Расчет тарельчатой ректификационной колонны производительностью 9000 кг/ч

По способу проведения 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 которой 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.

 

1. Описание технологической схемы

 

Принципиальная схема  ректификационной установки представлена на рис. 1. Исходную смесь из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подают в теплообменник 3, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси х_F.

Рисунок 1 - Принципиальная схема ректификационной установки:1 - ёмкость для исходной смеси; 2, 9 - насосы; 3 – теплообменник-подогреватель; 4 - кипятильник; 5 - ректификационная колонна; 6 - дефлегматор; 7 - холодильник дистиллята; 8 - ёмкость для сбора дистиллята, 10 - холодильник кубовой жидкости; 11 - ёмкость для кубовой жидкости.

 

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка х_W , 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) состава х_Р, получаемой в дефлегматоре 6 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в промежуточную емкость 8.

Из кубовой части колонны насосом 9 непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 10 и направляется в емкость 11.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента) и кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).

 

2. Технологический расчет

 

2.1 Расчет ректификационной колонны.

Необходимо рассчитать ректификационную колонну с ситчатыми тарелками  для разделения смеси бензол – уксусная кислота под атмосферным давлением и определить её основные геометрические размеры (диаметр и высоту).

 

2.1.1 Материальный баланс.

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

 

 

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

Отсюда найдем:

 кг/ч

= 9000 – 5494,7 = 3505,3 кг/ч

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

,

где – минимальное флегмовое число.

При этом:

где - мольные доли легколетучего компонента в жидкости,

- концентрация легколетучего компонента в паре, находящаяся в равновесии с жидкостью (питанием исходной смеси).

Пересчитаем составы  фаз из массовых в мольные доли по соотношению

где М_Б и М_у - молекулярные массы соответственно бензола и уксусной кислоты,  кг/кмоль.

  кмоль/кмоль смеси

 кмоль/кмоль смеси

 кмоль/кмоль смеси

Относительный мольный  расход

По данным строим равновесную  кривую бензол-толуол минимальное флегмовое число.

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

Уравнение рабочей линии  верхней укрепляющей части колонны:

Уравнение рабочей линии  нижней укрепляющей части колонны:

 Уравнение рабочей  линии верхней укрепляющей части колонны

Уравнение рабочей линии  нижней укрепляющей части колонны

 Уравнение рабочей  линии верхней укрепляющей части колонны

Уравнение рабочей линии  нижней укрепляющей части колонны

 Уравнение рабочей  линии верхней укрепляющей части колонны

Уравнение рабочей линии  нижней укрепляющей части колонны

β…………………1,05           1,35            1,75              2,35

R……………… 0,7            0,95            1,31              1,65

N………………   14.5       10,5           8,2               7,6

N(R+1)…………24,7           20,5          18,9              20,1

Строим зависимость N(R+1) от R. Минимальное произведение N(R+1) соответствует флегмовому числу R = 1,31.

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

,

.

где  М_D и М_F -  мольные массы дистиллята и исходной смеси.

  Мольную массу дистиллята в данном случае можно принять равной мольной массе легколетучего компонента – бензола.

М_D = 78,

кг/кмоль.

Средние мольные массы жидкости  в верхней и  нижней частях колонны находят по формулам:

,

,

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

,

.

Таким образом, получим:

 кг/кмоль,

 кг/кмоль.

Подставляя величины в уравнение и получим:

Средние массовые потоки пара в верхней  и нижней частях колонны:

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

Тогда получим:

Подставив полученные величины в уравнения и имеем:

 

Скорость пара и диаметр колонны

Допустимая  скорость в верхней и нижней частях колонны высчитывается по формуле:

Определим средние плотности пара в верхней и нижней частях колонны:

где , - средние температуры пара, определяемые таблице 1  по значениям и :

Тогда получим:

В рассматриваемом примере  плотности жидких бензола и уксусной кислоты

[1 c 541 т XLIV]

Средняя плотность жидкости в колонне:

= 870 кг/м³.

Подставляя величины в уравнение получим:

 
  

Так как скорости  и мало отличаются друг от друга, в расчете используем среднюю скорость паров:

 м/с

 

Ориентировочный диаметр колонны  определяем  из уравнения расхода:

Принимаем средний поток пара в колонне G,  равным  полусумме и :

 кг/с

   Средняя плотность пара  в  колонне:

 

Диаметр колонны

 м

Выбираем стандартный аппарат с диаметром 1,2 м и уточняем рабочую скорость:

  м/с

По каталогу для колонны  диаметром 1200 мм выбираем ситчатую тарелку ТС-Р со следующими конструктивными размерами:

Диаметр отверстий в  тарелке d₀………………………………..……5 мм

Шаг между отверстиями t………………………………………..…..15 мм

Свободное сечение тарелки F_c………………………………….……4,4 %

Высота переливного  порога h_п………………………………….……30 мм

Ширина переливного  порога b……………………………………….950 мм

Рабочее сечение тарелки S_Т…………………………………………..1,834 м²

 

Скорость пара в рабочем сечении тарелки

 м/с

 

Определение высоты светлого слоя жидкости на тарелке и паросодержания барботажного слоя.

Высоту светлого слоя жидкости h₀ для ситчатых тарелок находят по уравнению:

 

где  - удельный расход жидкости на 1 м ширины переливной перегородки, м²/с;

b – ширина переливной перегородки, м ;

h_пер – высота переливной перегородки, м;

σ_х, σ_В  - поверхностное натяжение жидкости  и воды соответственно;

μ_х – в мПа·с;           

.

Определим вязкость смеси  жидкости для нижней и верхней  части колонны по формуле:

,

 

где вязкости бензола и толуола соответственно.

Для верхней части  колонны