Xreferat.ru » Рефераты по промышленности и производству » Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия

Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия

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 хF, 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 хW, 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 хР, 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.

Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия


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: XF = 0,4

Мольная концентрация дистиллята: XP = 0,95

Мольная концентрация кубового остатка: XW =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 Ткип=80,2 ˚С (НК);

Толуол Ткип=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:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия (1)


где F– расход исходной смеси, кг/с;

P– расход верхнего продукта, кг/с;

W– расход нижнего продукта, кг/с;

Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия– соответствующие массовые доли компонентов, кг/кг.

Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия

Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия

F=0.558+0.823 = 1.387 Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия

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. Mб = 78, Mт = 92 – мольные массы бензола и толуола соответственно.


X=(хНК/ MНК)/(хНК/ MНК +(1-хНК)/ MВК) (2)

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

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

XW = (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:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия (3)


где Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия─ мольные доли компонента, кмоль/кмоль;

Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия ─ мольные массы соответствующих компонентов,кг/кмоль;

Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия─ мольная масса потока, кг/кмоль.

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

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

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

Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия (4)

Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия (5)

Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия (6)


где F, P, W ─ массовые расходы, кг/с;

FN, PN, WN─ мольные расходы, кмоль/с.


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия

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.

Т, ˚C РНК Рвк П x y
80,2 760 300 760 1 1
84 852 333 760 0,823 0,922
88 957 380 760 0,659 0,83
92 1078 432 760 0,508 0,720
96 1204 493 760 0,376 0,596
100 1344 559 760 0,256 0,453
104 1495 626 760 0,155 0,304
108 1659 705 760 0,058 0,128
110,4 1748 760 760 0 0

2.3 Определение рабочего флегмового числа

Определение флегмового числа

Атмосферное давление:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия


Давление в колонне:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия


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

Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия

Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия

Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия

Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия

Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия

80 760 300

Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия

Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия

84 852 333 0,823 0,922
88 957 379,5 0,659 0,83
92 1078 432 0,508 0,72
96 1204 492,5 0,376 0,596
100 1344 559 0,256 0,453
104 1495 625,5 0,155 0,304
108 1659 704,5 0,058 0,127
110 1748 760 0 0

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

Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия;

Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия;

Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия.


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.

Исходным при выборе рабочего флегмового числа является минимальное его значение Rmin.


Rmin определяется по формуле [Иоффе]:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия (7)


где Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия- мольная доля продукта, кмоль/кмоль.


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия.


1. Принимаем коэффициент избытка флегмы:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия.


Рабочее флегмовое число:

Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия.


Координата точки b:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия.


Строим кривую равновесия:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия


С помощью кривой равновесия находим число теоретических тарелок:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия.


Находим произведение:

Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия.


2. Принимаем коэффициент избытка флегмы:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия.


Рабочее флегмовое число:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия.


Координата точки b:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия.


Строим кривую равновесия:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия

С помощью кривой равновесия находим число теоретических тарелок:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия.


Находим произведение:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия.


3. Принимаем коэффициент избытка флегмы:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия.


Рабочее флегмовое число:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия.


Координата точки b:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия.


Строим кривую равновесия:

Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия


С помощью кривой равновесия находим число теоретических тарелок:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия.


Находим произведение:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия.


4. Принимаем коэффициент избытка флегмы:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия.


Рабочее флегмовое число:

Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия.


Координата точки b:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия.


Строим кривую равновесия:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия


С помощью кривой равновесия находим число теоретических тарелок:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия.


Находим произведение:

Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия.


5. Принимаем коэффициент избытка флегмы:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия.


Рабочее флегмовое число:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия.


Координата точки b:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия.


Строим кривую равновесия:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия

С помощью кривой равновесия находим число теоретических тарелок:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия.


Находим произведение:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия.


Строим зависимость Nm*(R+1)=f(R):


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия


Из графика видно, что оптимальным будет 2 вариант. Флегмовое число и число теоретических тарелок при этом будут:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия


2.4 Определение действительного числа тарелок


Относительная летучесть начальной смеси:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия.

По [1,табл.IX] находим вязкости компонентов:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия;

Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия.


Вязкость жидкости на питательной тарелке:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия.


Общий коэф-т полезного действия в тарелке:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия.


Число действительных тарелок:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия.


Принимаем:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия.


2.5 Определение геометрических размеров тарельчатых колонн


В определение геометрических размеров входят определение высоты и диаметра колонны.

2.5.1 Определение диаметра колонны

Диаметр колонны определяется по формуле :


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия (10)


где V – объёмный расход паров для верха и для низа колонны, м3/с;

ω - скорость пара для верхней и для нижней колонны, м/c;

π – геометрическая постоянная (π =3,14).


2.5.2 Определение объёмного расхода паров

Определение объёмного расхода паров производиться по формуле:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия (11)


где P – мольный расход, кмоль/с;

R –оптимальное флегмовое число;

Mcp – средняя мольная масса пара, кг/кмоль;

ρп.ср – плотность пара для среднего сечения, кг/м2.

Средняя мольная масса пара определяется по формуле :


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия (12)


где Mнк, Мвк – мольные массы компонентов, кг/кмоль;;

yсрсредний мольный состав пара, кмоль/кмоль.

Средняя плотность пара определяется по формуле :

Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия (13)


где Т˚=273К;

Р0=760 мм.рт.ст.

Тср – средняя температура кипения смеси в среднем сечении верхней части колонны в ˚С (определяется по t-x-y диаграмме по значению yср)

Определение объёмного расхода паров в колонне производиться для верха и для низа колонны отдельно.

Среднее сечение верхней части колонны:

Средний мольный состав пара определяется по формуле :


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия (14)


где yp и yf -мольные доли компонентов (определяются по x-y диаграмме).


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия

Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия= 92,13*0,795 + 78,11*(1-0,795) = 89,24 кг/кмоль

Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия= 89,24*273/22,4(273+92,2) = 2,97 кг/м3

V = (0,006*(2,43+1)*89,24)/2,97 = 0,62 м3/сек


Среднее сечение нижней части колонны:

Средний мольный состав пара определяется по формуле [3]:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия (15)

где yц и yf -мольные доли компонентов (определяются по x-y диаграмме).


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия

Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия= 92,13*0,34 + 78,11*(1-0,34) = 82,87 кг/кмоль

Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия= 89,24*273/22,4(273+105,95) = 2,66 кг/м3

V = (0,006*(2,43+1)*82,87)/2,66 = 0,64 м3/сек


2.5.3 Определение скорости пара

Расчет проведем по методике предложенной в [1].

Для колпачковых тарелок предельно допустимая скорость рассчитывается по уравнению:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия (16)


где Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия – диаметр колпачка, м; Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия – расстояние от верхнего края колпачка до вышерасположенной колонны, м; Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия – соответственно плотности жидкой и паровой фазы, кг/м3.

Верхняя часть аппарата:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия (17)


где xср.нк – средний состав жидкости для верхней части колонны, кмоль/кмоль.

Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия (18)

Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия

Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия

Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия м/с


Нижняя часть аппарата:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия (19)

Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия

Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия

Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия м/с


Определим диаметр колонны для верха и для низа:


Верх. Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия

Низ: Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия Примем D=1000мм

Примем стандартный диаметр колонны одинаковый для верхней и нижней части и равный Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия м.

Параметры колпачковой тарелки типа ТСК-1 Свободное сечение колонны Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия м2, длина линии барботажа 9,3 м, периметр слива Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия м, площадь слива 0,05 м2, площадь паровых патрубков 0,073 м2, относительная площадь прохода паров 9%, число колпачков 37, диаметр колпачка Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия мм, шаг Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия мм, Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия мм, высота перелива Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия мм. Расстояние между тарелками Ht=0,35[1].


2.5.4 Определение высоты колонны

Определение высоты тарельчатой колонны производиться по следующему уравнению [1]:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия (20)


где Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия -высота тарельчатой (рабочей) части колонны, м;

h – расстояние между тарелками, м [1];

h1 - высота сепарационной части над верхней тарелкой, м;

h2 - расстояние от нижней тарелки до днища колонны, м.

Значения h1 и h2 выбрать в соответствии с практическими рекомендациями в зависимости от диаметра колонны [1]:


H=(16-1)*0.6+0.6+1.5=11.1 м


3. Тепловой расчет


В задачу теплового расчета входит определение расхода греющего пара в испарителе колонны и величину ее теплопередающей поверхности, а так же расхода охлаждающей воды в дефлегматор. Способ подвода и отвода тепла осуществляется за счет испарения части реакционной массы и за счет применения выносных поверхностей теплообмена.


3.1 Расчёт испарителя


Расход греющего пара в кубе колонны рассчитывается на основе составления и решения уравнения теплового баланса ректификационной колонны


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия (21)


где rводы – удельная теплота парообразования, Дж/кг ;

Р – расход верхнего продукта, кг/с;

W – расход нижнего продукта, кг/с;

Ropt – флегмовое число;

Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия – энтальпии потоков, Дж/кг;

rcp – средняя удельная теплота фазового перехода, кДж/кг;

Qпот – тепловые потери (от 3% до 5% от тепла греющего пара) [1]:


Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия (22)


где r –удельная теплота фазового перехода соответствующего компонента, Дж/кг [5];

tср = 95,4 ◦С ;

rнк = 90

rвк = 87

rср = 90*0,4+87*(1-0,4)= 88,2

rср = 88,2*4190 = 369558 Дж/кг.

Расчёт ректификационной колонны
					</div>
					<div class=Страницы: 1 2