мы не можем принять Тогда температурный коэффициент в соответствии с формулой (1.26) для верхней и нижней части колонны составит.

Коэффициент диффузии ацетона в жидком бензоле при 20 по формуле (1.24):

а) для верхней части колонны.

б) в нижней части колонны.

Коэффициент диффузии пара ацетона в бензоле при соответствующей температуре в колонне по формуле (1.25):

а) в верхней части колонны при.

б) в нижней части колонны при.

Диффузионный критерий Прандтля определяется по формуле.

где — динамический коэффициент вязкости жидкости при средней температуре смеси, Па*с, определяется по формуле (1.27);

а) в верхней части колонны при по таблице IX [2] определяем.

б) в нижней части колонны при по таблице IX [2] определяем.

В соответствии с формулой (1.28) критерий Прандтля составит:

а) в верхней части колонны.

б) в нижней части колонны.

Определяем коэффициент массоотдачи в жидкой фазе в соответствии с формулой (1.22):

а) в верхней части колонны.

б) в нижней части колонны.

Коэффициент массопередачи, определяем по уравнению.

где m — тангенс угла наклона линии равновесия на рабочем участке.

Для определения угла наклона разбиваем ось х на участки и для каждого из них находим среднее значение тангенса как отношение разности к разности абсцисс в том же интервале, то есть.

Подставляя рассчитанные значения коэффициентов массоотдачи и тангенс углов наклона линии равновесия в уравнение (1.29), находим величину коэффициента массопередачи для каждого значения .

а) в нижней части колонны.

б) в верхней части колонны.

Полученное значение, используют для определения числа единиц переноса в паровой фазе по формуле.

где — скорость пара в свободном сечении, м/с; - средняя темпереатура пара,; - давление при нормальных условиях и абсолютное давление в колонне, Па; - отношение рабочей площади колонны к ее свободному сечению (. Принимаем [3].

а) в нижней части колонны.

б) в верхней части колонны.

Допуская полное перемешивание жидкости на тарелке, коэффициент обогащения тарелки или КПД тарелки определяется по выражению.

где е=2.718- основание натурального логарифма.

а) в нижней части колонны.

б) в верхней части колонны.

Замеряем величину отрезка ВС между рабочей и равновесной линиями на графике x-y: |BC|=18 мм. Учитывая, что для КПД тарелки справедливо соотношение, рассчитываем величину отрезка BD:|BD|=.

Получаем:

Результаты, приведенных выше расчетов приведены, в таблице 4.

Таблица 4 — Параметры для построения кинетической кривой.

Построение кинетической кривой Между кривой равновесия и линиями рабочих концентраций в соответствии со значениями х, приведенными в таблице 4, проводим ряд прямых, параллельных оси ординат (диаграмма кинетической кривой x-y).

Полученные отрезки и т. д. делят в соотношении, то есть определяют величину отрезков …

Через найденные точки …(для каждого значения х) проводим кинетическую кривую, отображающую степень приближений фаз на тарелках к равновесию.

Число реальных тарелок n находим построение ступенчатой линии между кинетической кривой и рабочими линиями в пределах от. Получаем 29 тарелок, (из которых 22- верхней части колонны, 7- в нижней), которые и обеспечивают разделение смеси в заданных пределах изменения концентраций. Исходная смесь должна подаваться на 22-ю тарелку сверху.

Общую высоту тарельчатой ректификационной колонны Н, м, определяем по формуле.

где — расстояние между тарелками, м; - расстояние между верхней тарелкой и крышкой колонны (высота сепарационного пространства), м; - расстояние между нижней тарелкой и днищем колонны (высота кубового остатка), м.

По таблице Б1, Б5 (Приложение Б) [3] принимаем необходимые величины:

Гидравлический расчет Гидравлическое сопротивление колонны, Па, определяется по формуле.

где n — действительное число тарелок; - гидравлическое сопротивление колпачковой тарелки, Па.

Гидравлическое сопротивление колпачковой тарелки, Па, рассчитывается по формуле.

где — сопротивление сухой тарелки, Па; - сопротивление вызываемое силами поверхностного натяжения, Па; - статическое сопротивление слоя жидкости на тарелке, Па.

Расчет ведем для нижней части колонны, имеющий максимальную нагрузку по жидкости.

Сопротивление сухой тарелки, Па, для нижней части колонны рассчитывается по формуле.

где — коэффициент сопротивления тарелки, принимаем [2]; - фактическая скорость пара в прорезях, м/с.

Для определения фактической скорости пара проверяем, будет ли обеспечено полное открытие прорезей, необходимое для равномерного режима работы тарелок.

Скорость необходимая для полного открытия прорезей, м/с, рассчитывается по формуле.

где — высота прорези, принимаем (таблица 3).

При подстановке всех значений в формулу (1.37) получим.

Площадь сечения всех прорезей, , рассчитывается по формуле.

где — количество колпачков на тарелке; - число прорезей в колпачке; - площадь прорези, .

По таблице 3 принимаем, , тогда.

Отношение площади сечения прорези в колпачке к площади поперечного сечения колонны определяем по формуле.

где — площадь поперечного сечения колонны, .

По таблице 3 принимаем, тогда.

Фактическая скорость пара в прорезях, м/с, составит.

при этом полное открытие прорезей будет обеспечено, так как. (10>3.53).

Сопротивление сухой тарелки для нижней части колонны в соответствии с формулой (1.36) составит.

Сопротивление сил поверхностного натяжения, Па, рассчитывается по формуле.

где — поверхностное натяжение жидкости, Н/м, для нижней части колонны принимаем для бензола при по таблице XXIV [2]; - эквивалентный диаметр отверстия, м, определяется для колпачковых тарелок как.

где П — периметр прорези, м, определяется по формуле.

где — высота и ширина прорези, м.

По таблице 3 принимаем, тогда.

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения для нижней части колонны в соответствии с формулой (1.41) составит.

Статическое сопротивление слоя жидкости, Па, на колпачковой тарелке рассчитывается по уравнению.

где g — ускорения свободного падения,; k — относительная плотность пены (принимаем k=0.5); - плотность жидкости,; l — расстояние от верхнего края прорези до сливного порога, м, принимаем l=0.02 м; - высота прорези, м, принимаем м по таблице 3; - высота уровня жидкости над сливным порогом, м, определяется по формуле.

где К — коэффициент, учитывающий увеличение скорости и сужения потока жидкости в результате сжатия его стенками при подходе к сливной перегородке; - часовой объемный расход жидкости в нижней части колонны,; L — длина сливного борта тарелки, м, принимаем L=1.14 м по таблице 3.

Объемный расход жидкости в нижней части колонны, , рассчитывают по уравнению.

Тогда часовой объемный расход жидкости составит.

При этом нагрузка по жидкости на единице длины сливной перегородки составит.

Фактическая нагрузка не превышает допустимую (65) [4], что должно обеспечивать равномерное распределение пара по сечению тарелки.

Коэффициент К определяется по графику, изображенному на рисунке 10 [3 ст.46] в зависимости от — нагрузка по жидкости на единицу длины сливной перегородки и :

при.

Тогда высота уровня жидкости над сливным порогом согласно формуле (1.45) составит.

Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке в нижней части колонны (при) согласно уравнению (1.44) составит.

Общее сопротивление тарелки по формуле (1.35) составит.

Сопротивление всей тарельчатой части колонны по формуле (1.34).

Минимально допустимое расстояние между тарелками, необходимое для нормальной работы тарелок должно удовлетворять условию.

В нашем случае.

Принятое расстояние между тарелками полностью обеспечивает нормальную работу гидрозатвора в переливном устройстве тарелки.

Тепловой расчет ректификационной колонны Расход теплоты, получаемой кипящей жидкостью от конденсирующего пара в кубе-испарителе, Вт, определяется по формуле.

Значение теплоемкости, необходимые для расчета, находим по формуле (2.2) при соответствующих температурах.

Температура исходной смеси, кубового остатка и дистиллята; теплоемкости ацетона и бензола при этих температурах определяем по номограмме XI [2].

Подставляя соответствующие значения по формуле (2.2) рассчитываем теплоемкости смесей.

Удельная теплота конденсации дистиллята рассчитывается по формуле.

при, тогда.

Количества тепла, отнимаемого охлаждающей водой от конденсирующегося в дефлегматоре пара, определяется по формуле.

Тогда.

Тепловые потери колонны в окружающую среду, Вт, определяются по формуле.

где наружная поверхность изоляции колонны,; суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением, температура наружной поверхности стенки колонны, принимаем температура воздуха в помещении, принимаем.

Наружную поверхность изоляции колонны рассчитываем по формуле.

Суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением ориентировочно определяется как.

Потери тепла в окружающую среду составят:

Расход теплоты в кубе колонны с учетом тепловых потерь, согласно формуле (2.1), составит.

Расход греющего пара (принимаем влажность 5%) находим согласно формуле.

Расход воды в дефлегматоре при нагревании ее на 20:

Расход воды в холодильнике дистиллята при нагревании ее на.

Расход воды в холодильнике кубового остатка при нагревании ее на.

Общий расход воды в ректификационной установке:

Или.

.

Вода из этих трех аппаратов может быть направлена в систему горячего водоснабжения.

Расчет тепловой изоляции колонны Количество теплоты, теряемое колонной в окружающую среду, рассчитывается, исходя из упрощенного соотношения (для плоской стенки) по уравнению.

где теплопроводность материала изоляции, Вт/(м*К); толщина изоляции, м; температура внутренней поверхности изоляции, принимаем ее ориентировочно на 10−20 ниже средней температуры в колонне, т. е. .

В качестве изоляции берем асбест, коэффициент теплопроводности которого [2, таблица XXVIII].

Из формулы (2.12) определяем толщину изоляции.

Проверяем температуру внутренней поверхности изоляции.

Расхождение 63.05 — 63=0.5,.

При расхождении более чем на один градус расчет необходимо повторить, задаваясь другими значениями температуры внутренней поверхности изоляции.