Расчет ректификационной установки

Задание на проектирование 

     Рассчитать  ректификационную установку для  разделения смеси 50%(масс.) бензола и 50% (масс.) диэтилового эфира. Конечная концентрация эфира 94%(масс.), в кубовом  остатке содержится 98%(масс.) бензола. Расход исходной смеси 6т/час. Исходная смесь нагревается до температуры  кипения. Греющий пар имеет давление Р_изб. = 2кгс/см². 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Содержание 

1. Введение
2. Схема ректификационной установки
3. Материальный баланс
4. Определение скорости пара и диаметра колонны
5. Гидравлический расчет тарелок
6. Определение числа тарелок и высоты колонны
7. Тепловой расчет установки
8. Вывод
9. Список использованных источников

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Введение

 

     Ректификация  — массообменный процесс, который  осуществляется в большинстве случаев  в противоточных колонных аппаратах  с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными используемым в процессе абсорбции. Поэтому методы подход к расчету и проектированию ректификационных и абсорбционных установок имею много общего. Тем не менее ряд особенностей процесса ректификации (различие соотношение нагрузок по жидкости и пару в нижней и верхней частях колонны, переменные по высоте колонны физические свойства фаз и коэффициент распределения, совместное протекание процессов массо- и теплопереноса) осложняет его расчет.    

 Одна из  сложностей заключается в отсутствии  обобщенных закономерностей для  расчета кинетических коэффициентов  процесса ректификации. В наибольшей  степени это относится к колоннам  диаметром более 800 мм с насадками  и тарелками, широко применяемым  в химических производствах. Большинство  рекомендаций сводится к использованию  для расчета ректификационных  колонн кинетических зависимостей, полученных при исследовании  абсорбционных процессов (в приведенных  в данной главе примерах в  основном использованы эти рекомендации). 

     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 хF.

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 хW , 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 хР , 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.

  

      Рис. 1 Принципиальная схема ректификационной установки:

1. емкость 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 

    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).

Расчет ректификационной колонны сводится к определению  ее основных геометрических размеров - 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.

Расчет  тарельчатой ректификационной колонны непрерывного действия

      Большое разнообразие тарельчатых контактных устройств затрудняет выбор оптимальной  конструкции тарелки. При этом наряду с общими требованиями (высокая интенсивность  единицы объема аппарата, его стоимость  и др.) ряд требований может определяться спецификой производства: большим интервалом устойчивой работы при изменении  нагрузок по фазам, способностью тарелок  работать в среде загрязненных жидкостей, возможностью защиты от коррозии и  т.п. Зачастую эти качества становятся превалирующими, определяющими пригодность той или иной конструкции для использования в каждом конкретном процессе.

      Размеры тарельчатой колонный (диаметр и  высота) обусловлены нагрузками по пару и жидкости, типом контактного устройства (тарелки), физическими свойствами взаимодействующих фаз.

      Ректификацию  жидкостей, не содержащих взвешенных частиц и не инкрустирующих, при атмосферном давлении в аппаратах большой производительности часто осуществляют на ситчатых переточных тарелках.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Материальный  баланс.

Обозначим массовый расход дистиллята через G_D кг/ч, кубового остатка

через G_W кг/ч.

     Из  уравнений материального баланса (7.4) и (7.5)

     G_F = G_D + G_W;

     G_Fx_F = G_Dx_D + G_Wx_W:

  G_D + G_W  = 6000;

G_D ∙ 0,94 + G_W ∙ 0,02 = 6000 ∙ 0,5

Находим G_D = 3130,43 кг/ч, G_W = 2869,57 кг/ч.

      Для дальнейших расчетов выразим концентрации питания, дистиллята и кубового остатка  в мольных долях( в соответствии с табл. 6.2).

Питание:

     x_F =/M_д/[ _F/M_д + 100 -  _F/M_б] = 50/74/[50/74 + 50/78] = 0,513. 
Дистиллят:

x_D =_D/M_д/[ _D/M_д + 100 -  _D/M_б] = 94/74/[94/74 +6/78] = 0,943.

Кубовый остаток:

     x_W =_W/M_д/[ _W/M_д + 100 -  _W/M_б] = 2/74/[2/74 + 98/78] = 0,021.

Относительный мольный расход питания:

      F = x_D – x_W/x_F – x_W = 0,943 – 0,021/ 0,513 – 0,021 = 1,874. 

      Строим  кривую равновесия (рис.2):

                                                                           табл. 1

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

           Определяем минимальное число  флегмы по уравнению (7.10)

           R_мин = x_D – y_F^*/ y_F^*– x_F = 0,943 – 0,82/ 0,82 – 0,513 = 0,4,

где y_F^* = 0,4 – мольную долю диэтилового эфира в паре, равновесном с жидкостью питания, определяем по диаграмме y* – х.

            Рабочее число флегмы по уравнению (7.12):

            R = 1,3R_мин + 0,3 = 1,3 ·0,4 + 0,3 = 0,82.

            Уравнение рабочих линий:

            а) верхней (укрепляющей) части  колонны

            y = x + x_D/R+1 = х + 0,943/1,82

      y = 0,45x + 0,518;

            б) нижней (исчерпывающей) части колонны

            y = R + F/(R +1)x – F – 1/(R + 1)x_W = x – ·0,021. [1]

      y = 1,48x – 0,01. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4. Определение скорости пара и диаметра колонны.

Средние концентрации жидкости:

а) в верхней  части колонны

x’_CP = (x_F + x_D)/2 = (0,513 + 0,943)/2 = 0,728;

               б) в нижней части колонны

               x”_CP = (x_F + x_W)/2 = (0,513 + 0,021)/2 = 0,267

                Средние концентрации пара находим по уравнениям рабочих линий:

                а) в верхней части колонны

                y’_CP = 0,45 x’_CP + 0,518 = 0,45·0,728 + 0,518 = 0,846;

б) в нижней части колонны

y”_CP = 1,48 x”_CP – 0,01 = 1,48·0,267 – 0,01 = 0,385. 

Строим диаграмму  t – x,y по данным табл.1 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Средние температуры  пара определяем по диаграмме t – x,y (рис.3):

а) при  y’_CP = 0,846   t’_CP = 47⁰C

б) при  y”_CP = 0,385  t’’_CP = 68,5⁰C.

Средние мольные  массы и плотности пара:

а) M’_CP = 0,846·74 + 0,154·78 = 74,62кг/моль;

ρ’_CP = M’_CPT_o/22,4T’_CP = 74,62·273/22,4·320 = 2,84кг/м³;

б) M’’_CP = 0,385·74 + 0,615·78 = 76,46кг/моль;

ρ’’_CP = M’’_CPT_o/22,4T’’_CP = 76,46·273/22,4·341,5 = 2,73 кг/м³;

Средняя плотность  пара в колонне:

ρ_П = (ρ’_CP + ρ’’_CP)/2 = (2,84 + 2,73)/2 = 2,785кг/м³.

Температура вверху колонны при x_D = 0,943 равняется 36,5⁰С, а в

кубе – испарителе при x_W = 0,021 она равна 77⁰С (рис. 3).

                Плотность жидкого диэтилового эфира при 36,5⁰С ρ_д. = 690кг/м³, а жидкого бензола при 77⁰С ρ_б. = 820кг/м³[5]

                Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне