Автоматизация ректификации

Введение

Ректификация  – это процесс разделения жидких смесей, который сводиться к одновременно протекающим и многократно повторяемым  процессам частичного испарения  и конденсации разделяемой смеси  на поверхности контакта фаз. Ректификацию чаще всего проводят в колонных аппаратах.

Ректификационные  колонны предназначены для проведения процессов массообмена в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности. Колонные аппараты изготавливают  диаметром 400–4000 мм для работы под  давлением до 1,6 МПа в царговом (на фланцах) исполнении корпуса, для работы под давлением до 4,0 МПа – в цельносварном исполнении корпуса.

В зависимости  от диаметра, колонные аппараты изготавливают  с тарелками различных типов. Колонные аппараты диаметром 400–4000 мм оснащают стандартными контактными и распределительными тарелками , опорами, люками, днищами и фланцами. На корпусе цельносваренного аппарата предусмотрены люки для обслуживания тарелок.

Большое разнообразие тарельчатых контактных устройств  затрудняет выбор оптимальной конструкции тарелки. При этом наряду с общими требованиями (высокая интенсивность единицы объема аппарата, его стоимость и т.д.) ряд требований может определяться спецификой производства: большим интервалом устойчивой работы при изменении нагрузок по фазам, способность тарелки 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.

Расчет ректификационной колонны сводиться к определению её основных геометрических размеров диаметр и высота. Оба параметра в значительной мере определяются нагрузками по пару и жидкости, типом тарелки, свойствами взаимодействующих фаз .

Разделяемая смесь (бензол - толуол) близка по свойствам к идеальной смеси, без образования азеотропных смесей и других осложнений. Поэтому ректификацию будем проводить при атмосферном давлении на колпачковых тарелках. На питание колонны будем подавать исходную смесь, подогретую до температуры кипения; флегму будем подавать в виде жидкости при температуре кипения; кубовый остаток будем испарять и подавать в виде насыщенного пара в низ колонны.

Данная смесь  обладает токсичными, коррозийными свойствами. Выберем для изготовления аппарата качественную легированную сталь Х17Н13М2Т для деталей, сопряженных с органической смесью [4]. Для всех остальных элементов конструкции – саль Ст3. Выполним аппарат цельносварным с люками для обслуживания.  

1. Технологическая схема процесса ректификации

Исходную смесь  из промежуточной емкости-1 центробежным насосом-2 подают в теплообменник-3, где подогревают до температуры  кипения и подают в колонну  на ту тарелку, где кипит смесь  того же состава х_F, т.е. на верхнюю тарелку нижней исчерпывающей части колонны. Верхняя часть колонны называется укрепляющей по легколетучему компоненту.

Внутри ректификационной колонны-4 расположены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Снизу  вверх по колонне движется пар, поступающий  из выносного куба – испарителя (кипятильника)-5 (куб – испаритель может размещаться и непосредственно под колонной). На каждой тарелки происходит частичная конденсация пара труднолетучего компонента и за счет конденсации – частичное испарение легколетучего компонента. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка х_W, т.е. обеднен легколетучим компонентом. Таким образом, пар, выходящий из куба – испарителя и представляющий собой почти чистый труднолетучий компонент, по мере движения вверх обогащается легколетучим компонентом и покидает колонну в виде почти чистого пара легколетучего компонента. Для полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава х_Р, получаемой в дефлегматоре-6 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Пар конденсируется в дефлегматоре, охлаждаемом водой. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения – дистиллята, который охлаждается в теплообменнике-7 и направляется в промежуточную емкость-8. Флегма, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, обогащается труднолетучим компонентом.

Из куба –  испарителя отводят нижний продукт  или кубовый остаток.

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

Рисунок 1. Принципиальная схема ректификационной установки  непр. действия:

1-промежуточная  ёмкость

2-центробежный  насос

3-теплообменник

4– ректификационная  колонна

5-куб-испаритель

6-дефлегматор

7-теплообменник

8-промежуточная  ёмкость

9-насос

10- теплообменник

11-ёмкость. 

ЗАДАНИЕ №1

«Расчет ректификационной колонны непрерывного действия»

Провести расчет ректификационной колонны непрерывного действия для разделения смеси бензол-толуол с определением основных геометрических размеров колонного аппарата, производительность по продукту Р = 120 т/сутки. Тип колонны – тарельчатая, тип тарелки - колпачковая.

Содержание НК в смеси (мольн. доля):

Мольная концентрация начальной смеси: X_F = 0,4

Мольная концентрация дистиллята: X_P = 0,95

Мольная концентрация кубового остатка: X_W =0,03

Давление в  колонне P = 1,0 ата.

Исходная смесь  подогревается предварительно до температуры  кипения. Предусматривается горячее  орошение колонны. 

2. Технологический расчет

Основными задачами технологического расчёта процесса ректификации, являются определение  основных геометрических размеров ректификационной колонны (её диаметра и высоты), а  так же расхода греющего пара в  кубе колонны и охлаждающей воды в дефлегматоре. 

 

2.1 Материальный баланс

Целью составления  и решения уравнения материального  баланса является определение неизвестных  материальных потоков.

Температуры кипения  веществ при Р=760мм.рт.ст.:

Бензол Т_кип=80,2 ˚С (НК);

Толуол Т_кип=110,8 ˚С (ВК).

Молекулярные  массы веществ:

Бензол Мr=78,11 кг/кмоль;

Толуол Мr=92,13 кг/кмоль.

Расчет проведем по методике, предложенной в [1].

Уравнение материального  баланса имеет вид:

 (1)

где F– расход исходной смеси, кг/с;

P– расход верхнего продукта, кг/с;

W– расход нижнего продукта, кг/с;

– соответствующие массовые доли компонентов, кг/кг. 

 

F=0.558+0.823 = 1.387

1.388*0.4=0.558*0.95 + 0.83*0.03

0.555 = 0.555

Для расчетов выразим  концентрации питания, дистиллята и  кубового остатка в мольных долях , X. M_б = 78, M_т = 92 – мольные массы бензола и толуола соответственно.

X=(х_НК/ M_НК)/(х_НК/ M_НК +(1-х_НК)/ M_ВК)                                (2)

X_F = (0,4/78)/( 0,4/78+ (1 – 0,4)/92) = 0,0051 кмоль/кмоль смеси

X_Р = (0,95/78)/( 0,95/78+ (1 – 0,95)/92) = 0,012 кмоль/кмоль смеси

X_W = (0,03/78)/( 0,03/78+ (1 – 0,03)/92) = 0,00038 кмоль/кмоль смеси.

Для перевода массовых расходов F, P, W (кг/с) в мольные достаточно каждый из них разделить на соответствующую мольную массу вещества потока, которую можно рассчитать по уравнению:

 (3)

где ─ мольные доли компонента, кмоль/кмоль;

 ─ мольные массы соответствующих  компонентов,кг/кмоль;

─ мольная масса потока, кг/кмоль. 

М_смF = 78*0.0051+92(1-0.0051) = 91.928 кг/кмоль

М_смP = 78*0.012+92(1-0.012) = 91.83 кг/кмоль

М_смW = 78*0.00038+92(1-0.000038) = 91.99 кг/кмоль

 (4)

 (5)

 (6)

где F, P, W ─ массовые расходы, кг/с;

F_N, P_N, W_N─ мольные расходы, кмоль/с.

2.2 Построение фазовых диаграмм   

С целью проведения дальнейших материальных расчётов требуется  построение линий равновесия t-x-y диаграммы.

Таблица 2.2.1 - Содержания низкокипящего и высококипящего компонентов при различных температурах и давлении 760 мм.рт.ст.

2.3 Определение рабочего флегмового  числа

Определение флегмового числа

Атмосферное давление:

Давление в  колонне:

Строим таблицу  равновесного состава c помощью интерполяции [7,табл.XLVI и рис. XIV]:

По таблице  находим состав пара равновесного с  начальной смесью, с дистиллятом  и кубовым остатком: 

;

;

.

Рабочее (оптимальное) флегмовое число R определяет нагрузки ректификационной колонны по пару и  по жидкости и наряду с производительностью  колонны обуславливает геометрические размеры колонного аппарата и  затраты теплоты на проведение процесса.