Расчет ректификационной колонны для разделения жидкой бинарной смеси бензол-толуол

Фракционная перегонка. Перегонку проводят путем постепенного испарения жидкости, находящейся в перегонном кубе. Образующиеся пары отводятся и конденсируются. Процесс осуществляют периодическим или непрерывным способом.

  • Если простая перегонка проводится периодически, то в ходе отгонки НК содержание его в кубовой жидкости уменьшается. Вместе с тем, изменяется во времени и состав дистиллята, который обедняется НК по мере протекания процесса. В связи с этим отбирают несколько фракций дистиллята, имеющих различный состав. Простая перегонка, проводимая с получением конечного продукта разного состава, называется фракционной, или дробной, перегонкой.
  • Ректификация — разделение жидких однородных смесей на составляющие вещества или группы составляющих веществ в результате противоточного взаимодействия паровой смеси и жидкой смеси.
  • Возможность разделения жидкой смеси на составляющие её компоненты ректификацией обусловлена тем, что состав пара, образующегося над жидкой смесью, отличается от состава жидкой смеси в условиях равновесного состояния пара и жидкости.
  • Процессы ректификации осуществляются периодически или непрерывно при различных давлениях: при атмосферном давлении, под вакуумом (для разделения смесей высококипящих веществ), а также под давлением больше атмосферного (для разделения смесей, являющихся газообразными при нормальных температурах).

  • Непрерывно действующие установки. Ректификационная колонна имеет цилиндрический корпус, внутри которого установлены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Снизу вверх по колонне движутся пары, поступающие в нижнюю часть аппарата из кипятильника, который находится вне колонны, т. е. является выносным, либо размещается непосредственно под колонной. Следовательно, с помощью кипятильника создается восходящий поток пара.
  • Влияние агрегатного состояния и температуры исходной смеси на работу колонны.
  • При выборе оптимальных условий работы ректификационной установки необходимо учитывать расход тепла и основные параметры (температуру и давление) теплоносителей — греющего пара и охлаждающей воды, а также требуемые размеры как самой колонны, так и соединенных с ней теплообменных аппаратов (кипятильника, нагревателя исходной смеси, дефлегматора и холодильника паров).

    Все эти факторы взаимосвязаны и зависят, в частности, от температуры и агрегатного состояния подаваемой на разделение смеси.

  • Исходная смесь может поступать в колонну не только в жидком, но и в парообразном состоянии или в виде смеси жидкости и пара.
  • При прочих равных условиях — заданны составах дистиллята уD и остатка xW , давлении Р в колонне и др. — подвод тепла в колонну минимален в случае подачи в нее жидкой исходной смеси, предварительно нагретой до температуры кипения tK на питающей тарелке.
  • 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).
    5 стр., 2057 слов

    Кипение жидкостей, пересыщенный пар, перегретая жидкость

    ... давления растет и точка кипения. Уменьшение температуры кипения жидкости может играть и полезную роль. Так, например, при нормальном атмосферном давлении жидкий фреон кипит при температуре ... адиабатное расширение газа, что сопровождается понижением его температуры. За счет охлаждения пар становится переохлажденным (пересыщенным). Заряженные частицы, образующиеся при радиоактивном распаде, например ...

    Кипятильники имеют поверхность нагрева в виде змеевика или представляют собой кожухотрубчатый теплообменник, встроенный в нижнюю часть колонны. Более удобны для ремонта и замены выносные кипятильники, которые устанавливают ниже колонны с тем, чтобы обеспечить естественную циркуляцию жидкости.

  • 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 наиболее часто производится водяным насыщенным паром.

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

    Однако вопрос о направлении конденсирующихся паров и охлаждающего агента внутрь или снаружи труб следует решать в каждом конкретном случае, учитывая желательность повышения коэффициента теплопередачи и удобство очистки поверхности теплообмена.

  • Исходная смесь поступает со склада в емкость Е1. На емкости устанавливают прибор для измерения уровня, который показывает и сигнализирует о предельном верхнем и нижнем его значении. При достижении верхней отметки прекращают подачу исходной смеси в емкость, при достижении нижней — возобновляют.

    Из емкости Е1 жидкостная смесь окачивается центробежным насосом Н1. Насос продублирован на случай отказа запасным насосом Н2. Также предусмотрена обводная (байпасная) линия, работающая в случае останова установки на ремонт или профилактику, которая служит для спуска жидкости из трубопровода.

    В установке предусмотрено рациональное использование тепла. Тепло отходящих потоков используется для нагревания всходящих, то есть нагревают исходную смесь за счет тепла жидкости, удаляющейся из нижней части колонны, так называемого кубового остатка. Данный теплообмен осуществляется в рекуператоре Х1.

    Это теплообменный кожухотрубчатый аппарат, в одно пространство которого подается насосом исходная смесь, а в другое — кубовый остаток.

    После выхода из рекуператора исходная смесь нагревается, но не до температуры кипения. Дальнейший нагрев смеси осуществляют в подогревателе П. В трубное пространство этого кожухотрубчатого теплообменника поступает, подогретая исходная смесь, а в межтрубное — греющий пар, подаваемый по трубопроводу из котельной. Пар, конденсируясь, отдает свое тепло исходной смеси, нагревая ее до температуры кипения.

    Температура исходной смеси регулируется специальным прибором. Далее кипящая смесь поступает в колонну на ректификацию.

    В колонне пары исходной смеси идут вверх, обогащаясь метиловым спиртом, а жидкая фаза идет на орошение нижней части.

    5 стр., 2140 слов

    Экономическая часть дипломной работы строительство

    ... страниц. Презентация, представляющая отчет о выполненной дипломной работе и результаты работы. ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ, ПОДЛЕЖАЩИХ РАЗРАБОТКЕ В ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКЕ Постановка задачи Общая часть Практическая часть, Экономическая часть, Заключение:, Приложения:, Список используемой литературы, ...

    Жидкость, выводимая из нижней части колонны, частично отводится в емкость Е2, проходя при этом через рекуператор Х1 (см. выше), а частично подается в кипятильник К, который нагревает остаток до температуры кипения и полностью испаряет его. После выхода из кипятильника кубовый остаток полностью переходит в пар. Нагрев осуществляют греющим паром, поступающим из котельной.

    Сконденсировавшиеся пары греющего пара из подогревателя и кипятильника удаляют с помощью конденсатоотводчиков КО2 и КО1 соответственно. Для обеспечения непрерывной работы установки при ремонте и осмотре водоотводчиков их снабжают обводной (байпасной) линией.

    Пар из кипятильника поднимается вверх по колонне, соединяется с парами исходной смеси, и, все более обогащаясь этанолом, выходит через верхний штуцер. Затем он направляется на конденсацию в дефлегматор Д.

    В дефлегматоре пары этанола конденсируются за счет охлаждающей воды.

    Конденсат поступает в емкость Е4. Здесь он делится на два потока: жидкость, отбираемую на орошение колонны — флегму и готовый продукт — дистиллят. Флегма закачивается в колонну насосом Н7, который продублирован насосом Н8. Для спуска жидкости при останове установки предусмотрена обводная (байпасная) линия.

    Флегма, поданная в колонну на орошение, смешивается с исходной смесью и стекает по тарелкам в куб колонны.

    Дистиллят, протекая по трубопроводу, подводится к холодильнику Х2, где он охлаждается до нужной температуры холодной водой. Охлажденный дистиллят поступает в емкость Е3. Здесь также установлен прибор для измерения уровня, включающий насос Н6 при достижении количеством готового продукта — этанола — заданной отметки.

    1. Расчет колонны

    1.1 Материальный баланс

    Массовый расход дистиллята G F =5.5 кг/с (см. задание)

    X D =94 мольн.

    X F =30 мольн.

    X W =8 мольн.

    Для дальнейших расчетов необходимо концентрации исходной смеси, дистиллята и кубового остатка выразить в массовых долях.

    масс

    масс

    масс

    М А , МВ — молекулярные массы соответственно бензола и толуола.

    Массовый расход кубового остатка-G W и массовый расход дистиллята -GD найдем из уравнений материального баланса

    • по потокам
    • по низкокипящему компоненту

    Из этой системы уравнений находим

    Относительный мольный расход питания

    кг/с

    Кривая равновесия РИС 3 точек перегиба не имеет.

    Определяем минимальное число флегмы

    где Y F * =0.51-мольная доля бензола в паре, равновесном с жидкостью питания, определяется по диаграмме Y*-X

    Рабочее число флегмы

    Уравнения рабочих линий

    1. Верхней (укрепляющей) части колонны

    Y=0.746x+0.238

    1. Нижней (исчерпывающей) части колонны

    Y=1.739x-0.059

    Расчет скорости пара и диаметра колонны

    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 и размеров насадок.

    3 стр., 1392 слов

    Специфика формирования технологической части дипломного проекта

    ... с ограничением сроков реализации и оформления результатов. Роль технологической части дипломной работы Технологический раздел дипломной работы играет важнейшую роль в подготовке и оценке новоиспеченного специалиста. ... цикла и пр.). Какие источники информации кладут в основу технологической части дипломной работы? Технологическая часть ВКР представлена в виде всевозможных расчетов, схем и графиков, ...

    При проведении процессов вакуумной ректификации с целью снижения гидравлического сопротивления выбирают специальные виды насадок, обладающих большим свободным объемом. Наиболее правильно выбор оптимального типа и размера насадки может быть осуществлен на основе технико-экономического анализа общих затрат на разделение в конкретном технологическом процессе

    Ориентировочный выбор размера насадочных тел можно осуществить исходя из следующих соображений. Чем больше размер элемента насадки, тем больше ее свободный объем (живое сечение) и, следовательно, выше производительность. Однако вследствие меньшей удельной поверхности эффективность крупных насадок несколько ниже. Поэтому насадку большого размера применяют, когда требуются высокая производительность и сравнительно невысокая степень чистоты продуктов разделения.

    В ректификационных колоннах, работающих при атмосферном давлении , для разделения агрессивных жидкостей, а также в тех случаях, когда не требуется частая чистка аппарата, обычно применяют керамические кольца Рашига.

    Для данного случая примем насадку из керамических колец Рашига размером 50х50х5мм. Удельная поверхность насадки д=87.5, Свободный объем V св =0,785 м33 , насыпная плотность 530 кг/м3 .

    В соответствии с проведенным выше расчетом имеем R=2.94

    Дальнейший расчет насадочной колонны ведется отдельно как для верхней части колонны, так и для нижней. Это объясняется тем, что объемный расход и скорости пара для обеих частей колонны будут различны.

    1.2 Определение скорости пара в колонне

    Выбор рабочей скорости паров обусловлен многими факторами и обычно осуществляется путем технико-экономического расчета для каждого конкретного процесса. Для ректификационных колонн, работающих в пленочном режиме при атмосферном давлении, рабочую скорость можно принять на 20-30% ниже скорости захлебывания

    Предельную фиктивную скорость пара щ п , при которой происходит захлебывание насадочных колонн, определяют по уравнению:

    где с x , сy — средние плотности жидкости и пара, кг/м3 ;

    м х — вязкость жидких смесей бензола и толуола

    Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости для верхней и нижней части колонны определяют из соотношений:

    где М D и МF -мольные массы дистиллята и исходной смеси; МВ и МН — средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны.

    Мольная массу дистиллята

    Средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равны

    где М б и Мт — мольные массы бензола и толуола;

    Х СР.В. и ХСР. Н. — средний мольный состав жидкости соответственно в верхней и нижней частях колонны:

    Средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны

    Мольная масса исходной смеси М F

    Отсюда

    Рассчитываем средние концентрации низкокипящего компонента в паре:

    а) верхней (укрепляющей) части колонны:

    8 стр., 3568 слов

    Расчет ректификационной колонны

    ... компонента - ацетона. Расчет ведем из условия, что режим работы колонны - пленочный. Средние мольные массы жидкости в верхней нижней частях колонны соответственно равны: мольные ... нижней части колонны: Предельная скорость паров в верхней части колонны : Откуда Предельная скорость паров в нижней части колонны : Откуда Примем рабочую скорость на 30% ниже предельной: Диаметр ректификационной колонны ...

    б) нижней (исчерпывающей) части колонны:

    Средние температуры пара определяем по диаграмме t — x,y (рис.4):

    а) при =0,7

    б) при=0,271

    Средние мольные массы паров в верхней и нижней части колонны

    а)

    б)

    Средние массовые потоки пара в верхней G В и нижней GН частях колонны соответственно равны:

    Плотности пара в колонне:

    Средняя плотность пара в колонне:

    Плотности жидких бензола и толуола близки. Температура в верху колонны при y D = 0,94 равняется 82о С, а в кубе — испарителе при хw = 0,08 она равна 107 о С (рис.4).

    Плотность жидкого бензола при 82 о С сб . = 813 кг/м3 , а жидкого толуола при 107 о С ст . = 780 кг/м3 .

    Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне:

    с ж = (813+780)/2=796,5 кг/м3

    Вязкость жидких смесей м х находим по уравнению:

    где м б , мт — вязкости жидких бензола и толуола при температуре смеси

    Для верхней части колонны при температуре 82 0 С с.516 т.9, [1]

    м б =0,31мПа*с

    м т =0,376мПа*с

    Для нижней части колонны при температуре 107 0 С с.516 т.9, [1]

    м б =0,257мПа*с

    м т =0,257мПа*с

    Тогда вязкость жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равна:

    Предельная скорость паров в верхней части колонны щ П.В щП.Н

    щ П.В =2,72м/с

    Предельная скорость паров в нижней части колонны щ П.Н

    щ П. Н =2,48м/с

    Примем рабочую скорость щ на 30% ниже предельной:

    щ =0,7*2,72=1,9м/с

    щ =0,7*2,48=1,736м/с

    1.3 Расчет диаметра колонны

    Диаметр ректификационной колонны определим из уравнений расхода

    Отсюда диаметры верхней и нижней части колонны равны:

    Рационально принять стандартный диаметр обечайки d=1,2м одинаковым для обеих частей колонны. При этом действительные рабочие скорости паров в колонне равны:

    Что составляетщ =61,73%

    щ =70%

    от предельных скоростей.

    1.4 Определение высоты колонны

    Высота насадки рассчитывается по уравнению:

    Эквивалентную высоту насадки h э рассчитываем по уравнению:

    Вязкости паров бензола и толуола находим из номограммы с 9, №4 [4] при средней температуре пара в верхней и нижней частях колонны:

    t ср.В =92,60 C

    t ср.Н =1050 C

    м б б =

    м т т =

    Тогда вязкость паров для верхней и нижней частях колонны м П.ВП.Н )= мсм.

    3 стр., 1224 слов

    Курсовая работа расчет и проектирование сварной колонны

    ... нарезанной части болта 90 мм, длина заделки болта в бетон 1300 мм. Список использованной литературы [Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kursovaya/raschet-i-proektirovanie-svarnoy-kolonnyi/ 1.Дружинин Н.В., Селиванов М.И. Расчет и проектирование внецентренно сжатой сварной колонны: ...

    ;

    ;

    ;

    Число ступеней изменения концентрации в пределах от х D =0.94 до хF =0,3 для верхней части колонны и от хF =0.3 до хW =0,08 для нижней часто колонны найдем mверхн mнижн

    Эквивалентная высота насадки h э в верхней части колонны:

    Эквивалентная высота насадки h э в нижней части колонны:

    Число теоретических тарелок из РИС 3 n т =11 (6 в верхней части колонны и 5 в нижней части)

    Высота насадки в верхней и нижней частях колонны, соответственно, равны:

    Общая высота насадки в колонне равна:

    С учетом того, что высота слоя насадки в одной секции Z=3м, общее число секций в колонне составляет 6 (4 секции в верхней части и 2 в нижней части).

    Общую высоту ректификационной колонны определяют по уравнению:

    • где Z-высота насадки в одной секции, м;
    • n-число секций;
    • h p -высота промежутков между секциями насадки, в которых устанавливают распределители жидкости, м;
    • Zв и Zн соответственно высота сепарационного пространства над насадкой и расстоянием между днищем колонны и насадкой, м.

    Значения Z в и Zн