Главная База знаний "Allbest" Производство и технологии Розрахунок ректифікаційної колони безперервної дії для розподілу бінарної суміші бензол-толуол

Розрахунок ректифікаційної колони безперервної дії для розподілу бінарної суміші бензол-толуол

Перегонка як спосіб розділення рідких сумішей, її розподіл на просту перегонку (дистиляцію) і ректифікацію. Розрахунок кінетичних параметрів процесу ректифікації. Особливості процесу ректифікації, його основні змінні. Розрахунок ректифікаційної установки.

Рубрика Производство и технологии
Вид курсовая работа
Язык украинский
Дата добавления 26.11.2012
Размер файла 3,2 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Страница:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зміст

  • Вступ
  • 1. Загальні методичні положення
  • 2. Основна частина
  • 2.1 Основні рівняння процесу ректифікації
  • 2.2 Розрахунок ректифікаційної установки
  • 2.3 Графічна частина
  • 3. Апаратурне оформлення, типові режими і вимоги до автоматизації установок перегонки
  • 3.1. Основні рівняння процесу ректифікації
  • 3.2 Статична модель процесу
  • 3.3 Динамічна модель процесу
  • 3.4 Ректифікація багатокомпонентних сумішей
  • 3.5 Оптимізація процесу
  • 4. Приклад розрахунку ректифікаційної установки
  • 4.1 Основні умовні позначення
  • 4.2 Завдання на проектування
  • 4.3 Розрахунок насадки ректифікаційної колони
  • 4.4 Матеріальний баланс колони та визначення робочого флегмового числа
  • 4.5 Розрахунок швидкості пару та діаметру колони
  • 4.6 Розрахунок висоти насадки
  • 4.7 Розрахунок гідравлічного опору насадки
  • 4.8 Розрахунок тарілчастої колони ректифікації
  • 4.9 Розрахунок швидкості пари і діаметру колони
  • 4.10. Розрахунок висоти колони ректифікації
  • 4.11 Визначення світлого шару рідини
  • 4.12. Розрахунок коефіцієнтів масопередачі та висоти колони
  • Література

Завдання на курсову роботу

Розрахувати ректифікаційну колону безперервної дії для розподілу бінарної суміші бензол-толуол за слідуючими даними:

продуктивність по вихідній суміші F = N кг/с;

зміст летючого компоненту:

у вихідній суміші XF = (35*N) /10, % (масс.);

в дистиляті XP = (85* N) /10, % (масс.);

в кубовому залишку XW = (1,7* N) /10, % (масс.);

тиск у паровому просторі дефлегматора Р = 0,1 МПа.

N - остання цифра у заліковій книжці

Реферат

Перегонкою називається процес розділення суміші, що складається із двох або більшого числа летучих компонентів, що можливо, якщо летучість компонентів суміші різна. Суміш що розділяється підігрівається до кипіння і більш летучий компонент переходить із рідкої фази в парову, збагачуючи її летучим компонентом. Використання цього явища дозволяє розділити складні суміші на компоненти. Суміш яка не випарувалася, більш багата важко летучим або високо киплячим компонентом (ВК), називається залишком. Низько киплячий компонент (НК), отриманий в результаті конденсації його парів, називається дистилятом або ректифікатом.

Перегонка як спосіб розділення рідких сумішей розділяється на просту перегонку (дистиляцію) і ректифікацію, які можуть проводитися як періодичні так і неперервні технологічні процеси. Проста перегонка може бути фракційною (дробильною), молекулярною, рівно ваговою, із дефлегмацією або в струмі носія. Ректифікація може бути азеотропною, екстрактивною, молекулярною і використовується для більш повнішого розділення бінарних або багатокомпонентних сумішей. Ректифікацію розрізняють також по типах колон що використовуються - насадкових, тарілкових, для роботи у вакуумі, плівкових і роторних.

Вступ

Метою виконання курсової роботи з дисципліни "Виробничі процеси і об'єкти автоматизації" є практичне засвоєння методів та принципів розрахунку кінетичних параметрів процесу ректифікації, вивчення ряду особливостей процесу ректифікації (різне співвідношення навантажень по рідини і пару в нижній і верхній частинах колони, змінний по висоті коефіцієнт розподілу, спільне протікання процесів масо-і теплопередачі) та розрахунку ректифікаційної установки з використанням модифікованих рівнянь массопередачі (метод числа одиниці переносу та висоти одиниці переносу) та тарільчатої (з ліченими тарілками) колони з визначенням числа тарілок графоаналітичним методом (побудовою кінетичної лінії).

1. Загальні методичні положення

Курсовий проект з дисципліни "Виробничі процеси і об'єкти автоматизації ” студенти виконують з метою застосування теоретичних знань для розроблення окремих систем автоматизації технологічних процесів та засвоєння правил їх проектування.

При виконанні курсового проекту студент повинен вміти аналізувати технологічних процес, визначати вхідні та вихідні параметри, виявляти фактори, що визначають оптимальну умову технологічного процесу тощо.

Кожен студент одержує індивідуальне завдання на курсовий проект в якому вказують:

1. Конкретний технологічний процес;

2. Продуктивність технологічної апаратури.

3. Умови роботи технологічної апаратури.

4. Рівень автоматизації.

Додаткові дані для виконання курсового проекту студент одержує на основі детального вивчення технічної та патентної літератури, стандартів та інших нормативно-технічних документів на норми та правила проектування масообмін них процесів.

Курсова робота складається з описової (25 сторінок А4), графічної (1 аркуш А3), та включає:

1. Реферат;

2. Зміст;

3. Вступ;

4. Основна частина;

5. Висновок;

6. Список використаних джерел.

Реферат повинен містити: свідчення про обсяг записки, кількість ілюстрацій, таблиць, використаних літературних джерел, перелік ключових слів,. текст реферату.

У Вступі необхідно стисло охарактеризувати масообмін ний процес, що розглядається у даній курсовій роботі, а саме ректифікацію, ряд особливостей розрахунку процесу ректифікації та його проектування. Наявність узагальнених закономірностей для розрахунку кінетичних коефіцієнтів, навести та описати принципову схему процесу ректифікації. Потрібно також проаналізувати вдосконалення технології, обґрунтувати та сформулювати з цих позицій мету роботи, що виконується.

2. Основна частина

2.1 Основні рівняння процесу ректифікації

2.1.1 Основні змінні процесу ректифікації;

2.1.2 Гідродинамічна основа.

2.1.3 Статичні характеристики.

2.1.4 Динамічна модель процесу;

2.1.5 Ректифікація багатокомпонентних сумішей;

2.1.6. Оптимізація процесу.

2.2 Розрахунок ректифікаційної установки

2.2.1 Матеріальний баланс колони та визначення робочого флегмового числа

2.2.2 Розрахунок швидкості пару та діаметру колони

2.2.3 Розрахунок висоти насадки

2.2.4 Розрахунок гідравлічного опору насадки

2.2.5 Розрахунок тарілчастої колони ректифікації

2.2.6 Розрахунок швидкості пари і діаметру колони

2.2.7 Розрахунок висоти колони ректифікації

2.2.8 Визначення світлого шару рідини на тарілці та вмісту пари барботажного шару

2.2.9 Розрахунок коефіцієнтів масо передачі та висоти колони

2.3 Графічна частина

2.3.1 Функціональну схему ректифікаційної установки;

2.3.2 Таблиця з результатами розрахунку величин, необхідних для побудови кінетичної лінії процесу ректифікації.

2.3.3 Кінетична лінія процесу ректифікації.

ректифікація бінарна суміш дистиляція

3. Апаратурне оформлення, типові режими і вимоги до автоматизації установок перегонки

Просту перегонку і ректифікацію здійснюють на установках періодичної і неперервної дії, при цьому для цього використовують апарати різних видів і різної конструкції, що визначається вимогами технологічного і економічного характеру. Розглянемо апаратурне оформлення процесу ректифікації.

Ректифікаційні установки колонного типу мають багато конструкцій, особливості яких визначаються спеціальними вимогами і специфікою сировини, і широко використовуються для здійснення як безперервних, так і періодичних процесів. Характерні признаки установок періодичної і безперервної дії відображені на схемах рис.1 (а, б) відповідно.

Рис.1. Схеми ректифікаційних установок:

а - періодичної дії; б - безперервної дії: 1 - кип'ятильник; 2 - підігрівач; 3 - колона ректифікації (3а - укріплююча частина, 3б - виснажуюча частина); 4 - дефлегматор; 5 - подільник флегми; 5а - подільник залишку; 6 - холодильник-конденсатор; 7а, б, в - збірник ректифікату; 8 - гідравлічний затвор; F, G, P, Ф, W - основні потоки матеріального балансу колони.

Суміш що розділяється в періодичну ректифікаційну установку (рис.1а) вводяться в кип'ятильник 1 що обігрівається парою. Пари суміші що кипить піднімаються по колоні 3 вверх, зрошувані флегмою. На тарілках (насадки) колони проходить інтенсивний тепло і масообмін між паровою і рідкою фракціями, при чому парова фракція НК закріплюється, а рідка збагачується ВК компонентами. Збагачений НК пар з поверхні кубової рідини що кипить направляється в дефлегматор, де під дією попереднього одно або двох ступінчастого охолодження проходить конденсація в основному ВК парової фази. Очищення такою відмивкою пар НК, що називається дистилятором направляється в водяний противоточний холодильник 6, де він конденсується і у вигляді рідини виводиться з апарату як готовий продукт.

Дефлегматор 4 таким чином, є тарілковим водним холодильником, дозволяючи значно збільшити ефективність зрошення пари НК його конденсатором, що призводить до великого ступеня відділення добавок від парів ВК. На подільнику флегми 5 проходить регулювання подачі флегми на зрошення в залежності від міцності ректифікатора. НК фракція із конденсатора 6 направляється в збірник 7а. По виснаженню НК фракції в рідині що розділяється режим роботи колони змінюється з таким розрахунком, щоб забезпечити вихід наступного по температурі кипіння компоненту, яким заповниться вже не збірник 7а, а збірник 7б. Аналогічно змінюється режим роботи колони після виснаження в рідині що кипить другого компоненту.

Тепловий режим установки змінюється при виснаженні компоненту що виділяється суміші шляхом зміни подачі пари в кип'ятильник, зміною кількості флегми на зрошення і температури в дефлегматорі і холодильнику. При цьому змінюються рівні рідких фракцій і їх склад (концентрації).

Таким чином, основні вимоги висовуються до системи характеризуються необхідністю по певній програмі, обумовленої технологічними вимогами і специфікою рідини що розділяється, змінювати і стабілізувати тепловий режим апаратів з корекцією заданих значень основних параметрів по складу (концентрації) фракції що виділяється.

Відмінною особливістю ректифікаційної установки безперервної дії (рис.1, б) є те, що тепловий режим колони, дефлегматора і холодильника в усталеному режимі суттєво не змінюються, так як передбачається, що із суміші іде виділення тільки одного компоненту (або двох-трьох, що підлягають подальшому розділенню). Через це рідку суміш, що розділяють подають попередньо в паровий підігрівач 2 і направляють далі в середню частину колони 3. Верхня частина колони 3а - укріплююча НК-фракція, а нижня 3б - виснажуюча. Пари НК-фракції омивається на тарілках (насадках) укріплюючої частини колони флегмою, подачу якої регулюють подільником флегми 5 в залежності від складу (концентрації) ректифіката, що отримали на виході.

У виснажуючій частині колони флегма, збагачується ВК-фракцією, стікає в низ колони і через подільник осаду 5а направляється в кип'ятильник 1 і збірник осаду. Кип'ятильник 1, що обігрівається парою, забезпечує випаровування із виснаженої флегми додаткової кількості НК, чим підвищується вихід НК в цілому.

Параметрами процесу що регулюється є міцність (концентрація) і його кількість, що пов'язано з підтримкою певного теплового режиму шляхом зміни подачі пари в підігрівач 2, флегми на зрошення і в кип'ятильник 1 повного розділення. Крім того, стабілізується режим роботи дифлегматора і холодильника.

Ректифікаційні установки, оснащені колонами плівкового і ротаційного типів застосовуються дуже рідко і у вузьких профілях. Молекулярна ректифікація застосовується виключно в області використання апаратів глибокого охолодження і вакууму. Перегонні установки для розгонки і ректифікації трьох компонентів і більше, принципово повторюють загальну схему ректифікацій безперервної дії з тією тільки різницею, що подільник флегми підключається не до холодильника, а до другої колони ректифікацій, якщо компоненти що розділяються містяться в дистиляті. Окремі ж установки, де необхідно проводити розділення не дистиляту, а кубового залишку в якості основної суміші що розділяється, використовують в наступних колонах саме його.

Найбільш суттєвими відмінностями, що характеризують ректифікаційні установки колонного типу з відбором ряду фракцій, що здійснюється в певних місцях по висоті колони. Їх основні відмінності заключаються в тому, що режими таких колон налаштовуються достатньо важко, так як визначальними якості роботи колони вже є кількість і склад ряду виділяючих компонентів суміші.

Ректифікація - масообмінний процес, який здійснюється в більшості випадків в протитечійних колонних апаратах з контактними елементами (насадки, тарілки), аналогічними, що використовуються в процесах абсорбції. Ряд особливостей процесу ректифікації (різне співвідношення навантажень по рідини і пару в нижній і верхній частинах колони, змінний по висоті коефіцієнт розподілу, спільне протікання процесів масо-і теплопередачі) ускладнює його розрахунок.

Одна із складностей, з якою зустрічаються проектувальники, полягає в тому, що в літературі відсутні узагальнені закономірності для розрахунку кінетичних коефіцієнтів процесу ректифікації. В більшій ступені це відноситься до колон діаметром більше 800мм, з насадками та тарілками, які широко застосовуються в хімічних виробництвах. Більшість рекомендацій зводиться до використання для розрахунків ректифікаційних колон кінетичних залежностей, отриманих при дослідженні абсорбційних процесів.

Наведені приклади розрахунків насадок колони з використанням модифікованих рівнянь массопередачі (метод числа одиниці переносу та висоти одиниці переносу) та тарільчатої (з ліченими тарілками) колони з визначенням числа тарілок графоаналітичним методом (побудовою кінетичної лінії).

Принципова схема ректифікаційної установки представлена на рис.1. На схемі вихідна суміш з проміжної ємності 1 центробіжним насосом 2 подається в теплообмінник 3, де підігрівається до температури кипіння. Нагріта суміш надходить на розділення в ректифікаційну колону 5 на тарілку живлення, де склад рідини дорівнює складу вихідної суміші XF.

Стікаючи вниз по колоні, рідина взаємодіє з паром, що піднімається вгору та утворюється при кипінні кубової рідини в кип'ятильнику 4. Початковий склад пару приблизно рівний складу кубового залишку хw, об'єднаний легко летючим компонентом. В результаті масообміну з рідиною, пар збагачується легко летючим компонентом. Для більш повного збагачення верхню частину колони зрошують відповідно за заданим флегмовим числом, рідиною (флегмою) складу xp, яка виробляється в дефлегматорі 6 шляхом конденсації пару, що виходить з колони. Частина конденсату виводиться з дефлегматору у вигляді готового продукту поділу - дистиляту, який охолоджується в теплообміннику 7, та направляється в проміжну ємність 8.

З кубової частини колони насосом 9 безперервно виводиться кубова рідина - продукт, збагачений важко летючим компонентом, який охолоджується в теплообміннику 10 та направляється в ємність 11.

Таким чином, в ректифікаційній колоні здійснюється неперервний не рівноважний процес розподілу вихідної бінарної суміші на дистилят з високим складом легко летючого компоненту та кубовий залишок, збагачений важко летючим компонентом.

Рис 1. Принципова схема ректифікаційної установки

1 - ємність для початкової суміші; 2, 9 - насоси; 3 - теплообмінник; 4 - кип`ятильник; 5 - ректифікаційна колона; 6 - дефлегматор; 7 - холодильник дистиляту; 8 - ємність для збору дистиляту; 10 - холодильник кубової рідини; 11 - ємність для кубової рідини

3.1. Основні рівняння процесу ректифікації

Ректифікацією називають розділення сумішей рідин, частково або повністю розчинних один в одному і таких, що володіють різними температурами кипіння і парціальним тиском пари. Фракціонування здійснюють зазвичай в колонних апаратах шляхом багатократних часткового випару суміші (бінарною або багатокомпонентною), що розділяється, і конденсації пари, що утворюється. Процеси ректифікації широко поширені в хімічній технології і застосовуються для здобуття всіляких продуктів в чистому вигляді, а також для розділення газових сумішей після їх зріджування (розділення повітря на кисень і азот, розділення вуглеводневих газів і ін.).

Рис.1. Принципова схема процесу ректифікації

Принципова схема процесу ректифікації показана на рис.1.

Основні рівняння процесу. Згідно з правилом фаз, для системи, що складається з двох фаз (Ф = 2) і двох розподілюваних компонентів (До = 2), число мір свободи, або число параметрів, що визначають стан системи, на відміну від абсорбції і екстракції, рівне:

З=До+2-Ф=2+2-2=2.

Рівняння лінії рівноваги для ідеальних сумішей буде:

,

де ах - відносна летючість компонента в рідкій фазі.

Складемо математичну модель процесу стосовно ректифікації бінарної суміші в колоні насадки. Основні параметри процесу показані на рис.2. До зовнішніх незалежних змінних відносяться: швидкість і склад живлення; температура Т або агрегатні стани компонентів суміші; робочий тиск Р. Внутрішніми незалежними змінними будуть повний вміст дистиляту і кубового залишку. До числа залежних змінних входять: всі не вказані склади рідини, кубового залишку, дистиляту і розподіл складів по висоті колони, а також склад пара в кожній точці апарату; температура в кожній точці колони; всі не вказані швидкості потоків рідини і пари; швидкості відбору дистиляту і кубового залишку. До напівнезалежних змінних відносяться: місце введення живлення пит; температура флегми або температура води, що охолоджує; тиск пари.

Рис.2. Основні змінні процесу ректифікації:

а - вхідні змінні; б - вихідні змінні;

у - змінні, що визначають умови протікання процесу.

3.2 Статична модель процесу

Гідродинамічні основи процесу визначаються двома основними взаємозв'язаними чинниками: моделлю, або внутрішньою структурою потоків, і гідродинамічним режимом.

Моделі потоків. При складанні математичного опису процесу ректифікації в колоні насадки використовуються ті ж моделі, що і для процесу абсорбції (див. стор.25).

Гідродинамічний режим характеризує параметри моделей потоків і величини, що визначають інтенсивність масообміну. Колони насадок ректифікацій працюють в режимах, що принципово не відрізняються від режимів роботи абсорберів насадок.

Статичні характеристики. Відповідно до моделі ідеального витіснення маємо:

зміцнююча частина колони:

, (1)

; (2)

вичерпна (відпарна) частина колони:

(3), (4)

Згідно дифузійної моделі, отримаємо:

- зміцнююча частина колони:

, (5), ; (6)

вичерпна частина колони:

, (7)

. (8)

У формулах (1) - (9) позначені: uG,uL1, uG2 - лінійні швидкості парової і рідкої фаз; Ку, К'у, Еу, Ех, Е'у, Е'х - об'ємні коефіцієнти массопередачі і коефіцієнти подовжнього перемішування для рідини і пари в обох частинах колони; y, х - концентрації легколетучего компонента в паровій і рідкій фазах.

При розрахунках приймається, що об'ємні коефіцієнти массопередачи, лінійні швидкості і коефіцієнти подовжнього перемішування рідкої і парової фаз не змінюються по висоті кожної секції колони. Ці допущення тим більше справедливі, чим ближче гідродинамічний режим до режиму, що відповідає точці інверсії фаз.

В даний час експериментально найдобріше вивчений режим емульгування. Стосовно процесів ректифікації в результаті обробки багаточисельних дослідних даних, отриманих при роботі з різними сумішами, запропоновано наступне рівняння для визначення еквівалентної висоти насадки в точці інверсії:

hэ,інв. =5.2dэ , (10)

тут Reп - критерій Рейнольдса для пари; , - щільність рідкої і парової фаз; m - тангенс кута нахилу кривої рівноваги.

Практичне використання математичної моделі, заснованої на припущенні про наявність подовжнього перемішування в рідкій і паровій фазах в колоні насадки, пов'язане з необхідністю попереднього визначення основних параметрів моделі - коефіцієнтів массопередачі і подовжнього перемішування.

3.3 Динамічна модель процесу

Динамічні характеристики, або рівняння зв'язку між основними змінними процесу в часі, будуть наступні. Згідно моделі ідеального витіснення, маємо:

зміцнююча частина колони:

, (11)

; (12)

вичерпна частина колони:

, (13)

. (14)

Відповідно до моделі, що враховує подовжнє перемішування, знаходимо:

зміцнююча частина колони:

, (15)

; (16)

вичерпна частина колони:

, (17)

. (18)

У рівняннях (11) - (18) позначені: Hy, Hx, , - утримуюча здатність насадки по пару і рідину в обох частинах колони.

3.4 Ректифікація багатокомпонентних сумішей

У хімічній промисловості більшість сумішей, що розділяються, складаються більш ніж з двох компонентів. Проте інколи суміші містять головним чином два компоненти, а концентрації останніх компонентів дуже малі в порівнянні з вмістом двох основних. Тому подібні суміші можна розглядати як псевдобінарні, такі, що складаються з легких і важких компонентів.

Хай необхідно скласти математичний опис процесу розділення багатокомпонентної суміші, яку умовно можна вважати псевдобінарною сумішшю. Для цього введемо так звані узагальнені компоненти і позначимо концентрацію більш леткого з них через xл, а концентрацію менш леткого - через хм, тобто:

xл+ хм=1 і хм=1 - xл (14)

Приймемо, що дана багатокомпонентна суміш містить чотири компоненти (z1-z4), концентрації яких будуть x1-x4. Передбачимо тепер, що xл= x1, хм=x2+x3+x4. Тоді, аналогічно вираженню (І,122), рівняння для кривої рівноваги псевдобінарної суміші має наступний вигляд:

, (15) або

. (16)

Тут бл, бм - умовна відносна летючість легкого і важкого узагальнених компонентів; б1 чб4 - відносна летючість компонентів; Величини бл і бм відповідно рівні:

, (17)

. (18)

Якщо суміш складається з n легколетючих компонентів і з m важколетючих компонентів, то вирази (I,142) і (I,143) набирають вигляду

, (19)

. (20)

Звідси рівняння для лінії рівноваги псевдобінарної суміші буде:

. (21)

3.5 Оптимізація процесу

Як критерій оптимальності процесу ректифікації суміші може бути вибрана розділова здатність колони, оцінювана по рівнянню Фенске:

(22)

у якому - склад дистиляту в паровій фазі.

Засобами для досягнення максимального значення з служать:

1) вибір гідродинамічного режиму, що забезпечує найбільш інтенсивний міжфазний масообмін (режим емульгування);

2) вибір оптимального місця введення живлення в колону.

Економічний оптимум визначається з врахуванням енергетичних, експлуатаційних і капітальних витрат на здобуття одиниці продукції.

4. Приклад розрахунку ректифікаційної установки

4.1 Основні умовні позначення

a - питома поверхня, м3/ м3;

D - коефіцієнт дифузії, м3/с;

d - діаметр, м;

F - витрата вихідної суміші, кг/с;

G - витрата пари, кг/с;

g - прискорення вільного падіння, м/с2;

h - висота, м;

K - коефіцієнт масопередачі;

L - витрати рідкої фази, кг/с;

M - мольна маса, кг/кмоль;

м - коефіцієнт розподілу;

N - число технічних ступенів поділу;

n - число одиниць переносу;

P - витрата дистиляту, кг/с;

R - флегмове число;

T,t - температура, град;

U - щільність зрошення, м3/ (м3-с);

W - витрата кубової рідини, кг/с;

w - витрата пари, м/с;

x - концентрація рідкої фази;

y - концентрація парової фази;

в - коефіцієнт масовіддачі;

е - вільний об'єм, м3/ м3;

с - щільність, кг/ м3;

м - в'язкість, Па-с;

у - поверхневий натяг, Н/м;

ц - коефіцієнт змочування;

Re - критерій Рендольса;

Fr - критерій Фруда;

Гс - критерій гідравлічного опору;

Nu' - дифузійний критерій Нуссельта;

Pr' - дифузійний критерій Прандтля;

Індекси

б - параметри бензолу;

т - параметри толуолу:

в - зміцнювальна (верхня) частина колони;

и - вичерпна (нижня) частина колони;

F - параметри вихідної суміші;

P - параметри дистиляту;

W - параметри кубової рідини;

X - рідка фаза;

y - парова фаза;

ср - середня величина;

э - еквівалентний розмір.

4.2 Завдання на проектування

Розрахувати ректифікаційну колону безперервної дії для розподілу бінарної суміші бензол-толуол за слідуючими даними:

продуктивність по вихідній суміші F = 5 кг/с;

зміст летючого компоненту:

у вихідній суміші XF = 35 % (масс.);

в дистиляті XP = 98 % (масс.);

в кубовому залишку XW = 1,7 % (масс.);

тиск у паровому просторі дефлегматора Р = 0,1 МПа.

4.3 Розрахунок насадки ректифікаційної колони

Розрахунок ректифікаційної колони зводиться до визначення її основних геометричних розмірів - діаметру та висоти. Обидві ці величини значною мірою визначаються гідродинамічним режимом роботи колони, який, в свою чергу, залежить від швидкості та фізичних фаз, а також від типу й розмірів насадок.

При виборі типу насадок для масообмінних апаратів керуються рядом міркувань. Найбільш правильним вибором оптимального типу та розміру насадки може бути здійснений на основі технічно-економічного аналізу загальних витрат на розподіл в конкретному технологічному процесі.

Орієнтовний вибір розміру насадок тіл можна здійснити виходячи з таких міркувань. Чим більший розмір елементу насадки, тим більше її вільний об'єм (живий перетин), отже і вища продуктивність. Проте, внаслідок меншої питомої поверхні ефективність великих насадок трохи нижче. Тому насадку великого розміру застосовують, коли потрібна висока продуктивність та порівняно невисока ступінь чистоти продуктів розподілу.

В ректифікаційних колонах, працюючих при атмосферному тиску, для розподілу агресивних рідин, а також в тих випадках, коли не потрібна чиста чистка апарату, зазвичай застосовують керамічні кілець Рашига. Для даного випадку приймемо насадку з керамічних кілець Рашига розміром 50х50х50 мм. Питома поверхня насадки а = 87,5 м2/ м3, вільний об'єм е = 0,785 м3/ м3, насипна щільність 530 кг/ м3.

Насаджуючі колони можуть працювати в різноманітних гідродинамічних режимах: плівковому, підвисання і емульгування. В колонах великої продуктивності з великою насадкою здійснення процесу в режимі емульгування призводить до різкого зменшенню ефективності розподілу, що пояснюється значним зростанням зворотного перемішування рідини та значною нерівномірністю швидкості пару по перетину апарата. Керування процесом в режимі підвисання ускладнено внаслідок вузького інтервалу зміни швидкості пару, в якому цей режим існує. Тому оберемо плівковий режим роботи колони.

Для визначення швидкості потоків необхідно визначити навантаження по пару та рідині.

4.4 Матеріальний баланс колони та визначення робочого флегмового числа

Продуктивність колони за дистилятом Р та кубовий залишок W визначаємо з рівнянь матеріального балансу колони:

. (4.4.1)

FxF=Pxp+WxW. (4.4.2)

Звідки находимо:

. (4.4.3)

(4.4.4)

Навантаження ректифікаційної колони за паром та рідиною визначаються значення робочого флегмового числа R. Його оптимальне значенням Rопт можна знайти шляхом технічно-економічного розрахунку. Зважаючи на відсутність надійної методики оцінки Rопт використовують наближені обчислення, засновані на визначенні коефіцієнта надлишку флегми в, рівного відношенню R/Rmin, де Rmin - мінімальне флегмове число:

(4.4.5)

де та xp - молярні частки легко летючого компоненту відповідно у вихідній суміші та дистиляті, кмоль/кмоль суміші;

- концентрація легколетючого компонента в парі, що знаходиться в рівновазі з вихідною сумішшю (0,6-0,62), кмоль/кмоль суміші.

Зазвичай коефіцієнт надлишку флегми, при якому досягається оптимальне фегмове число, не перевищує 1,3 [2]. Запропоновано в [3] знаходити R за мінімальним значенням N (R+1), вважаючи, що це значення пропорційне об'єму ректифікаційної колони (N - число ступенів зміни концентрації, чи теоретичних тарілок).

Визначимо R рекомендованим способом.

Перерахуємо склад фаз з масових у молярні частки за співвідношенням:

(4.4.6)

Де та - молекулярні маси відповідно до бензолу та толуолу, кг/кмоль;

Отримаємо:

суміші

Аналогічно найдемо: xp = 0.983 кмоль/кмоль суміші;

Тоді мінімальне флегмове число рівне:

Поставивши собі різні значення коефіцієнтів надлишку флегми в, визначимо відповідні флегмові числа. Графічною побудовою ступенів зміни концентрації між рівномірною та робочими лініями в діаграмі склад пару y - склад рідини x знаходимо N [1].

Результати розрахунків робочого флегмового числа приведені нижче в табл.4.4.1.

Таблиця 4.4.1

в

1,07

1,36

1,74

2,33

3,30

5,26

R

1,80

2,28

2,93

3,92

5,55

8,83

N

23

17

14,5

12,5

11,5

10,0

N (R+1)

64,4

55,8

57,0

61,0

75,3

98,3

Мінімальне значення N (R+1) відповідає флегмовому числу R = 2,1. При цьому коефіцієнт надлишку флегми в = 2,1: 1,68 = 1,25. На рис.1 зображені робочі лінії та ступені зміни концентрації для верхньої та нижньої частин колони у відповідності зі знайденим значенням R.

Середні масові витрати за рідиною для верхньої та нижньої частини колони визначаються з співвідношень:

, (4.4.7)

. (4.4.8)

Де та - мольні маси дистиляту

та - середні мольні маси рідини у верхній та нижній частині колони.

Рис.1. Діаграми рівноваги між парою і рідиною при постійному тиску:

а - в координатах складу пари; y - склад рідини х (також тут показано графічне визначення числа ступені виміру концентрацій при різних флегмових числах); б - в координатах температури t - склад пари y і рідини х.

Мольну масу дистиляту в даному випадку можна прийняти рівною мольній масі легко летючого компонента - бензолу. Мольна маса рідини у верхній та нижній частинах колони відповідно рівна:

; (4.4.9), . (4.4.10)

Де Мб та Мт - мольні маси бензолу та толуолу; хср. в. та хср. н - середній мольний склад рідини відповідно у верхній та нижній частині колони:

суміші;

суміші.

Тоді,;

.

Мольна маса вихідної суміші

.

Рис 2 Визначення робочого флегмового числа

Рис 3. Зображення робочих ліній в y - x діаграмі при дійсному флегмовому числі

Підставивши значення в формули (4.4.7) та (4.4.8), отримаємо:

;

.

Середні масові потоки пару у верхньому та нижньому GH частинах колони відповідно рівні

; (4.4.12)

. (4.4.13)

Тут та - середні мольні маси парів у верхній та нижній частинах колони:

; (4.4.14)

. (4.4.15)

Де суміші;

суміші.

Тоді, ;

.

Підставивши, отримаємо:

;

.

4.5 Розрахунок швидкості пару та діаметру колони

Вибір робочої швидкості пари обумовлений багатьма факторами та зазвичай здійснюється шляхом технічно-економічного розрахунку для кожного конкретного процесу. Для ректифікаційних колон, працюючих у плівковому режимі при атмосферному тиску, робочу швидкість можна приймати на 20-30% нижче швидкості наповнення .

Граничну фіктивну швидкість пару , при якій відбувається наповнення насадкових колон, визначають по рівнянні :

(4.5.1)

Де , - середня щільність рідини та пари, кг/м3; мх - в

Оскільки, відношення L/G та фізичні властивості фаз у верхній та нижній частинах колони різні, визначимо швидкості наповнення для кожної частини окремо.

Знайдемо щільності рідини та та пару та у верхній та нижній частинах колони при середніх температурах у них та . Середні температури парів визначаємо за діаграмою t - x, y, (Для розрахунку по варіантам значення tВ= N *10, tН= N+100).

Тоді

; (4.5.2)

. (4.5.3)

Отже: ;

.

Густина рідких бензолу та толуолу близькі тому можна прийняти, що .

В'язкість рідких сумішей находимо за рівнянням :

,

де та - в'язкості рідких бензолу (0,27) та толуолу (0,261) при температурі суміші .

Тоді в'язкість рідини у верхній та нижній частині колони відповідно рівна:

;

;

.

Гранична швидкість парів у верхній частині колони wпв;

.

звідси wпв = 1,96м/с.

Гранична швидкість парів у нижній частині колони wпн;

.

Звідси wпн = 1,59м/с.

Приймемо робочу швидкість w на 30% нижче граничної:

,

.

Діаметр ректифікаційної колони визначають з рівняння витрати:

. (4.5.4)

Тоді діаметр верхньої та нижньої частини колони відповідно рівний:

; d.

Оберемо стандартний діаметр обичайки d = 1,6м, однаковий для обох частин колони. При цьому дійсні робочі швидкості парів в колоні будуть рівні:

=;

=.

Що становить відповідно 52 та 66% від граничних швидкостей.

4.6 Розрахунок висоти насадки

Висоту насадки Н розраховують за модифікованим рівнянням масопередачі :

. (4.6.1)

Де - загальне число одиниці переносу по паровій фазі; - загальна висота одиниці переносу, м.

Загальне число одиниць переносу обчислюють за рівнянням:

. (4.6.2)

Цей інтеграл визначають зазвичай методом графічного інтегрування:

. (4.6.3)

де S - площа, обмежена кривою, ординатами yw та ур та віссю абсцис; Мх, Му - масштабна вісь координат.

Дані для графічного рисунку функції наведені в таблиці 4.6.1.

За рис.5 знаходимо загальне число одиниць переносу у верхній noy в та нижній noy н частинах колони:

;

.

Рис.5. Графічне визначення загального числа одиниць переносу в паровій фазі для верхньої частини колони в інтервалі зміни складу від уF до yр та для нижньої - в інтервалі від yW до уF

Таблиця 4.6.1.

Дані для визначення числа одиниць переносу

Загальну висоту одиниць переносу hoy надходять по рівнянню адитивності:

, (4.6.4)

де та - відносні висоти одиниць переносу відповідно в рідкій та паровій фазах; m - середній коефіцієнт розподілу в умовах рівноваги для відповідної частини колони.

Відношення навантаження за паром та рідиною G/L, кмоль/кмоль дорівнює:

Для верхньої частини колони

G/L = (R+1) /R. (4.6.5)

Для нижньої частини колони

G/L = (R+1) / (R+f). (4.6.6)

Тут

= (4.6.7)

На основі аналізу відомих рівнянь та проведених за ними порівняльних розрахунків для визначення та рекомендуємо наступні залежності , результати розрахунків за якими добре узгоджуються з даними, отриманими на практиці.

Висота одиниці переносу в рідкій фазі рівна:

. (4.6.8)

Де с та Ф - коефіцієнти, обумовлені за рис.6, а та 6, б; Prx = - критерій Прандтля для рідини; Z - висота шару насадки однієї секції, яка з умови міцності опорної решітки та нижніх шарів насадки, а також з умови рівномірності розподілу рідини за насадкою не повинна перевищувати 3 м.

Висота одиниці переносу в паровій фазі hy:

. (4.6.9)

Де - коефіцієнт, визначений з рис.6, а, б;

Рис.6. Дані для визначення коефіцієнтів в рівняннях (4.6.8) та (4.6.9):

а - залежність коефіцієнтів с та від відношення робочої швидкості пару до граничної ; б - залежність коефіцієнту Ф від масової щільності зрошення L; 1-3-для керамічних кілець Рашига розміром 25х25х3 (1), 35х35х4 (2) та 50х50х5 (3).

Критерій Прандля для пари:

. (4.6.10)

Масова щільність зрошення:

- , (4.6.11)

d - діаметр колони, м; в мПас);

Для розрахунку та потрібно визначити вязкість парів та коефіцієнти дифузії в рідкій та паровій фазах. В'язкість парів для верхньої частини колони:

, (4.6.12)

де та - в'язкість парів бензолу та толуолу при середній температурі верхньої частини колони, мПас; - середня концентрація парів:

yF) /2. (4.6.13)

Підставимо та отримаємо:

За аналогічним розрахунком для нижньої частини колони находимо . В'язкості парів та близькі, тому можна прийняти середню в'язкість парів в колоні = 0,00915 .

Коефіцієнт дифузії в рідині при середній температурі рівний:

. (4.6.14)

Коефіцієнт дифузії в рідині при можна обчислити за приблизною формулою :

.

Температурний коефіцієнт b визначають за формулою:

. (4.6.15)

Тут та приймаються за температурою . Тоді,

.

Звідси:

.

Аналогічно для нижньої частини колони знаходимо:

.

Коефіцієнт дифузії в паровій фазі може бути обрахований за рівнянням:

(4.6.15*)

Де Т-середня температура у відповідній частині колони, К; Р-абсолютний тиску колоні, Па.

Тоді, у верхній частині колони рівний:

= (4.6.16)

За аналогічним розрахунком знайдене значення .

Таким чином, для верхньої частини колони:

; (4.6.17)

. (4.6.18)

Для нижньої частини колони:

; (4.6.19)

. (4.6.20)

За рівнянням (4.6.4) знаходимо загальну висоту одиниці переносу для верхньої і нижньої частини колони:

;

.

Значення м = 0,625 для верхньої частини колони і м = 1,51 - для нижньої частини визначені за арифметичним усереднюванням локальних значень м в інтервалах зміни складу рідини відповідно від

Висота насадки у верхній і нижній частинах колони рівна відповідно:

=22,6м;

1,6=14м.

Загальна висота насадки в колоні:

Н=22,6+14=36,6м

З врахуванням того, що висота шару насадки в одній секції Z дорівнює 3 м, загальне число секцій в колоні складає 13 (8 секцій у верхній частині і 5 - в нижнiй).

Загальну висоту колони ректифікації визначають за рівнянням:

. (4.6.21)

де Z - висота насадки в одній секції, м;

n - число секцій, шт.;

- висота проміжків між секціями насадки, в яких встановлюють розподільники рідини, м;

відповідно висота простору сепарації, над насадкою і відстань між днищем колони і насадкою, м.

Значення вибирають з таблиці 4.6.2 відповідності з порадами [10]:

Таблиця 4.6.2

№з/п

Діаметр колони, мм

Zв, мм

мм

1

400-1000

600

1500

2

1200-2200

1000

2000

3

2400 і вище

1400

2500

Загальна висота колони:

. (4.6.22)

4.7 Розрахунок гідравлічного опору насадки

Гідравлічний опір насадки Р знаходять за рівнянням:

Р= (4.7.1)

Гідравлічний опір сухої, не зрошеної насадки ?Р розраховують за рівнянням [1]:

. (4.7.2)

де л - коефіцієнт опору сухої насадки, що залежить від режиму руху газу в насадці.

Критерій Рейнольда для газу у верхній і нижній частинах колони відповідно рівний:

; (4.7.3)

. (4.7.4)

Отже, режим руху турбулентний.

Для турбулентного режиму коефіцієнт опору сухої насадки у виді безладно засипаннях кілець Рашига знаходять за рівнянням:

. (4.7.5)

Для верхньої і нижньої частин колони отримаємо відповідно:

2,36; (4.7.6)

2,34. (4.7.7)

Гідравлічний опір сухої насадки у верхній і нижній частинах колони рівний:

; (4.7.8)

. (4.7.9)

Щільність зрошування в верхній і нижній частинах колони визначимо за формулами:

; (4.7.10)

. (4.7.11)

Підставивши отримаємо:

;

.

Гідравлічний опір зрошуваної насадки у верхній і нижній частинах колони:

Па;

Па.

Загальний гідравлічний опір зрошуваної насадки в колоні:

. (4.7.12)

Гідравлічний опір насадки складає основну частину загального опору ректифікаційної колони. Загальний опір колони складається з опору зрошуваної насадки, опорних грат, сполучних паропроводів від кип'ятильника до колони і від колони до дефлегматора. Загальний гідравлічний опір колони ректифікації обумовлює тиск, отже, і температуру кипіння рідини у випарнику. При ректифікації під вакуумом гідравлічний опір може істотно впливати також на відносну летючість компонентів суміші, тобто змінити положення лінії рівноваги.

Приведений розрахунок виконаний без врахування впливу на основні розміри колони ректифікації ряду явищ (таких як нерівномірність розподілення рідини при зрошуванні, зворотне переміщення, теплові ефекти та ін.), що іноді може внести в розрахунок істотні помилки.

4.8 Розрахунок тарілчастої колони ректифікації

Велика різноманітність тарілчастих контактних пристроїв затрудняє вибір оптимальної конструкції тарілки. При цьому разом із загальними вимогами (такими як висока інтенсивність одиниці об'єму апарату, його вартість та ін.) висувається ряд вимог щодо специфіки виробництва: великий інтервал стійкої роботи при зміні навантажень після фаз, здатність тарілок працювати в середовищі забруднених рідин, здатність захисту від корозії і тому подібне. Частенько ці якості стають такими, що переважають, що визначають придатність тієї або іншої конструкції для використання в кожному конкретному процесі.

Розміри тарілчастої колони (діаметр і висота) визначаються навантаженнями по парі і рідині, типом контактного пристрою (тарілки), фізичними властивостями взаємодіючих фаз.

Навантаження за парою і рідиною і флегмовое число були визначені раніше при розрахунку насадки колони.

Ректифікацію рідин, що не містять зважені частки і що не інкрустують, при атмосферному тиску в апаратах великої продуктивності часто здійснюють на сітчастих переточних тарілках. Тому наведемо приклад розрахунку колони ректифікації з сітчастими тарілками.

4.9 Розрахунок швидкості пари і діаметру колони

Розрахунок швидкості парі в колонах з тарілками різних конструкцій виконується по рівняннях, приведеним в розділі 2.1 гл. VI. Для сітчастих тарілок рекомендується рівняння (VI.33).

Допустима швидкість у верхній і нижній частинах колони відповідно рівна:

м/c; (4.9.1)

м/c. (4.9.2)

Оскільки швидкості і мало відрізняються один від одного, в розрахунку використовуємо середню швидкість парів:

d = (0,853 + 0,834) /2 = 0,844 м/c. (4.9.3)

Орієнтовний діаметр колони визначають з рівняння витрати:

. (4.9.4)

Приймаємо середній масовий потік пари в колоні G рівний пів сумі :

G= (5,58 +6,04) /2 = 5,81 кг/c.

Середня щільність пари:

. (4.9.5)

Діаметр колони:

. (4.9.6)

Виберемо стандартний діаметр обичайки колони d = 1,8 м. При цьому дійсна робоча швидкість пари буде рівна:

W = 0,844 (1.77/1.8 = 0,82 м/c. (4.9.7)

За каталогом [10] для колони діаметром 1800 мм вибираємо ситчасту однопоточну тарілку ТС-Р з наступними конструктивними розмірами наведену в табл.4.9.1.

Таблиця 4.9.1

Діаметр отворів в тарілці,

8 мм

Крок між отворами, t

15 мм

Вільний переріз тарілки, Fc

18,8 %

Висота порогу переливання,

30 мм

Ширина порогу переливання, b

1050 мм

Робочий переріз тарілки, Sт

2,294

Швидкість пари в робочому перерізі тарілки

. (4.9.8)

4.10 Розрахунок висоти колони ректифікації

Як було вказано вище, число дійсних тарілок визначаємо графоаналітичним методом (побудовою кінетичної лінії) [1]. Для цього необхідно розрахувати загальну ефективність масопередачі на тарілці по Мерфри.

Для перехресного і перехресно-прямоточного руху потоків парі і рідини без урахування впливу бризговиносу ефективність по Мерфри може бути вичислена за наступною залежністю [5]:

. (4.10.1)

Де

(4.10.2)

тут - локальна ефективність контакту по парі; S - число секцій повного перемішування;

B'= (4.10.3)

де - доля байпасіруючої рідини, характеризуюча міра поперечної нерівномірності потоків; - чинник масопередачі; m - коефіцієнт розподілу компоненту за фазами в умовах рівноваги; G/L, - співвідношення мольних навантажень за парою та рідиною; для верхньої частини колони G/L= (R+1) /R; для нижньої части G/L= (R+1) / (R+f).

Локальна ефективність Еу зв'язана з загальним числом одиниць переносу за паровою фазою на тарілці nоу наступним співвідношенням:

Ey=1-e-noy, (4.10.4)

де

noy=, (4.10.5)

тут в кмоль/ (м2•с); М' - середня мольна маса парів, кг/кмоль.

В теперішній час нема достатньо надійних даних для виявлення поверхні контакту фаз, а особливо - ефективної поверхні масопередачі при барботажі на тарілках. Тому зазвичай в розрахунках тарільчатих колон використовують коефіцієнти масопередачі, які відносять до одиниць робочої площі тарілки ().

Коефіцієнт масопередачі визначають за рівнянням адитивності фазових дифузійних опорів:

=, (4.10.6)

де та - коефіцієнти масовіддачі, які відносяться до одиниці робочої площі тарілки, відповідно для рідкої та парової фаз, кмоль/ (м2*с).

У літературі наводиться ряд залежностей для визначення коефіцієнтів масовіддачі на тарілках різних конструкцій. Однак більшість їх отримано шляхом узагальнення експериментальних даних по абсорбції й десорбції газів й випаровування рідин у газовий потік. У ряді робіт показано, що з достатнім ступенем наближення ці данні можна використовувати для визначення коефіцієнтів масовіддачі процесів ректифікації бінарних систем, для яких мольна теплота випаровування компонентів приблизно рівна. Зокрема, для тарілок барботажного типу рекомендуються узагальнені критеріальні рівняння, які приводяться до зручного для розрахунків вигляду:

= 6.24.105 D0.5 () 0.5 h0 () 0.5; (4.10.7)

= 6.24.105 FcDy0.5 () 0.5 h0 () 0.5. (4.10.8)

Аналіз результатів розрахунків показав, що коефіцієнти масопередачі для ковпачкових тарілок виявляються завищеними. Це пояснюється тим, що величина h0 включає повний запас рідини на тарілці, значна частка якої не бере участь в утворенні поверхні контакту фаз, у той час як h0 а відображає вплив цієї поверхні на коефіцієнти масовіддачі.

Для визначення ефективності ковпачкових тарілок можуть бути рекомендовані наступні рівняння [1]:

nx=3050Dx0.5 (68hп+1) фx; (4.10.9)

ny (Pr'y) 0.5=0.776+4.63hп-0,238щ+0,0292q, (4.10.10)

де

nx й ny - числа одиниць переносу на одну тарілку відповідно до рідкої й газової фази; hп - висота зливної перегородки, м; с - витрата рідини, віднесеної до периметру зливної перегородки, м3/ (м?с); фx=lтhо/qср - середня тривалість контакту фаз, с; lт - довжина шляху рідини, рівна відстані між зливними перегородками, м; qср - витрата рідини, віднесеній до середньої ширини тарілки, м3/ (м?с).

4.11 Визначення світлого шару рідини

на тарілці та вмісту пари барботажного шару

Страница:


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

© 2000 — 2023, ООО «Олбест» Все права защищены