Расчёт ректификационной колонны
Введение
Ректификация - это тепло и массообменный процесс, применяемый для
разделения жидких смесей, компоненты которых различаются по температурам
кипения.
Процесс осуществляется при контактировании потоков пара и жидкости,
которые имеют разные составы и температуры: пар имеет более высокую
температуру, чем вступающая с ним в контакт жидкость [1].
Физическая сущность процесса ректификации заключается в двустороннем
массо- и теплообмене между неравновесными потоками пара и жидкости при высокой
турбулизации поверхности контактирующих фаз. В результате массообмена пар
обогащается низкокипящими, а жидкость - высококипящими компонентами. При
определённом числе контактов можно получить пары, состоящие в основном из
низкокипящих, а жидкость - из высококипящих компонентов [2].
При достаточно большом времени контакта пар и жидкость могут достичь
состояния равновесия.
В реальных условиях равновесие уходящих из контактной зоны потоков пара и
жидкости может не достигаться.
Процесс ректификации может осуществляться по периодической и непрерывной
схемам.
При периодической ректификации смесь разделяют на отдельные компоненты
(или фракции, кипящие в определенном интервале температур) путём
последовательного их отбора при изменяющихся во времени рабочих параметрах
процесса.
Ректификация по непрерывной схеме позволяет одновременно получать два и
более продуктов при стационарных условиях процесса [1].
Процесс ректификации осуществляют в аппаратах - ректификационных
колоннах. Для создания потока паров в нижнюю часть колонны подводят тепло, а
поток жидкости (орошения, флегмы) создают путём отвода тепла из верхней части
колонны, конденсируя соответствующее количество паров.
Часть колонны, служащая для выделения низкокипящих компонентов,
называется концентрационной, или укрепляющей, другая часть, в которой
выделяются высококипящие компоненты, называется исчерпывающей, или отгонной.
Между этими основными частями колонны находится место ввода сырья (тарелка
питания, секция питания, эвапорационное пространство) [1].
В нефтеперерабатывающей промышленности в основном применяют
ректификационные колонны непрерывного действия.
Различают простые и сложные колонны.
Простые колонны обеспечивают разделение исходной смеси (сырья) на два
продукта: ректификат (дистиллят) - продукт, обогащенный низкокипящими
компонентами, кубовый остаток - продукт, обогащенный высококипящими
компонентами.
Для разделения многокомпонентных и непрерывных смесей требуется система
колонн, каждая из которых разделяет поступающую смесь на соответствующие
компоненты.
Основными рабочими параметрами процесса ректификации являются давление и
температура в системе, соотношение потоков жидкости и пара (флегмовое число),
число контактных ступеней. При соответствующем выборе этих параметров
обеспечивается разделение исходной смеси на компоненты, удовлетворяющие
определённым требованиям [1].
1. Технологическая схема процесса ректификации
Технологическая схема процесса ректификации приведена на рисунке 1.1.
-
ректификационная колонна; 2- подогреватель; 3 - кипятильник; 4 - дефлегматор; 5
- холодильник; 6 - тарелка
Рисунок
1.1 - Технологическая схема процесса ректификации
Для
непрерывного проведения ректификации необходимо, чтобы поступающая на
разделение смесь соприкасалась со встречным потоком пара с несколько большей
концентрацией высококипящего компонента, чем в жидкой смеси. Поэтому исходную
смесь подают в то место ректификационной колонны 1, которое соответствует этому
условию. Место ввода исходной смеси, нагретой до температуры кипения в подогревателе
2, называют тарелкой питания. Поток пара, поднимающегося по ректификационной
колонне, поддерживается испарением части кубовой жидкости в кипятильнике 3, а
поток жидкости, текущей по колонне сверху вниз, - возвратом части флегмы,
образующейся при конденсации выходящих из колонны паров в дефлегматоре 4.
Конструкция
тарельчатой ректификационной колонны и массообменных тарелок
В
промышленности применяют колпачковые, ситчатые, насадочные, пленочные трубчатые
колонны и центробежные пленочные ректификаторы. Они различаются в основном
конструкцией внутреннего устройства аппарата, назначение которого - обеспечение
взаимодействия жидкости и пара. Таким образом, более подробно рассмотрим виды и
конструкции тарелок [2].
Колпачковые
желобчатые тарелки. Тарелки. этого типа применяются в колоннах диаметром от
1000 мм и более при расстояниях между тарелками 450 мм и более. Рабочая часть
тарелки, укомплектована съемными желобами и колпачками. Для перетока жидкости
служат переливные устройства (одно- или двухпоточные). Основные размеры тарелок
регламентированы отраслевой нормалью Н 439 - 58. Вплоть до настоящего времени
тарелки этого типа находятся в эксплуатации в колоннах различного
технологического назначения. Единственным их практическим преимуществом
является относительно небольшое число желобов и колпачков, которые требуется
устанавливать при монтажных и ремонтных работах. В остальном все показатели
этих тарелок низки, поэтому тарелки желобчатого типа повсеместно заменяют более
современными [2].
Колпачковые
тарелки с капсульными колпачками. Тарелки этого типа могут быть установлены в
колоннах диаметром 400 мм и более, расстояние между тарелками от 200 мм и
более. Тарелки могут иметь неразборную и разборную конструкции. Тарелки
неразборной конструкции уплотнены в корпусе колонны периферийным сальником с
набивкой из асбестового шнура.
По сравнению с желобчатыми колпачковые капсульные тарелки имеют примерно
на 20% большую производительность, высокую эффективность, широкий рабочий
диапазон (более 4) и меньшую металлоемкость (60 - 90 кг/м2 против 110 - 130
кг/м2) .
Хотя по производительности тарелки этого типа уступают тарелкам других
современных типов и сравнительно трудоемки в изготовлении и монтаже, они
находят применение благодаря универсальности областей практического
использования и неприхотливости в эксплуатации [2].
Тарелки
колпачковые из S-образных элементов. Диаметр колпачковых тарелок равен 1000 -
8000 мм. Расстояние между тарелками составляет 450 мм и более. Полотно тарелки
набрано из элементов S-образного профиля, при сборке которых образуются каналы
для прохода пара. Жидкость движется единым потоком и частично направляется
паром в сторону слива, вследствие чего уменьшается градиент уровня жидкости на
тарелке. Благодаря жесткости S-образных элементов, металлоемкость тарелок этого
типа относительно невелика (55 - 90 кг/м2). По эффективности они находятся на
одном уровне с колпачковой капсульной тарелкой, но производительность их на 20
- 30% выше [2].
Клапанные
прямоточные тарелки. Применяются в колоннах диаметром 1000 мм и более при
расстоянии между тарелками не менее 450 мм. По сравнению с S-образными тарелками они позволяют
повысить производительность колонн примерно на 20 - 25%. Диапазон, рабочих
нагрузок более 4. В области саморегулируемой работы клапанов тарелки обладают
относительно небольшим сопротивлением. Металлоемкость составляет 55 - 80 кг/м2
[2].
Жалюзийно-клапанные
тарелки. Тарелки применяются в колоннах диаметром 1000 мм и более при
расстоянии между тарелками, составляющем не менее 450 мм. Рабочие характеристики
практически аналогичны характеристикам клапанных прямоточных тарелок [2].
Сетчатые
тарелки с отбойными элементами из просечного листа. Полотно тарелки и наклонные
отбойники изготовлены из просечно-вытяжного листа. Свободное сечение полотна тарелки
следует выбирать исходя из отсутствия провала жидкости; свободное сечение
отбойников должно быть достаточно большим (не менее 30%), чтобы обеспечить
пропуск текущей по тарелке жидкости. Контакт фаз происходит в прямотоке и
частично в перекрестном токе на отбойниках. Благодаря относительно низкому
сопротивлению эти тарелки применяются в вакуумных колоннах. Металлоемкость
составляет 50 - 60 кг/м'.
Решетчатые
тарелки провального типа. Стандартные решетчатые тарелки применяются в колоннах
диаметром 400 мм и более при расстоянии между тарелками не менее 200 мм.
Тарелки этого типа не имеют специальных переливных устройств для
жидкости, поэтому конструкция их предельно проста. Производительность тарелок
провального типа примерно в 1,8 - 2 раза больше, чем колпачковых,
металлоемкость не превышает 40 - 50 кг/м2. По сравнению с колпачковыми эти
тарелки имеют меньшую эффективность и более узкий рабочий диапазон, который в
среднем равен 2. Обычно рекомендуется выбирать свободное сечение тарелок равным
15 - 20%. При меньшем свободном сечении несколько увеличивается эффективность
работы тарелок, однако, соответственно снижается их производительность.
Тарелки этого типа рекомендуются для применения в ректификационных
колоннах, где требуется относительно небольшое число тарелок и ожидается
сравнительно малое колебание рабочих нагрузок [2].
Сетчатые тарелки. Предназначены для колонн диаметром от 400 до 3600 мм
при расстоянии между тарелками 200 мм и более.
По сравнению
с колпачковыми производительность этих тарелок на 30 50% выше, а рабочий
диапазон уже и обычно не более 2,5. Металлоемкость составляет 65 - 50 кг/м2.
Тарелки весьма чувствительны к точности горизонтальной установки и не
рекомендуются для работы на загрязненных средах, т. к. при этом возможна
забивка отверстий [2].
жидкость
пар равновесный тарелка
3. Равновесные составы жидкости и пара
Исходные данные: содержание низкокипящего компонента в сырье хF = 0,3;
содержание низкокипящего компонента в дистилляте хD= 0,96;
содержание низкокипящего компонента в кубовом остатке хW = 0,03;
расход сырья GF = 1000 кмоль/ч.
Ректификационная колонна предназначена для разделения смеси ацетон -
этиловый спирт.
Равновесные составы жидкости и пара и температура кипения приведены в
таблице 3.1.
Таблица 3.1 - Равновесные составы жидкости и пара и температура кипения
х
|
0
|
5
|
10
|
20
|
30
|
40
|
50
|
60
|
70
|
80
|
90
|
100
|
у
|
0
|
15,5
|
26,2
|
41,7
|
52,4
|
60,5
|
67,4
|
73,9
|
80,2
|
86,5
|
92,9
|
100
|
t
|
78,3
|
75,4
|
73
|
69
|
65,9
|
61,8
|
60,4
|
59,1
|
58
|
57
|
56,1
|
. Материальный баланс процесса ректификации
Составляем уравнения материального баланса ректификационной колонны
непрерывного действия [4]
(4.1)
где
GF, GD, GW - мольные расходы сырья, дистиллята и кубового
остатка;
xF, xD, xW -
содержание низкокипящего компонента в сырье, дистилляте и кубовом остатке,
мольные доли.
Подставив
соответствующие параметры, получим
(4.2)
(4.3)
Решая
совместно уравнения (4.2) и (4.3), определяем мольные расходы дистиллята и
кубового остатка:
5. Флегмовое
число
Так как кривая равновесия не имеет точек перегиба, минимальное флегмовое
число определяем по формуле [4]
(5.1)
где
уF* - содержание низкокипящего компонента в паре,
равновесном с жидкостью в сырье, уF* = 0,524.
Подставив
соответствующие значения, получим
Определяем
рабочее число флегмы [4]
(5.2)
.
Уравнения рабочих линий и кривая равновесия пар-жидкость
Определяем
относительный мольный расход сырья [4]
(6.1)
Составляем
уравнение рабочей линии верхней (укрепляющей) части ректификационной колонны
(6.2)
Составляем
уравнение рабочей линии нижней (исчерпывающей) части ректификационной колонны
(6.3)
Строим
кривую равновесия пар-жидкость в координатах у*-х (рисунок 6.1).
Рисунок
6.1 - Кривая равновесия пар-жидкость
.
Молекулярная масса смеси, расходы флегмы и пара
Определяем
расход флегмы [4]
(7.1)
Определяем
мольный расход пара, одинакового по высоте колонны [4]
(7.2)
Определяем
молекулярные массы смеси в верхней и нижней частях колонны [4]
(7.3)
где
МА, МЭС - молекулярные массы ацетона и этилового спирта соответственно, МА =
58,08 кг/кмоль, МЭС = 46,07 кг/кмоль
хi -
содержание низкокипящего компонента в кубовом остатке или дистилляте.
Подставив
значения, получим
Определяем
массовый расход пара для верхней и нижней частей колонны [4]
(7.4)
По
таблице 3.1 интерполированием определяем температуру верха и низа колонны,
получим
Определяем
плотность пара в верхней и нижней частях колонны [4]
(7.5)
Определяем объёмный расход пара для верхней и нижней частей колонны [4]
(7.6)
.
Определение числа тарелок
После
построения рабочих линий для нижней и верхней частей колонны (пункт 6), строим
с верхней точки теоретические тарелки (рисунок 6.1).
Находим
на графике необходимое число ступеней изменения концентрации.
Получаем
в верхней части колонны 16 ступеней, в нижней - 4, всего 20.
Определяем
коэффициенты динамической вязкости ацетона и этилового спирта при
соответствующих температурах верха и низа колонны по номограмме V
[4]:
Определяем
коэффициенты динамической вязкости жидкости в верхней и нижней частях колонны
по формуле Аррениуса [4]
(8.1)
Определяем
коэффициент летучести [4]
(8.2)
где
Т2, Т1 - температуры кипения этилового спирта и ацетона соответственно,
Т2
= 351,46 К;
Т1
=329,16 К.
Подставив
значения, получим
Определяем
коэффициент полезного действия тарелок верха и низа колонны [4]
(8.3)
Определяем
средний коэффициент полезного действия тарелки
(8.4)
Определяем
число практических тарелок в верхней и нижней частях колонны [4]
(8.5)
где
nТ - теоретическое число тарелок.
Подставив
значения, получим
.
Диаметр колонны
Определяем
плотности ацетона и этилового спирта при температурах верха и низа колонны по
таблице V [5]:
Определяем
плотность жидкости верха и низа колонны [4]
(9.1)
Определяем
допустимую рабочую скорость пара в верхней и нижней частях колонны [4]
(9.2)
где
С - коэффициент зависящий от конструкции тарелок, расстояния между тарелками h,
рабочего давления в колонне, по рисунку 7.2 [4], для колпачковых тарелок при h =
400 мм С = 0,044.
Определяем
диаметры верхней и нижней частей колонны [4]
(9.3)
По
стандартному ряду диаметров колонн [4] принимаем dВ = 3600 мм, dН =
3600 мм. Диаметр колонны принимаем одинаковым по всей высоте колонны и равным
наибольшему из полученных значений d = 3600 мм.
Определяем
высоту тарельчатой колонны [4]
(9.4)
где
n - число тарелок в колонне, n = 37.
h - расстояние
между тарелками, h = 400.
Исходя
из полученного диаметра колонны, выбираем тарелки с параметрами, приведёнными в
таблице 9.1 [2].
Таблица
9.1 - Параметры тарелки
Параметр
|
Значение
|
Диаметр колонны, мм
|
3600
|
Общая длина слива, мм
|
2900
|
Рабочая площадь тарелки, %
|
61,6
|
Свободное сечение тарелки,
%
|
13,1
|
194
|
Диаметр колпачка, мм
|
150
|
Шаг колпачков, мм
|
190
|
Вес тарелки, кг
|
1000
|
Вычерчиваем схему колонны с основными размерами (рисунок 9.1).
Рисунок
9.1 - Схема колонны с основными размерами
Заключение
Тарельчатые
колпачковые колонны наиболее часто применяют в ректификационных установках.
При
проведении расчёта ректификационной колонны непрерывного действия для
разделения бинарной смеси (ацетон - этиловый спирт) в качестве тарелок были
выбраны колпачковые тарелки с круглыми колпачками.
Расчет
мольных расходов ввёлся исходя из уравнений материальных балансов (см.
уравнения (3.1) и (3,2)), которые справедливы для ректификационной колонны,
обогреваемой глухим паром.
При
определении числа теоретических тарелок был использован графический метод.
Число теоретических тарелок оказалось равным двадцати (шестнадцать для
укрепляющей части колонны и четыре для исчерпывающей части).
Число
практических тарелок оказалось равным 37 (тридцать для укрепляющей части
колонны и семь для исчерпывающей части).
При
таком количестве тарелок расстояние между верхней и нижней тарелками оказалось
равным Нт = 14,4 м.
Диаметр
колонны принят равным диаметру верхней части колонны, который оказался
наибольшим из двух рассчитанных d = 3,6 м.
Библиография
1 Г.Г.
Робинович, П.М. Рябых, П.А. Хохряков Расчёты основных процессов и аппаратов
нефтепереработки: 3 - е издание, переработанное и дополненное - М.: Химия,
1979. - 568 с.
И.А.
Александров Ректификационные и абсорбционные аппараты. - М.: Химия, 1971 - 296
с.
Ю.Н.
Дытнерский Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов,
издание 2 - е, часть 2. - М.: Химия, 1995. - 368 с.
К.Ф. Павлов,
П.Г. Романков, А.А. Носков Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов
химической технологии. - Л.: Химия, 1976. -552 с.
С.А. Зонис,
Г.А. Симонов Справочник химика, том 1. - Л.: Госхимиздат, 1963. - 1072 с.