Расчёт ректификационной колонны

Введение

Ректификация - один из способов разделения жидких смесей основанный на различном распределении компонентов смеси между жидкой и паровой фазами. В качестве аппаратов служащих для проведения ректификации используются ректификационные колонны - состоящие из собственно колонны, где осуществляется противоточное контактирование пара и жидкости, и устройств, в которых происходит испарение жидкости и конденсация пара — куба и дефлегматора. Колонна представляет собой вертикально стоящий полый цилиндр внутри которого установлены так называемые тарелки (контактные устройства различной конструкции) или помещен фигурный кусковой материал — насадка. Куб и дефлегматор — это обычно кожухотрубные теплообменники (находят применение также трубчатые печи и кубы-испарители.

Назначение тарелок  и насадки - разделение межфазной  поверхности и улучшение контакта между жидкостью и паром. Тарелки, как правило, снабжаются устройством для перелива жидкости. В качестве насадки ректификационных колонн обычно используются кольца, диаметр которых равен их высоте.

Как в насадочных, так  и в тарельчатых колоннах кинетическая энергия пара используется для преодоления гидравлического сопротивления контактных устройств и для создания динамической дисперсной системы

пар — жидкость с большой межфазной поверхностью. Существуют также ректификационные колонны с подводом механической энергии, в которых дисперсная система создаётся при вращении ротора, установленного по оси колонны. Роторные аппараты имеют меньший перепад давления по высоте, что особенно важно для вакуумных колонн.

По способу проведении различают - непрерывную и периодическую ректификацию. В первом случае разделяемая смесь непрерывно подается в ректификационную колонну, а из колонны непрерывно отводятся две или более число фракций, обогащенных одними компонентами и обедненных другими. Полная колонна состоит из двух секций укрепляющей и исчерпывающей. Исходная смесь (обычно при температуре кипения) подается в колонну, где смешивается с так называемой извлеченной жидкостью, стекающей по контактным устройствам (тарелкам или насадке) исчерпывающей секции противотоком к поднимающемуся потоку пара. Достигая низа колонны, жидкость обогащается тяжелолетучими компонентами. В низу жидкость частично испаряется в результате нагрева подводящимся теплоносителем, и пар снова поступает в исчерпывающую секцию. Пройдя её, обогащенный легколетучими

 

компонентами, пар поступает  в дефлегматор, где обычно полностью  конденсируется подходящим хладагентом. Полученная жидкость делится на два потока - дистиллят и флегму. Дистиллят является продуктовым потоком, а флегма поступает на орошение укрепляющей секции, по контактным устройствам которой стекает. Часть жидкости выводится из куба колонны в виде так называемого кубового остатка (также продуктовый поток).

Если исходную смесь нужно разделить непрерывным способом на число фракций больше двух, то применяется последовательное либо параллельно - последовательное соединение колонн.

При периодической ректификации исходная жидкая смесь единовременно загружается в куб колонны, ёмкость которая соответствует желаемой производительности. Пары поступают в колонну и поднимаются к дефлегматору, где происходит их конденсация. В начальный период весь конденсат возвращается в колонну, что отвечает режиму полного орошения. Затем конденсат делится на дистиллят и флегму. По мере отбора дистиллята (либо при постоянном флегмовом числе, либо с его изменением из колонны выводятся сначала легколетучие компоненты, затем среднелетучие и так далее). Нужную фракцию (или фракции) отбирают в соответствующий сборник. Операция продолжается до полной переработки первоначально загруженной смеси.

Основные области промышленного  применения ректификации — получение  отдельных фракций и индивидуальных углеводородов из нефтяного сырья в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, окиси этилена, акрилонитрила, акрилхлорсиланов - в химической промышленности. Ректификация широко используется и в других отраслях народного хозяйства: коксохимической, лесохимической, пищевой, химико — фармацевтической промышленностях.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Техническое задание № 43

Тема:  Ректификация: разделение смеси хлороформ-1,2 дифлорэтан при  атмосферном давлении.

Рассчитать диаметр, высоту, гидравлическое сопротивление ректификационной колонны. Рассчитать тепловой баланс и расход греющего пара, охлаждающей воды.

Рассчитать и выбрать теплообменник  для подогрева исходной смеси  кубовым остатком

Основные данные: расход кубового остатка  , мольные составы , ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Описание  технологической схемы

Исходная  смесь из промежуточной ёмкости Е1 центробежным насосом H1 подаётся в теплообменник П, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в середину ректификационной колонны КР 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 К. 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 Д путём конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике Х2 и направляется в промежуточную ёмкость ЕЗ.

Из кубовой  части колонны насосом непрерывно выводится кубовая жидкость -продукт, обогащённый труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике X1 и направляется в ёмкость Е2.

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).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.  Диаграммы y-x, t-x

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 приложении №1 приведены диаграммы указанных свойств бинарной системы хлороформ-1,2дихлорэтан. 

 

 

 

2. Технологические расчеты  

2.1 Расчет ректификационной  колонны.

Необходимо рассчитать ректификационную насадочную колонну с керамическими седлами  Бегля для разделения смеси хлороформ – 1,2 дихлорэтан под атмосферным давлением и определить её основные геометрические размеры (диаметр и высоту).

2.1.1 Материальный баланс.

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

                                                                                  (1)

   (2)

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

Отсюда найдем:

  

Нагрузка ректификационной колонны  по пару и жидкости определяется рабочим  флегмовым числом. Для  его расчета  используют приближенные вычисления, основанные на определении коэффициента избытка флегмы . 

 (3)

где R_min – минимальное флегмовое число. 

При этом:

  (4)

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

По диаграмме y-x находим при соответствующем значении , таким образом .

Тогда:

                              

Используя (3) найдем, что:

                              

Найдем уравнение рабочих линий:

а) для верхней (укрепляющей) части  колонны:

 (5)

б) для нижней (исчерпывающей) части  колонны:

 (6)

где F – относительный мольный расход питания.

    (7)

Таким образом получим уравнение  нижней части:

Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости для верхней и нижней частей колонны определяют по формулам:

     (8)

 (9)

где -  мольные массы дистиллята, кубового остатка и питания исходной смеси определяют по формулам:

 (10)

где , - мольные массы исходных веществ, ; индекс i – относится соответственно к дистилляту, кубовому остатку и питанию.

  

Средние мольные массы жидкости  в верхней части колонны находят  по формулам:

 (11)

 (12)

где и - средний мольный состав жидкости соответственно в верхней и нижней части колонны:

Таким образом получим:

Подставляя величины в уравнение (8) и (9) получим:

Средние массовые потоки пара в верхней  и нижней частях колонны:

 (13)

  (14)

где - средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны:

 

 

Средние концентрации пара найдём по уравнениям рабочих линий:

а) в верхней части колонны:

б) в нижней части колонны:

Тогда получим:

Подставив полученные величины в уравнения (13) и (14) имеем:

Определим средние плотности пара в верхней и нижней частях колонны:

 (15)

 (16)

где , - средние температуры пара, определяемые по приложению №1 по значениям и :

 при 

 при 

Тогда получим:

Средняя плотность пара в  колонне:

Объёмный расход  пара:

  (17)

 (18)

Плотности ,   определяют по формуле:

 (19)

где ,   - плотности легколетучего и труднолетучего компонентов при соответствующих температурах,

Тогда объёмный расход жидкости:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.1.2 Расчет теплового  баланса установки

Тепловой баланс ректификационной колонны выражается общим уравнением:

 (20)

где Q_деф – расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре, Q_к – расход теплоты в кубе-испарителе, Q_D и Q_W - уход тепла с дистиллятом и кубовой жидкостью, Q_F – ход тепла с исходной смесью; - средние удельные теплоёмкости; - температуры соответствующие дистилляту, кубовому остатку и исходной смеси.

Определим Q_деф по формуле:

 (21)

где - удельная теплота конденсации смеси при . Температуру найдем по приложению №1 при , 

Найдем удельную теплоту конденсации  паров дистиллята по аддитивной формуле:

 (22)

где  - удельные теплоты конденсации паров веществ А и В при температуре дистиллята , ; - массовая доля легколетучего компонента в парах дистиллята (при использовании дефлегматора  ).

 

 

Тогда :

Получим :

Удельные теплоемкости питания, кубового остатка и дистиллята определяется по аддитивным формулам:

 (23)

 (24)

 (25)

где - удельные теплоемкости питания, кубового остатка и дистиллята при соответствующих температурах и находятся по [рис. XI стр. 562 ,1].

 и   ,  при

 и   ,  при

   и   ,  при

Теперь рассчитаем удельные теплоёмкости смеси:

Найдем:          

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.1.3 Скорость пара и  диаметр колонны.

Выбор 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 20-30 % ниже скорости захлёбывания. Предельную фиктивную скорость пара , при которой происходит захлёбывание насадочных колонн, определяют по уравнению: