Проектирование ректификационной установки для разделения смеси бинарной бензол - уксусная кислота, производительностью по дистилляту 200 кг/ч
Проектирование
ректификационной установки для разделения смеси бинарной бензол - уксусная
кислота, производительностью по дистилляту 200 кг/ч
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, емкость, 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.
Задание по курсовому проектированию
Спроектировать ректификационную установку для непрерывного разделения
смеси: бензол - уксусная кислота под атмосферным давлением. Сделать подробный
расчет ректификационной колонны и водяного холодильника кубового остатка (режим
движения теплоносителей - турбулентный). Куб-испаритель, подогреватель исходной
смеси, холодильник дистиллята и воздушный дефлегматор рассчитать приближенно,
используя коэффициенты теплопередачи из «Примеров и задач…». Выбрать
стандартные аппараты. Сделать чертеж общего вида холодильника и эскиз
технологической схемы установки.
Исходные данные для расчета
. Колонна насадочная
2. Производительность установки по дистилляту 270 кг/час
. Концентрация легколетучего компонента в исходной смеси 10 % масс
. Концентрация легколетучего компонента в дистилляте 68 % масс
. Концентрация легколетучего компонента в кубовом остатке 1 % масс
. Температура исходной смеси 25 С°
. Давление греющего пара 3.5 атм. (изб.).
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).
2. Расчёты
.1 Расчёт ректификационной колонны
Материальный баланс колонны
Производительность колонны по кубовому остатку и дистилляту определим из
уравнений материального баланса колонны:
Отсюда
находим:
Мольные
доли воды в дистилляте, исходной смеси и в кубовой жидкости:
Расход
исходной и кубовой жидкости:
Рабочее
флегмовое число
Нагрузки
ректификационной колонны по пару и жидкости определяются рабочим флегмовым
числом R. Минимальное флегмовое число Rmin определяем
по формуле:
где
и - мольные
доли легколетучего компонента соответственно в исходной смеси и дистилляте; - концентрация легколетучего компонента в паре,
находящемся в равновесии с исходной смесью,
Рабочее
флегмовое число:
Относительный
мольный расход питания:
Уравнения
рабочих линий:
а)
верхней (укрепляющей) части колонны
б)
нижней (исчерпывающей) части колоны
Диаграмма х-у с рабочими линиями
Расчёт средних физических величин для смеси
Средние мольные доли бензола по колонне:
Средние
мольные доли паров бензола по колонне (определяется по уравнениям рабочих
линий):
Средние
мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равны:
Мольные
массы исходной смеси и дистиллята:
Средние
массовые доли бензола в верхней и в нижней частях колонны:
Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости для верхней и нижней
частей колонны определим из соотношений:
Средние
массовые потоки пара в верхней и нижней
частях колонны соответственно равны:
Средние
мольные массы паров в верхней и нижней части колонны:
Из
этого следует:
Средние температуры пара и жидкости определяем по диаграмме t - x, y:
Для пара:
а)
при
б)
при
Для
жидкости:
а)
при
б)
при
Плотности
паров по колонне:
, где
Плотность
жидкой смеси в колонне:
Вязкости жидкой смеси находим по уравнению:
Поверхностное
натяжение жидкой смеси:
Коэффициент
диффузии в паровой фазе:
где
T - средняя температура в соответствующей части
колонны, К;
и - мольные объемы компонентов в жидком состоянии при
температуре кипения
Мольные
объемы компонентов находим как сумму атомных объемов:
Коэффициент
диффузии в жидкости при средней температуре:
Коэффициент
диффузии при 20 °С можно вычислить по приближенной формуле:
где A, B - коэффициенты, зависящие от свойств растворенного вещества
и растворителя;
Вязкость смеси при температуре 20 °С:
Тогда
коэффициент диффузии в жидкости для верхней части колонны при 20 °С равен:
Для
нижней части колонны:
Температурный
коэффициент b определим по формуле:
где
и принимают
при температуре 20 °С
Плотность
жидкой смеси при температуре 20 по Цельсию:
Верхняя
часть колонны
Нижняя
часть колонны:
Отсюда:
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:
где
- предельная скорость пара в критических точках, м/с;
а - удельная поверхность насадки, м2/м3; ε - свободный объём насадки, м3/м3; μх - динамический коэффициент вязкости жидкости, мПа∙с;
и - массовые
расходы жидкой и паровой (газовой) фаз, кг/с; и - плотность пара и жидкости соответственно, кг/м3; А
и В - коэффициенты.
Выбираем
кольца Рашига 50 мм:
Верх:
Низ:
Рабочая скорость пара (газа) рассчитывается по соотношению:
Для определения диаметра колонны пользуются формулой:
где
- объёмный расход пара (газа) при рабочих условиях в
колонне, м3/с.
Выбираем
стандартный аппарат с диаметром 0.4 м для обеих частей колонны и уточняем
рабочую скорость пара и
Уточнённую
рабочую скорость проверяют по графической зависимости Эдулджи, где комплексы Y и X
имеют следующий вид:
где
- критерий Фруда рассчитывается по номинальному
размеру насадки d (м); -
критерий Рейнольдса (условный), также рассчитывается по номинальному размеру d; и -
соответственно плотность воды и орошаемой жидкостью, кг/м3.
где
и -
объёмные расходы жидкости и пара (газа), м3/с; U - плотность
орошения.
Расчет плотности орошения производится по формуле:
где
U - плотность орошения, м3/(м2∙с); Vx -
объёмный расход жидкости, м3/с; S - площадь поперечного сечения колонны, м2.
Критерий Рейнольдса:
Критерий Фруда:
Рассчитаем
комплексыY и X:
Точки
(Xв,Yв) и (Xн, Yн) лежат ниже линии захлебывания, которая
соответствует неустойчивому режиму работы. Это означает, что работа колонны
устойчива и выбор диаметра колонны правильный.
Определение гидравлического сопротивления 1 м насадки:
где
скорость пара (газа) в свободном сечении насадки
(действительная);
В
результате получаем:
Полученный
результат меньше допустимого, следовательно, необходимые параметры выбраны
верно!
Активная
поверхность насадки. При нагрузках ректификационной насадочной колонны ниже
точки подвисания в большинстве случаев не вся поверхность насадки смочена
жидкостью и не вся смоченная поверхность активна для процесса массопереноса.
Доля активной поверхности насадки, участвующей в процессе массопереноса.
Определяется по соотношению:
где
U - плотность орошения, м3/(м2с)
a - удельная
поверхность насадки, м2/м3
p и q - постоянные, зависящие от типа и
размера насадки (кольца Рашига 50 мм: 1.019 10-5 и 0.0086)
При
расчете были соблюдены минимальные допустимые значения , следовательно, были правильно выбраны диаметр
колонны и размер насадки кольца Рашига 50 мм.
Расчет высоты насадки и колонны.
Высоту насадки Н рассчитываем по модифицированному уравнению
массопередачи.
Общее
число единиц переноса вычисляют по уравнению:
Обычно
этот интеграл определяют численными методами или методами графического интегрирования.
Используем численный метод трапеции и программный код Mathcad находим
общее число единиц переноса в верхней и нижней части колонны:
Находим общую высоту единиц переноса:
где
- тангенс угла наклона рабочей линии или удельный
расход жидкой фазы,. и -
частные высоты единиц переноса по паровой и жидкой фазам, м.
Высота
единицы переноса по паровой фазе:
где
- высота единицы переноса по паровой фазе, м; ψ- коэффициент, определяемый по рис; - диффузионный критерий Прандтля; - массовая плотность орошения, ; -
массовый расход жидкости, ; D - диаметр колонны, м; z - высота
насадки одной секции (z не должна превышать - 3 м), м; , -
динамический коэффициент вязкости жидкости, мПа∙с;;
,
и - поверхностное натяжение воды при и жидкости при средней температуре в колонные, .
Высота
единицы переноса для жидкой фазы:
ректификационная колонна смесь бензол
где
- высота единиц переноса по жидкой фазе, м; Ф и с -
коэффициенты, определяемые по рис. из учебных пособий; - диффузионный эффект Прандтля. Выбранные коэффициенты
из графика:
в:
Ф =0,05 , с =1 , =200 ,
н:
Ф =0,05 , с =1 , =215 ,
Рассчитаем высоту чисел переноса по жидкости:
.
.
Тогда высота чисел переноса по пару равна:
Общая высота единиц переноса для верхней и нижней частей колонны:
Высота насадки для верха и низа колонны:
Общая высота насадки колонны:
Общую высоту колонны определяют по формуле:
где
- высота насадки одной секции, м; - число секций (); - высота промежутков между секциями, м; и - высота
сепарационного пространства над насадкой и расстояние между днищем колонны и
насадкой, соответственно, м.
В соответствии с рекомендациями:
Диаметр колонны, м
|
, м, м
|
|
0,4 - 1,0
|
0,6
|
1,5
|
Величина
зависит от размеров распределительных тарелок (ТСН-3)
и при проектировании м.
Тогда
общая высота колонны будет:
Расчет
гидравлического сопротивления колонны
Гидравлическое
сопротивление насадки при пленочном режиме находят по приближенному
соотношению:
где
b - коэффициент;
U - плотность
орошения
Тепловой баланс ректификационной колонны
Тепловой баланс ректификационной колонны выражается общим уравнением:
где
QK - тепловая нагрузка куба; QD -количество
теплоты, передаваемой от пара к воде; Qпот - 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»): , ,
Найдем удельную теплоту конденсации паров дистиллята по аддитивной
формуле:
Определим
тепловую нагрузку дефлегматора:
Определим теплоёмкости смеси:
При температуре кипения кубовой жидкости:
При температуре кипения дистиллята:
При
температуре кипения исходной смеси:
Тогда:
2.2
Приближённый расчёт теплообменной аппаратуры
В
качестве греющего агента выберем пар абсолютным давлением 3.5 кг·с/см2, выбор
обусловлен тем, что разница между температурой кипения кубовой жидкости и пара
должна составлять 20-25 градусов
Примем, что вода имеет начальную температуру 10°С.
Произведем ориентировочные расчеты пяти теплообменников: куба-
испарителя, подогревателя и двух холодильников (дистиллята и кубового остатка).
Куб-испаритель
Исходные данные:
Q=83430
Вт - тепловой баланс куба - испарителя
tг.п.=
147°С - температура конденсации водяного пара
tW=117.576
°С - температура кипения кубовой жидкости
Средняя движущая сила:
Для
куба-испарителя коэффициент теплопередачи Кор=1000Вт/(м2.К):
Определим
поверхность теплообмена по формуле:
Расход
греющего пара:
Характеристика
выбранного теплообменника:
Диаметр
кожуха
Общее
число труб (25×2 мм)
Число
ходов
Длина
труб
Площадь
поверхности теплообмена
Дефлегматор
Исходные
данные:
QD=74950 Вт
tD=85.258°С -
температура конденсации дистиллята
Примем,
что воздух имеет начальную температуру tвнач=20 °ر è يàمًهâàهٌٍے
يà 40 °ر
خïًهنهëèى
ًٌهني نâèوَùَ ٌèëَ
ïًîِهٌٌà è ًٌهني ٍهىïهًàًٍََ âîنû:
Δtل=tD-tâيà÷=85.258-20=65.258 °ر
Δtى=tD-tâêîي=85.258-40=45.258°ر
دîâهًُيîٌٍü ٍهïëîîلىهيà (تîً=50آٍ/(ى2.ت):
زهïëî¸ىêîٌٍü âîçنَُà ïًè همî ًٌهنيهé ٍهىïهًàًٍَه:
ذàٌُîن îُëàونàùهé âîنû:
ؤèàىهًٍ
êîوَُà
خلùهه ÷èٌëî
ًٍَل
(20×2 ىى)
×èٌëî
ُîنîâ
ؤëèيà ًٍَل
دëîùàنü ïîâهًُيîٌٍè ٍهïëîîلىهيà
صîëîنèëüيèê نèٌٍèëëےٍà
بٌُîنيûه نàييûه:
- ًàٌُîن
نèٌٍèëëےٍà
tD=85.258°ر
-
يà÷àëüيàے
ٍهىïهًàًٍَà نèٌٍèëëےٍà
têîي=20 °ر - êîيه÷يàے
ٍهىïهًàًٍَà نèٌٍèëëےٍà
tâيà÷=15 °ر
-
يà÷àëüيàے
ٍهىïهًàًٍَà âîنû
tâêîي=30 °ر - êîيه÷يàے
ٍهىïهًàًٍَà âîنû
خïًهنهëèى
ًٌهني نâèوَùَ ٌèëَ ïًîِهٌٌà:
Δtء=tD-tâêîي=85.258-30=55.258 °ر
Δtج=têîي-tâيà÷=20-15=5°ر
رًهنيےے
ٍهىïهًàًٍَà è ٍهïëî¸ىêîٌٍü âîنû: