Ректификация как метод очистки жидких смесей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Ректификация (от лат. rectus -- правильный и facio -- делаю) -- разделение однородных жидких смесей на практически чистые компоненты, отличающиеся температурами кипения, путем многократных испарения жидкости и конденсации паров. В этом и заключается основное отличие ректификации от дистилляции, при которой в результате однократного цикла частичного испарения-конденсации достигается лишь предварительное разделение жидких смесей. Потоки пара и жидкости в процессе ректификации, перемещаясь противотоком, многократно контактируют друг с другом в специальных аппаратах - ректификационных колоннах. Часть выходящего из аппарата пара (или жидкости) возвращается обратно после конденсации (для пара) или испарения (для жидкости). Такое противоточное движение контактирующих потоков сопровождается процессами теплообмена и массообмена, которые на каждой стадии контакта протекают до состояния равновесия; при этом восходящие потоки пара непрерывно обогащаются более летучим- низкокипящим компонентом (НК), а стекающая жидкость -- менее летучим- высококипящим (ВК). При затрате того же количества тепла, что и при дистилляции, ректификация позволяет достигнуть большего извлечения и обогащения по нужному компоненту или группе компонентов. Ректификацию различают непрерывную и периодическую. В случае непрерывной ректификации разделяемая смесь непрерывно подаётся в ректификационную колонну и из колонны непрерывно отводятся две и большее число фракций, обогащенных одними компонентами и объединённых другими. Полная колонна состоит из 2 секций -- укрепляющей и исчерпывающей. Исходная смесь (обычно при температуре кипения) подаётся в колонну, где смешивается с извлечённой жидкостью и стекает по контактным устройствам (тарелкам или насадке) исчерпывающей секции противотоком к поднимающемуся потоку пара. Достигнув низа колонны, жидкостный поток, обогащенный тяжелолетучими компонентами, подаётся в куб колонны. Здесь жидкость частично испаряется в результате нагрева подходящим теплоносителем, и пар снова поступает в исчерпывающую секцию. Выходящий из этой секции пар поступает в укрепляющую секцию. Пройдя её, обогащенный легколетучими компонентами пар, поступает в дефлегматор, где обычно полностью конденсируется подходящим хладагентом. Полученная жидкость делится на 2 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 кубового остатка. Отношение количества флегмы к количеству дистиллята обозначается через R и носит название флегмового числа. Это число -- важная характеристика процесса ректификации: чем больше R, тем больше эксплуатационные расходы на проведение процесса. Минимально необходимые расходы тепла и холода, связанные с выполнением какой-либо конкретной задачи разделения, могут быть найдены с использованием понятия минимального флегмового числа. Минимальное флегмовое число находится расчётным путём из предположения, что число контактных устройств, или общая высота насадки, стремится к бесконечности. Если исходную смесь требуется 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 которого соответствует желаемой производительности. Пары из куба 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 флегму и дистиллят. По мере отбора дистиллята (либо при постоянном флегмовом числе, либо с его изменением) из колонны выводятся сначала легколетучие компоненты, затем среднелетучие и т. д. Нужную фракцию (или фракции) отбирают в соответствующий сборник. Операция продолжается до полной переработки первоначально загруженной смеси. Аппараты, служащие для проведения ректификации, -- ректификационные колонны -- состоят 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 тарелки (контактные устройства различной конструкции) или помещен фигурный кусковой материал -- насадка. Куб и дефлегматор -- это обычно кожухотрубные теплообменники (находят применение также трубчатые печи и роторные испарители). Назначение тарелок и насадки -- развитие 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, наружный диаметр которых равен их высоте. Наиболее распространены кольца Рашига и их различные модификации. 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. Расчет ректификационной колонны сводится к определению основных геометрических размеров колонны - диаметра и высоты. Оба параметра в значительной мере определяются гидродинамическим режимом работы колонны, который, в свою очередь, зависит от скоростей и физических свойств фаз, а также от типа насадки. Ректификация широко применяется как в промышленном, так и в препаративном и лабораторном масштабах, часто в комплексе с другими процессами разделения, такими как адсорбция. Экстракция и кристаллизация. Так же ректификация применима для получения отдельных фракций и индивидуальных углеводородов из нефтяного сырья в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. Ректификация широко используется во многих отраслях: коксохимической, лесохимической, пищевой, химико-фармацевтической промышленности и др. В последнее время ректификация приобретает всё большее практическое значение в связи с решением таких важных задач, как очистка веществ и выделение ценных компонентов из отходов или природных смесей. Сюда относят выделение стабильных изотопов ряда легких элементов. Ректификация как метод очистки имеет ряд неоспоримых преимуществ, среди которых самое существенное то, что в процесс не требуется вносить те агенты, которые сами могут быть источниками загрязнения.

1. Требования к конструкции ректификационных колонн

Обычно ректификационная колонна выполняется в виде цилиндра, заполненного специальными распределительными устройствами для создания поверхности контакта между стекающей сверху жидкой фазой и поднимающимися навстречу парами. При конструкции ректификационных колонн обычно руководствуются требования, предъявляемыми к конструкции любого химического аппарата (дешевизна, простота в обслуживании, высокая производительность, прочность, коррозионная устойчивость, долговечность и т.д.) Помимо этого, необходимо учитывать следующие специфические требования к конструкции колонны:

1) Колонна должна обладать максимальной пропускной способностью по паровой и жидкой фазе;

2) Контактные устройства должны обеспечивать максимальную поверхность контакта между фазами при максимальной эффективности передачи массы;

3) Колонна должна работать устойчиво и равномерно по всему сечению в широком диапазоне нагрузок;

Гидравлическое сопротивление распределительных устройств должно быть минимальным. Стремление к максимальному удовлетворению этих требований, а так же специфика свойств смесей, подлежащих разделению (теплообразование, агрессивность, закоксовывание, образование термополимеров и т.д.), приводит к многообразию типов ректификационных колонн.

2. Классификация колонных аппаратов

Размещено на http://www.allbest.ru/

2.1 Классификация в зависимости от относительного движения фаз

Особенностью аппаратов перекрестного тока и полного смешения является то, что взаимодействие фаз в этих аппаратах осуществляется посредством барботажа паровой фазы через жидкую фазу. Поэтому эти группы обычно объединяют под общим названием барботажных колонн; так как барботаж пара через слой жидкости происходит на пластинах- тарелках, оборудованных специальными устройствами для ввода пара и протока жидкости, эти две группы ректификационных колонн ещё называют тарельчатыми. Колонны полного смешения отличаются от колонн перекрестного тока в основном отсутствием переливных устройств для жидкости. Жидкость сливается на нижележащие тарелки через те же отверстия, по которым поднимается пар. Вследствие этого тарелки полного смешения получили название провальных. В противоточных и прямоточных колоннах паровой поток взаимодействует с жидкостью, текущей в виде тонкой пленки по поверхности специальной насадки. Поэтому эти две группы ректификационных колонн обычно объединяют под общим названием плёночных или насадочных. Наибольшее распространение получили барботажные колонны. Рабочее пространство этих колонн разделено на секции, образуемые тарелками.

2.2 Классификация тарелок

При количественном расчёте работы ректификационных колонн используется понятие теоретическая тарелка (гипотетическое контактное устройство, в котором устанавливается термодинамическое равновесие между покидающими его потоками пара и жидкости, то есть концентрации компонентов этих потоков связаны между собой коэффициентом распределения). Любой реальной ректификационной колонне можно поставить в соответствие колонну с определённым числом теоретических тарелок, входные и выходные потоки которой как по величине, так и по концентрациям совпадают с потоками реальной колонны. Исходя из этого, определяют к.п.д. колонны как отношение числа теоретических тарелок, соответствующих этой колонне, к числу действительно установленных тарелок. Для насадочных колонн можно определить величину ВЭТТ (высоту, эквивалентную теоретической тарелке) как отношение высоты слоя насадки к числу теоретических тарелок, которым он эквивалентен по своему разделительному действию.

а) колпачковые колонны (рис. а) наиболее часто применяют в ректификационных установках. Пары с предыдущей тарелки попадают в паровые патрубки колпачков и барботируют через слой жидкости, в которую частично погружены колпачки. При барботаже пара через жидкость различают три режима барботажа:

· пузырьковый режим (пар пробулькивается в виде отдельных пузырьков, образующих цепочку около стенки колпачка);

· струйный режим (отдельные пузырьки пара сливаются в непрерывную струйку);

факельный режим (отдельные пузырьки пара сливаются в общий поток, имеющий вид факела).

Колпачки имеют отверстия или зубчатые прорези, расчленяющие пар на мелкие струйки для увеличения поверхности соприкосновения его с жидкостью. Переливные трубки служат для подвода и отвода жидкости и регулирования уровня жидкости на тарелке. Основной областью массообмена и теплообмена между парами и жидкостью, как показали исследования, является слой пены и брызг над тарелкой, создающийся в результате барботажа пара. Высота этого слоя зависит от размеров колпачков, глубины их погружения, скорости пара, толщины слоя жидкости на тарелке, физических свойств жидкости и др.

Следует отметить, что, кроме колпачковых тарелок, применяют также клапанные, желобчатые, S-образные, чешуйчатые, провальные и другие конструкции тарелок. Достоинством колпачковых тарелок является удовлетворительная работа в широком диапазоне нагрузок по жидкости и пару, а также небольшая стоимость эксплуатации.

б) ситчатые тарелки (рис. б) применяют главным образом при ректификации спирта и жидкого воздуха. Допустимые нагрузки по жидкости и пару для них относительно невелики, и регулирование режима их работы затруднительно. Жидкость и пар проходят попеременно через каждое отверстие в зависимости от соотношения их напоров. Тарелки имеют малое сопротивление, высокий к.п.д., работают при значительных нагрузках и отличаются простотой конструкции. Массо - и теплообмен между паром и жидкостью в основном происходят на некотором расстоянии от дна тарелки в слое пены и брызг. Давление и скорость пара, проходящего через отверстия сетки, должны быть достаточны для преодоления давления слоя жидкости на тарелке и создания сопротивления ее отеканию через отверстия. Ситчатые тарелки необходимо устанавливать строго горизонтально для обеспечения прохождения пара через все отверстия тарелки, а также во избежание стекания жидкости через них. Обычно диаметр отверстий ситчатой тарелки принимают в пределах 0,8--8,0 мм.

в) клапанные тарелки занимают среднее положение между колпачковыми и ситчатыми. Клапанные тарелки показали высокую эффективность при значительных интервалах нагрузок благодаря возможности саморегулирования. В зависимости от нагрузки клапан перемещается вертикально, изменяя площадь живого сечения для прохода пара, причем максимальное сечение определяется высотой устройства, ограничивающего подъем. Площадь живого сечения отверстий для пара составляет 10--15% площади сечения колонны. Скорость пара достигает 1,2 м/с. Клапаны изготовляют в виде пластин круглого или прямоугольного сечения с верхним или нижним ограничителем подъема. Тарелки, собранные из S-образных элементов, обеспечивают движение пара и жидкости в одном направлении, способствуя выравниванию концентрации жидкости на тарелке. Площадь живого сечения тарелки составляет 12--20% от площади сечения колонны. Коробчатое поперечное сечение элемента создает значительную жесткость, позволяющую устанавливать его на опорное кольцо без промежуточных опор в колоннах диаметром до 4,5 м.

г) каскадные тарелки Вентури собирают из отдельных листов, выгнутых так, чтобы направление потока пара было горизонтальным. Каналы для прохода пара имеют профиль сечения трубы Вентури, что способствует максимальному использованию энергии пара и снижению гидравлического сопротивления. Потоки пара и жидкости направлены в одну сторону, что обеспечивает хорошее перемешивание и контакт фаз. По сравнению с колпачковыми тарелками скорость пара может быть увеличена более чем вдвое. Конструкция гибкая, не допускает провала жидкости и снижения за счет этого эффективности. Небольшая удерживающая способность (30-40% по сравнению с колпачковой тарелкой) является ценным качеством при переработке чувствительных к нагреву жидкостей. Расстояние между тарелками выбирается в пределах 450-900 мм. Каскадные тарелки успешно применяются в установках, где необходимо обеспечить высокие скорости пара и жидкости.

д) решетчатые тарелки изготавливают из штампованных листов с прямоугольными прорезами или набираются из полос. Необходимость опорной конструкции определяется толщиной металла и диаметром колонны. Расстояние между тарелками обычно 300-450 мм. Лучшая работоспособность, по сравнению с колпачковыми тарелками, при максимальных нагрузках.

е) волнистые тарелки изготовляются штамповкой из перфорированных листов толщиной 2,5-3 мм в виде синусоидных волн. Жесткость конструкции позволяет использовать тонкий металл. Направление волн на соседних тарелках перпендикулярное. Глубина волн выбирается в зависимости от перерабатываемой жидкости. За счет большой турбулизации жидкости эффективность волнистой тарелки выше. А опасность засорения меньше, чем для плоской тарелки. Размеры волн увеличиваются с увеличением расчетной нагрузки по жидкости. Отношение высоты волны к ее длине выбирается в пределах от 0,2-0,4. Тарелки в колонне располагаются на расстоянии 400-600 мм друг от друга.

ж) насадочные колонны получили широкое распространение в промышленности (см. рис. в). Они представляют собой цилиндрические аппараты, заполненные инертными материалами в виде кусков определенного размера или насадочными телами, имеющими форму, например, колец, шаров для увеличения поверхности фазового контакта и интенсификации перемешивания жидкой и паровой фаз.

3. Описание аппаратурной схемы

1 - емкость для исходной смеси; 2,9 - насосы; 3 - теплообменник-подогреватель; 4 - кипятильник; 5 - ректификационная колонна; 6 - дефлегматор; 7 - холодильник дистиллята; 8 - емкость для сбора дистиллята; 10 - холодильник кубовой жидкости; 11 - емкость для кубовой жидкости.

Исходная смесь из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подается в теплообменник 3, где 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. 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, которая получается в дефлегматоре 6 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который в теплообменнике 7, и направляется в промежуточную емкость 8. Из кубовой части колонны насосом 9 непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащенный высококипящим 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.

ректификационный колонна уксусный кислота

3.1 Характеристика смеси. Уксусная кислота

Уксусная кислота при нормальных условиях представляет собой бесцветную жидкость с характерным резким запахом и кислым вкусом. Гигроскопична. Ядовита, корозионоопасна. Не ограниченно растворима в воде. Смешивается с многими растворителями; в уксусной кислоте хорошо растворимы органические соединения и газы, такие как HF, HCl, HBr, HI и другие. В химической промышленности используется как полярный растворитель. При нормальных условиях и атмосферном давлении составляет Ткип =118,1ЃЋ

Вода - прозрачная жидкость без вкуса, цвета и запаха. Молекулярная масса воды равна 18,016 а.е.м. Из-за высокой полярности молекул вода является уникальным растворителем других полярных соединений. Так, вода имеет наибольшую теплоемкость среди жидкостей - 4,1868 кДж/кг, что почти вдвое превышает таковую растительных масел, ацетона, фенола, глицерина, спирта, парафина; и она в 10 раз больше, чем у железа. У воды от 0Ѓ‹С до 37Ѓ‹С градусов теплоемкость снижается, а с 37Ѓ‹С градусов и выше - растет. Получается, что легче всего она нагревается и быстрее всего охлаждается при температуре 37оС градусов. Вода обладает самым высоким поверхностным натяжением среди всех жидкостей (за исключением ртути).Вода - слабый электролит и диссоциирует в очень малой степени. Поэтому дистиллированная вода не проводит электрического тока.

3.2 Технологический расчет

Задание:

Рассчитать ректификационную установку для разделения бинарной смеси уксусная кислота- вода.

Производительность

Массовые концентрации НК:

Колонна с ситчатыми тарелками.

Произвести расчет дефлегматора.

Материальный баланс колонны и определение рабочего флегмового числа

Материальный баланс, основанный на законе сохранения массы вещества, составляется для определения количества и состава веществ, участвующих в процессах ректификации.

Производительность колонны по исходному раствору Р и кубовому остатку W определяется из уравнений материального баланса колонны, обогреваемой паром:

Материальный баланс для НК:



Для построения равновесной кривой уксусная кислота-вода возьмем данные из справочника [6](таблица XLVII). В таблице 1 приведены изменения концентрации НК в паровой y и жидкой фазах x (в мольных долях) при различных температурах кипения смеси уксусная кислота - вода.

Таблица 1

t, C	118,1	115,4	113,8	110,1	107,5	105,8	104,4	103,2	102,1	101,3	100,6	100
y, %	0	9,2	16,7	30,2	42,5	53	62,6	71,6	79,5	86,4	93	100
x, %	0	5	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100

По данным таблици 1 строим зависимость y^* =f(x).Через начало координат и точку А с координатами (100;100) проведем вспомогательную линию - диагональ. Линия равновесия лежит выше диагонали - пары обогащены НК. Чем ближе линия равновесия к диагонали, тем меньше разница составов пара и жидкости и тем труднее разделять смесь при ректификации. Пересчитаем составы фаз из массовых в мольные доли по соотношению:

где М_ВК и М_НК - молекулярные массы соответственно уксусной кислоты и воды, кг/кмоль.

М_НК =18 кг/кмоль

М_ВК = 24+4+32=60 кг/кмоль

Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются значением рабочего флегмового числа R; его оптимальное значение R_опт можно найти путем технико-экономического расчета. Ввиду отсутствия надежной методики оценки R_опт используют приближенные вычисления, основанные на определении коэффициента избытка флегмы (орошения) в, равного отношению R/ R_min ,где R_min - минимальное флегмовое число:

где x_F и x_P - мольные доли низкокипящего компонента соответственно в исходной смеси и дистилляте, кмоль/кмоль смеси; y_F^* - концентрация низкокипящего компонента в паре, находящемся в равновесии с исходной смесью, кмоль/кмоль смеси. Обычно коэффициент избытка флегмы, при котором достигается оптимальное флегмовое число находится в пределах от 1,2 до 2,5. Один из возможных приближенных методов расчета R заключается в нахождении такого флегмового числа, которому соответствует минимальное произведение N(R+1), полагая, что это произведение пропорционально объёму ректификационной колонны (N - число ступеней изменения концентрации, или теоретических тарелок, определяющих высоту колонны; R+1- расход паров и, следовательно, сечение колонны). Тогда минимальное флегмовое число равно:



Задавшись различными значениями коэффициентов избытка флегмы в, определим соответствующие флегмовые числа и найдем отрезок b на оси у, отсекаемый рабочей линией укрепляющей части колонны по формуле:

Графическим построением ступеней изменения концентраций между равновесной и рабочими линиями на диаграмме у - х находим N. Все вычисления и измерения заносим в таблицу 2

Таблица 2

в	1,3	1,5	1,8	2,4
R	3,58	4,13	4,95	6,6
b	0,21	0,19	0,16	0,13
N	22	21	18	17
N(R+1)	100,76	107,73	107,1	129,2

Минимальное произведение N(R+1) соответствует флегмовому числу R=3,58. При этом коэффициент избытка флегмы равен:

Определяем паровые потоки в паровой и жидкой фазах:

G= P(R + 1)= 0,48( 3,58 + 1)= 2,2 кг/с

Ф= РR= 0,48·3,58= 1,72 кг/с

3.3 Средние массовые расходы по жидкости для верхней и нижней частей колонны

Средние массовые расходы по жидкости для верхней и нижней частей колонны определяются из соотношений:

где M_P и M_F - мольные массы дистиллята и исходной смеси;

M_B и M_H - средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны. Мольную массу дистиллята в данном случае можно принять равной мольной массе низкокипящего компонента (вода). Мольная масса жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равна:

где M_ВК и M_НК - мольные уксусной кислоты и воды;

х_ср.В и х_ср.Н - средний мольный состав жидкости соответственно в верхней и нижней части колонны:

Мольная масса исходной смеси

М_F= M_НК х_F + M_ВК (1 - х_F )= 18·0,53 + 60(1 - 0,53)= 37,74 кг/кмоль

М_Р= M_НК х_Р + M_ВК (1 - х_Р)= 18·0,98 + 60(1 - 0,98)= 18,84 кг/кмоль

Подставив, получим:

Средние массовые потоки пара в верхней G_B и нижней G_H частях колонны соответственно равны:

Здесь М_В^? и М_Н^? - средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны:

Подставив, получим:

3.4 Расчет скорости пара и диаметра колонны

Определяем рабочую скорость пара в верхней и нижней частях колонны.

где с_х.в и с_х.н - средние плотности жидкости в верхней и нижней частях колонны;

с_у.в и с_у.н - средние плотности пара в верхней и нижней частях колонны.

Средняя плотность пара при абсолютном давлении Р= 0,98 бар( 1 амп) равна:

На основании справочных данных [6](таблица XLVII) о температурах кипения и о равновесных составах жидкости и пара при 0,1 МПа для рассматриваемой бинарной смеси строим кривую температур кипения смеси. По диаграмме «t - x,y» определяем средние температуры паров в верхней и нижней частях колонны:

Т_ср.в= 102,4 °С

Т_ср.н= 108,3 °С

Найденные данные подставляем в формулу:

Определяем среднюю плотность жидкости в верхней и нижней частях колонны:

(допустим, что температура опыта t= 20 Ѓ‹С )

с_нк= 998 кг/м³ ;

с_вк= 1048 кг/м³ (для 100 % уксусной кислоты);

где х_ср.в и х_ср.н - средние массовые составы жидкостей в верхней и нижней частях колонны.

Подставляем найденные значения в формулу для определения рабочей скорости в верхней и нижней частях колонны:



Средняя скорость паров:

Принимаем средний массовый поток пара G в колонне равным полусумме G_B и G_Н:

Находим среднюю плотность паров:

Находим среднюю плотность жидкости:

Определяем диаметр верхней и нижней части колонны :

Выберем стандартный диаметр колонны D= 1800 мм.

При этом действительная рабочая скорость пара будет равна:

По каталогу [4, с.118] для колонны D=1800 мм выбираем ситчатую тарелку типа

ТС-Р со следующими конструктивными характеристиками:

Диаметр колонны D, мм	Тип тарелки	Свободное сечение колонны, м2	Рабочее сечение тарелки, м2	Диаметр отверстия d, мм	Сечение перелива, м2	Относительная площадь перелива, %	Периметр слива , м	Масса, кг
				3	4	5	8
				Шаг между отверстиями t, мм
				7-12	8-15	10-17	16-15
				Относительное свободное сечение тарелки, %
1800	ТС-Р	2,54	2,294	13,8 -4,7	18,8-5,34	18,8-5,8	18,8-7,69	0,123	4,85	1,05	115

Диаметр отверстия d=8мм

Шаг между отверстиями t=15 мм

Относительное свободное сечение тарелки 18,8 %

Высота переливного порога

Ширина переливного порога

Скорость пара в рабочем сечении тарелки:

4. 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;

высота переливной перегородки, м;

поверхностное натяжение уксусной кислоты и воды соответственно при средних температурах в колонне;

Для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

Паросодержание барботажного слоя е находят по формуле:

Для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

5. Расчет коэффициентов массопередачи и высоты колонны

Коэффициент диффузии в жидкости при средней температуре равен:

где средняя температура по НК и ВК компонентам, ⁰С;

D_х20 - коэффициенты диффузии в жидкости при 20 ⁰С можно вычислить по приближенной формуле:

где А, В - коэффициенты, зависящие от свойств растворенного вещества и растворителя;

н_нк, н_вк - мольные объемы компонентов в жидком состоянии при температуре кипения, см³/моль;

суммарный средний коэф. динамической вязкости уксусной кислоты и воды при ,

Для уксусной кислоты:

b -температурный коэффициент определяют по формуле:

где суммарная средняя плотность уксусной кислоты и воды при ,

Коэффициент диффузии в паровой фазе может быть вычислен по уравнению:

где Т - средняя температура в соответствующей части колонны, К;

Р - абсолютное давление в колонне, 10⁵ Па.

Тогда в верхней части колонны и нижней части колонны равен:

Коэффициенты массоотдачи в жидкой фазе:

Коэффициенты массоотдачи в паровой фазе:

Вязкость паров для верхней части колонны:

Вязкость паров:

Плотность орошения:

Для нижней части колонны:

коэффициент массоотдачи в жидкой фазе



коэффициент массоотдачи в паровой фазе

Пересчитаем коэффициенты массоотдачи на кмоль/(м²·с):

Для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

6. Построение кинетической линии и определение числа действительных тарелок

Число действительных тарелок определяют графоаналитическим методом (построением кинетической кривой).Для этого необходимо рассчитать общую эффективность массопередачи на тарелке по Мерфи (к.п.д. по Мерфи). Для перекрестного и перекрестно-прямоточного движения потоков пара и жидкости без учета влияния брызгоуноса эффективность по Мерфи вычисляется по формуле:

где

локальная эффективность контакта по пару;

число секций полного перемешивания;

доля байпасирующей жидкости, характеризующая степень поперечной неравномерности потока; (в нашем случае -с ситчатыми тарелками -примем её равной 0);

фактор массопередачи;

коэффициенты распределения компонента по фазам в условиях равновесия;

соотношение мольных нагрузок по пару и жидкости;

Для верхней части колонны:

.

Для нижней части:

.

Коэффициенты массоотдачи, рассчитанные по средним значениям скоростей и физическим свойствам паровой и жидкой фазы, постоянны для верхней и нижней частей колонны. В то же время коэффициент массопередачи - величина переменная, зависящая от кривизны линии равновесия. Поэтому для определения данных, по которым строится кинетическая линия, необходимо вычислить несколько значений коэффициентов массопередачи в интервале изменения состава жидкости от до . Задаёмся различными значениями х и определяем коэффициенты распределения m, как тангенс угла наклона равновесной линии в определенной нами точке.

Таблица 3

	Нижняя часть колонны	Верхняя часть колонны
x	0,16	0,35	0,5	0,75	0,9
m	1,44	1,08	1,05	0,67	0,6
Kyf	0,073	0,075	0,071	0,074	0,075
noy	1,397	1,435	1,324	1,38	1,399
Ey	0,753	0,762	0,734	0,749	0,753
л	1,168	0,876	1,344	0,858	0,768
B'	0,879	0,668	0,986	0,643	0,578
E`my	1,04	0,98	1,16	0,95	0,93
Emy	1,04	0,98	1,16	0,95	0,93
	0,25	0,48	0,635	0,83	0,985
	0,16	0,4	0,585	0,795	0,98
yвых	0,254	0,478	0,643	0,828	0,985
yк	0,24	0,46	0,62	0,82	0,97

Коэффициент массопередачи K_yf в верхней и нижней частях колонны:

Общее число единиц переноса на тарелку:

Локальная эффективность E_y рассчитывается по формуле:

Фактор массопередачи для верхней части:

Фактор массопередачи для нижней части:

Так как доля байпасирующей жидкости

Для колонн диаметром более 600мм с ситчатыми и клапанными тарелками отсутствуют надёжные данные по продольному перемешиванию жидкости, поэтому с достаточной степенью приближения можно считать, что одна ячейка перемешивания соответствует длине пути жидкости l=300-400 мм. Примем l=350 мм и определим число ячеек полного перемешивания S как отношение длины пути жидкости на тарелке к длине l.Определим длину пути жидкости как расстояние между переливными устройствами:

Эффективность по Мерфи с учетом перемешивания на тарелке :

Эффективность по Мерфи с учетом байпасирующего потока жидкости и при принятом условии, что: Зная эффективность по Мерфи, можно определить концентрацию пара на выходе с тарелки из соотношения:

,

где концентрация пара соответственно на входе на тарелку и равновесная с жидкостью на тарелке.

Однако действительная концентрация пара будет отличаться от , вычисленной по значениям , вследствие явления обратного перемешиванию жидкости в колонне, вызванного брызгоуносом. Влияние брызгоуноса может быть учтено соотношением:

где - действительная концентрация пара на выходе из тарелки (ордината точки на кинетической линии), кмоль/ кмоль смеси;

- состав жидкости на тарелке, кмоль/ кмоль смеси;

- относительный унос жидкости, кмоль/ кмоль пара. Относительный унос жидкости в тарельчатых колоннах определяется в основном скоростью пара. В настоящее время нет надёжных зависимостей, учитывающих влияние физических свойств потоков на унос, особенно для процесса ректификации. Для этих процессов унос можно оценивать с помощью графических данных:

По этим данным унос на тарелках различных конструкций является функцией комплекса Коэффициент m, учитывающий влияние на унос физических свойств жидкости и пара, определяют по уравнению:

Высота сепарационного пространства равна расстоянию между верхним уровнем барботажного слоя и плоскостью расположенной выше тарелки:

где межтарельчатое расстояние, м; в соответствии с каталогом [10] для колонны диаметром 1800 мм расстояние ;

Таким образом, действительная концентрация пара равна:



По значениям и на диаграмму х-у наносят точки, по которым проводят кинетическую линию. Построением ступеней между рабочей и кинетической линиями в интервалах от до определяют число действительных тарелок для верхней (укрепляющей) части и в интервалах от до - число действительных тарелок для нижней (исчерпывающей) части колонны. Общее число действительных тарелок равно:

Высоту тарельчатой ректификационной колонны определяют по формуле:

где -расстояние между тарелками, м;

- расстояние соответственно между верхней тарелкой и крышкой колонны и между днищем колонны и нижней тарелкой, м.

7. Расчет дефлегматора

1) Вид охлаждаемого агента- 100% уксусная кислота.

2) t_н1= 115 єC, t_к1 = 35є C

3) Производительность аппарата по смеси G₁ =P= 0,48 кг/с.

Выбор теплоносителя и режима движения

1) Выберем кожухотрубчатый теплообменник, направим исходную смесь в трубное пространство, а охлаждающий агент в межтрубное.

2) Выберем противоточный режим движения теплоносителей, так как разница температур между начальной температурой смеси и конечной температурой холодного теплоносителя велика.

3) В качестве охлаждающего агента выберем артезианскую воду с t_н2 = 10є C; t_к2 = 45є C.

4. Рассчитываю тепловую нагрузку аппарата и расход воды на охлаждение

5.Задаёмся значением коэффициента теплопередачи

При движении веществ, не меняющих агрегатное состояние от жидкости к жидкости при свободном движении.

8. Выбор стандартного оборудования

К конструкциям массообменных аппаратов предъявляют следующие основные требования: дешевизна, простота в обслуживании, высокая производительность, максимально развитая поверхность контакта между фазами и эффективность передачи массы вещества из одной фазы в другую, устойчивость режима в широком диапазоне нагрузок, максимальная пропускная способность по паровой (газовой) и жидкой фазе, минимальное гидравлическое сопротивление, прочность конструкции и долговечность. Таким образом, из выше представленного описания ректификационных процессов и аппаратов и произведенных расчетов, можно сделать вывод, что целесообразно выбрать:

1) непрерывный процесс, т.к. он обеспечивает высокую производительность и качество продукции, постоянство физико-химических характеристик веществ смеси: температуры, концентрации веществ, давление и многое другое;

2) тарельчатую колонну, т.к. обеспечивает большую производительность, четкое разделение смесей и работает в широком диапазоне изменений нагрузок со следующими техническими характеристиками:

диаметр колонны, мм	1800
количество тарелок N	48
высота ректификационной колонны Hк, мм	27000
расстояние между тарелками H, м	0,5
расстояние между верхней тарелкой и крышкой колонны zВ, м	1,0
расстояние между днищем колонны и нижней тарелкой zН, м	2,0

3) ситчатые тарелки, т.к. тарелки имеют малое сопротивление, высокий к.п.д., работают при значительных нагрузках и отличаются простотой конструкции. По каталогу выбрали колпачковую тарелку для колонны диаметром 1800 мм типа ТС-Р со следующими конструктивными характеристиками:

Свободное сечение колонны, м2	2,54
Рабочее сечение тарелки, м2	2,294
Относительное свободное сечение, %	18,8
При d,мм (диаметр отверстия)	При t,мм(шаг между отверстиями)
8	15
Сечение перелива, м2	0,123
Относительная площадь перелива, %	4,85
Периметр слива, мм	1050
Высота переливного порога	30
Ширина переливного порога	1050
Масса, кг	115

4)Дефлегматор, предназначенный для конденсации паров и подачи орошения в колонну. В результате расчетов выбрали дефлегматор (кожухотрубчатый теплообменник) со следующими характеристиками:

Диаметр кожуха Dкож,мм	273
Площадь поверхности теплообмена с запасом F, м2	4
Диаметр трубы d, мм	20Ч2
Длина трубы H,м	1
Число ходов z	1
Общее число труб n	61
Площадь самого узкого сечения, мІ	0,007
Площадь одного хода по трубам, мІ	0,012

5) Выносной кипятильник, т.к. он более удобен для ремонта и замены и обеспечивает естественную циркуляцию жидкости. Кипятильник или куб, предназначен для превращения в пар части жидкости, стекающей из колонны, и подвода пара в ее нижнюю часть (под насадку или нижнюю тарелку). Кипятильник имеет поверхность нагрева в виде змеевика или представляет собой кожухотрубчатый теплообменник, встроенный в нижнюю часть колонны.

В периодически действующих колоннах куб является не только испарителем, но и емкостью для исходной смеси. Поэтому объем куба должен быть в 1,3 - 1,6 раза больше его единовременной загрузки (на одну операцию). Обогрев кипятильников производится водяным насыщенным паром.

9. Описание аппаратурной схемы

На чертеже А представлена аппаратурная схема ректификационной установки по разделению бинарной смеси уксусная кислота-вода. Исходная смесь из промежуточной емкости 13 центробежным насосом 12 подаётся в теплообменник 1, где подогревается до температуры кипения насыщенным водяным паром. Нагретая смесь поступает в ректификационную колонну 2 на тарелку питания (верхнюю тарелку исчерпывающей части колонны), где смешивается с флегмой из укрепляющей части колонны. Стекая внз по колонне жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 11. В результате этого из жидкости удаляется легколетучий компонент. Пар, обогощенный НК, поднимается вверх по колонне и поступает в дефлегматор 3. Из дефлегматора сконденсировавшийся пар поступает в распределительный стакан 4, где конденсат разделяется на два потока: один (флегма) возвращается на орошение колонны, второй (дистилят) поступает в холодильник дистилята 5 и далее в промежуточную ёмкость 7. Из кубовой части колонны непрерывно отводится кубовый остаток, обогощенный ВК, который охлаждается в теплообменнике 6 и направляется в ёмкость 9. Подогреватель исходной смеси и кипятильник обогреваются насыщенным водяным паром, образовавшийся конденсат возвращается на ТЭЦ.

Исходная смесь поступает в емкость Е1, уровень в которой измеряется уровнемерами 1 и 2. из е1 исходная смесь насосами Н1 (Н2) перекачивается в подогреватель П. в подогревателе исходная смесь нагревается горячим паром, поступающим через регулировочный вентиль ВР₁ , и направляется через регулировочный вентиль ВР₃ на питательную тарелку ректификационной колонны КР, ее состав равен х_F . Расход жидкости замеряется расходомером 9, а температура - термометром 12. сконденсированный пар из подогревателя отводится через конденсатоотводчик КО₁ . Из ректификационной колонны паро-жидкостная эмульсия, уровень которой в РК регулируется уровнемером 7, поступает в кипятильник К, где доводиться до температуры кипения и вновь возвращается в нижнюю часть ректификационной колонны на повторную ректификацию в виде пара, который взаимодействует со стекающей сверху жидкостью(флегмой), состав которой равен х_p. Состав этого пара примерно равен составу кубового остатка х_W , т.е. обеднен НК. Нагревание паро-жидкостной эмульсии происходит греющим паром, количество которого регулируется вентилем ВР₂ , давление контролируется манометром 8, а конденсат отводиться через конденсатоотводчик КО₂ . кубовый остаток, насыщенный высококипящим компонентом, через регулировочный вентиль ВР₈ поступает в холодильник Х1, где охлаждается водой, поступающей противотоком через регулировочный вентиль ВР₇ , и отводиться в емкость Е2. температура воды на выходе из Х1 измеряется термометром 18, а температура кубового остатка - термометром 19, а его расход - расходометром 10. уровень в Е2 измеряется уровнемерами 3 и 4. из емкости Е2 кубовый остаток перекачивается насосом Н3.

Температура паров дистиллята в верхней части ректификационной колонны измеряется термометром 13, откуда они поступают в дефлегматор Д. В дефлегматоре происходит конденсация паров путем их охлаждения, поступающей через регулировочный вентиль ВР₅ водой. Температура воды на выходе из дефлегматора измеряется термометром 15. Дистиллят поступает на распределитель Р, где делиться на две части. Одна из них идет через регулировочный вентиль ВР₄ на орошение колонны в качестве флегмы, ее температура измеряется термометром 14. Другая часть через регулировочный вентиль ВР₉ направляется в холодильник Х2, где охлаждается водой до температуры, измеряемой термометром 17, и поступает в емкость Е3. Температура воды на выходе из Х2 измеряется термометром 16, а ее расход - расходомером 11. Уровень дистиллята в Е3 замеряется уровнемерами 5 и 6. перекачка дистиллята из Е3 ведется насосом Н4.

10. Описание основных аппаратов

Для проведения процессов ректификации применяются аппараты разнообразных конструкций. Кроме основного аппарата - ректификационной колонны, снабженной теплообменными устройствами - кубом (кипятильником) и дефлегматором, в состав ректификационной установки входят также холодильники (подогреватели) для охлаждения (нагревания) смесей, конденсатоотводчики и центробежные насосы. В данном курсовом проекте используется ректификационная колонна тарельчатого типа с ситчатыми тарелками. Колонна с ситчатыми тарелками представляет собой вертикальный целиндрический корпус с горизонтально расположенными тарелками ситчатого типа. Газ на тарелку поступает по патрубкам, разбиваясь прорезям колпачка большое число отдельных струй. Прорези колпачков наиболее часто выполняются в виде зубцов треугольной или прямоугольной формы. Далее газ проходит через слой жидкости, перетекающей по тарелке от одного устройства к другому. При движении через слой значительная часть мелких струй распадается и газ распределяется в жидкости в виде пузырьков. интенсивность образования пены и брызг зависит от скорости движения газа и глубины погружения колпачка в жидкость. Колпачок может работать в двух режимах: при неполном и полном открытии прорезей, причем в последнем случае колпачок работает наиболее эффективно.

Колпачковые тарелки мало чувствительны к загрязнениям и отличаются достаточно высоким интервалом устойчивой работы.

Куб (кипятильник) предназначен для превращения в пар части жидкости, стекающей из колонны, и подвода пара в нижнюю часть (под нижнюю тарелку). Кипятильник представляет собой кожухотрубчатый теплообменник выносного типа, установленный ниже колонны для того, чтобы обеспечить естественную циркуляцию жидкости.

Дефлегматор, предназначенный для конденсации паров и подачи орошения (флегмы) в колонну, представляет собой кожухотрубчатый теплообменник, в межтрубном пространстве которого обычно конденсируется пары, а в трубах движется охлаждающий агент (вода).

В виде кожухотрубчатых теплообменников на аппаратурной схеме представлены также холодильники, предназначенные для охлаждения кубового остатка и дистиллята.

В общем случае теплообменный аппарат состоит из пучка труб, помещенного внутри цилиндрического корпуса обечайки, сваренной из листовой стали. Трубки закреплены в двух трубных решетках и размещены в шахматном порядке, по вершинам равностороннего треугольника. Аппарат снабжен двумя крышками со штуцерами для входа и выхода теплоносителя, движущегося внутри труб. Трубное и межтрубное пространство разобщены. Второй теплоноситель движется в межтрубном пространстве, снабженном входными и выходными штуцерами. Кожухотрубчатые теплоносители могут располагаться как вертикально, так и горизонтально; при необходимости удлинения пути теплоносителей они могут располагаться последовательно.

Для перекачки различных жидкостей в данном курсовом проекте использованы центробежные насосы.

Центробежный насос состоит из колеса с лопатками в форме изогнутых цилиндрических поверхностей, сидящего на валу улиткообразного корпуса. Последний имеет два патрубка - центральный и тангенсальный. Первый присоединяется к всасывающему трубопроводу, а второй - к нагнетательному. Рабочее колесо образуют два диска, соединенных между собой загнутыми назад лопатками. Правый диск - сплошной, левый - с отверстием для входа перекачиваемой жидкости внутрь колеса. Вал насоса соединяется при помощи муфты с валом электродвигателя.

Для непрерывного удаления конденсата из нагревательных камер применяют специальные устройства - конденсатоотводчики. Обеспечивая удаление конденсата, они в тоже время непропускают несконденсировавшийся пар.

В данном курсовом проекте использованы конденсатоотводчики с открытым поплавком. В корпусе такого конденсатоотводчика расположен открытый стакан (поплавок). К днищу последнего жестко прикреплен шпиндель, оканчивающийся клапаном, который проходит внутрь конденсатоотводящей трубки. Конденсат из нагревательной камеры, входя через левый штуцер, заполняет сначала кольцевое пространство между стенками корпуса и поплавка. Последний при этом всплывает и закрывает сверху выход из трубки. Постепенно конденсат заполняет кольцевое пространство и начинает заполнять поплавок. По достижении определенного уровня в стакане поплавок опускается на дно корпуса, клапан открывается, и конденсат под действием избыточного давления удаляется через отводящую трубку и выходной штуцер в конденсатопровод. Облегченный поплавок снова всплывает, закрывает клапаном выход из отводящей трубки, и цикл повторяется.

Литература

1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд.

9-е. М., Химия, 1973. 750 с.

2. Перри Дж. Справочник инженерахимика. Пер. с англ., т.1, Л., Химия, 1969, 940 с.

3. Касаткин А.Г., Плановский А.Н., Чехов О.С. Расчет тарельчатых ректификационных и абсорбционных аппаратов. М., Стандартгиз, 1961. 81 с.

4. Дынерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии, М.: Химия, 1973. 268 с.

5. Александров И.А., Ректификационные и абсорбционные аппараты. Изд.3-е. М., Химия, 1978. 280 с.

6. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии, Л.: Химия, 1969. 624 с.

7. Справочник химика, т.1. М. - Л., Госхимиздат, 1963.

8. Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии, Л., Химия, 1991. 352 с.

9. Александров И.А.,Массопередача при ректификации многокомпонентных смесей. Л., Химия, 1975. 320 с.

Размещено на Allbest.ru