Ректифікаційна установка безперервної дії для розділення суміші ацетон-бензол

Введення

Ректифікація - масообмінних процес, який здійснюється в більшості випадків у протиточних колонних апаратах з контактними елементами (насадки, тарілки), аналогічними використовуваним в процесі абсорбції. Тому методи підходу до розрахунку та проектування ректифікаційних і абсорбційних установок мають багато спільного. Проте ряд особливостей процесу ректифікації (різне співвідношення навантажень по рідини і пару в нижній і верхній частинах колони, змінні по висоті колони фізичні властивості фаз і коефіцієнт розподілу, спільне перебіг процесів масо-і теплопереносу) ускладнює його розрахунок.

Одна зі складностей полягає у відсутності узагальнених закономірностей для розрахунку кінетичних коефіцієнтів процесу ректифікації. Найбільшою мірою це стосується до колон діаметром більше 800 мм з насадками і тарілками, широко застосовуються у хімічних виробництвах. Більшість рекомендацій зводиться до використання для розрахунку ректифікаційних колон кінетичних залежностей, отриманих при дослідженні абсорбційних процесів.

У процесі ректифікації відбувається безперервний обмін між рідкої і парової фазою. Рідка фаза збагачується більш висококиплячих компонентах, а парова фаза - більш низькокиплячі. Процес масообміну відбувається по всій висоті колони між стікає вниз флегмою і піднімається вгору парою. Що б інтенсифікувати процес масообміну застосовують контактні елементи, що дозволяє збільшити поверхню масообміну. У разі застосування насадки рідина стікає тонкою плівкою по її поверхні, в разі застосування тарілок пар проходить через шар рідини на поверхні тарілок. У даній роботі наведено розрахунок тарельчатой ​​ректифікаційної колони для поділу бінарної суміші ацетон - бензол

Принципова схема ректифікаційної установки

Принципова схема ректифікаційної установки представлена ​​на. Вихідну суміш з проміжної ємності 1 відцентровим насосом 2 подають у теплообмінник 3, де вона підігрівається до температури кипіння. Нагріта суміш надходить на поділ в колону ректифікації 5 на тарілку харчування, де склад рідини дорівнює складу вихідної суміші Х _F.

Стікаючи вниз по колоні, рідина взаємодіє з піднімається вгору парою, що утворюється при кипінні кубовою рідини в кип'ятильник 4. Початковий склад пара приблизно дорівнює складу кубового залишку Х _w, тобто збіднений легколетучим компонентом. В результаті масообміну з рідиною пар збагачується легколетучим компонентом. Для більш повного збагачення верхню частину колони зрошують відповідно до заданого флегмовом числом рідиною (флегмою) складу Х _p, одержуваної в дефлегматоре 6 шляхом конденсації пара, що виходить з колони. Частина конденсату виводиться з дефлегматора у вигляді готового продукту поділу - дистиляту, який охолоджується в теплообміннику 7 і направляється в проміжну ємність 8.

З кубової частини колони насосом 9 безперервно виводиться кубова рідина - продукт, збагачений труднолетучим компонентом, який охолоджується в теплообміннику 10 і прямує в ємність 11.

Таким чином, у ректифікаційної колоні здійснюється безперервний нерівноважний процес поділу вихідної бінарної суміші на дистилят (з високим вмістом легколетучего компонента) і кубовий залишок (збагачений труднолетучим компонентом).

Рис. 1 Принципова схема ректифікаційної установки:

1 - ємність для вихідної суміші; 2,9 - Насоси, 3 - Теплообмінник-підігрівач, 4 - Кип'ятильник, 5 - ректифікаційна колона, 6 - Дефлегматор; 7 - холодильник дистиляту; 8 - ємність для збору дистиляту; 10 - холодильник кубової рідини; 11 - ємність для кубової рідини.

Технологічний розрахунок ректифікаційної колони безперервної дії

Завдання

Спроектувати ректификационную установку для поділу суміші.

Суміш: ацетон - бензол.

Кількість вихідної суміші: т / ч = 15000 кг / год

Склад вихідної суміші: % Мас.

Склад кубового залишку: % Мас.

Склад дистиляту: % Мас.

Тиск пари, що гріє: 5 ата

Тиск у колоні: 1 ата

Вид контактних пристроїв: клапанні тарілки

1. Побудова ступенів процесу ректифікації

1. Перерахунок масових часток у молярний

,

де М _А і М _B - Молярний маси ацетону і бензолу, відповідно, кг / моль.

М _А = 58 кг ​​/ моль; М _B = 78 кг / моль

2. Матеріальний баланс колони

Молярна маса вихідної суміші

Молярний секундний витрата суміші

кмоль / с

Витрата дистиляту

Підставимо це вираження в , Де F, D, W - витрати вихідної суміші, дистиляту, кубового залишку, кмоль / с.

кмоль / с

кмоль / с

3. Рівновага між парою і рідиною

Таблиця 1. Рівноважні склади рідини (x) і пара (y) в мол. і температури кипіння (t) в ° C бінарних сумішей при 760 мм. рт. ст.

Рис. 2 крива рівноваги і положення робочої лінії при R _хв

Рис. 3 Діаграма t - x, y.

1 - лінія рідини, 2 - лінія пара.

4. Мінімальна флегмовое число

b _max = 0,35 (рис. 2)

5. Робоче флегмовое число

1. ; - Коефіцієнт надлишку флегми

2.

3.

4.

5.

Рис. 4 графічних визначення числа теоретичних тарілок при

Рис. 5 Графічне визначення числа теоретичних тарілок при

Рис. 6 Графічне визначення числа теоретичних тарілок при

Рис. 7 Графічне визначення числа теоретичних тарілок при

Рис. 8 графічних визначення числа теоретичних тарілок при

6. Оптимальне флегмовое число

Таблиця 2. Число теоретичних ступенів при різних коефіцієнтах надлишку флегми

Рис. 9 Залежність числа теоретичних ступенів від флегмового числа

Рис. 10 Визначення оптимального флегмового числа

Графік (рис. 10), побудований на основі даних (табл. 2), показує, що мінімальний обсяг колони буде мати місце при R = 2,655. Приймемо це флегмовое число для подальших розрахунків і відповідне йому число теоретичних ступенів n _{тс в} = 19; n _{тс н} = 5

7. Молярний витрата рідини у верхній і нижній частині колони

кмоль / с

кмоль / с

8. Молярний витрата пари в колоні

кмоль / с

2. Фізико-хімічні властивості парової та рідкої фаз для верху і низу колони

1. Середні молярний концентрації рідини і пара

моль. дол.

моль. дол.

По діаграмі t - x, y (рис. 3), при середніх концентраціях рідини і , Визначимо середні температури рідини: ° С і ° С

моль. дол.

моль. дол.,

де y _D = x _D; y _W = x _W; y _F - склад пари, відповідний складу вихідної суміші x _F (рис. 6)

По діаграмі t - x, y (рис. 3), при середніх концентраціях пари і , Визначимо середні температури пари: ° С (334К) і ° С (347К);

2. Середні молярний маси рідини і пара

кг / кмоль

кг / кмоль

кг / кмоль

кг / кмоль

3. Середні щільності рідини і пара

Перерахунок мольних концентрацій в масові:

мас. дол.

мас. дол.

кг / м ^3,

де і - Щільності ацетону і бензолу відповідно при температурі ° С, кг / м ^3, кг / м ³

кг / м ^3,

де і - Щільності ацетону і бензолу відповідно при температурі ° С, кг / м ^3, кг / м ³

кг / м ³

кг / м ^3,

де Т ₀ - абсолютна температура, рівна 273К

4. Середні в'язкості рідини і пара

,

де і - В'язкості ацетону і бензолу відповідно при температурі ° С, ,

,

де і - В'язкості ацетону і бензолу відповідно при температурі ° С, ,

,

де і - В'язкості ацетону і бензолу відповідно при температурі ° С, ,

,

де і - В'язкості ацетону і бензолу відповідно при температурі ° С, ,

5. Масові і об'ємні витрати рідини і пара

Середні масові витрати:

кг / с

кг / с

кг / с

кг / с

Об'ємні витрати:

м ³ / с

м ³ / с

м ³ / с

м ³ / с

Таблиця 3. Параметри потоків пари і рідини в колоні

3. Гідравлічний розрахунок колони

1. Коефіцієнт збільшення навантаження

2. Оцінна швидкість пара

для верхньої частини колони:

м / с

для нижньої частини:

м / с

3. Діаметр

верхньої частини колони:

м

нижньої частини колони:

м

4. Дійсна швидкість пара

Так як Приймаються колону діаметром у верхній частині колони:

м / с

в нижній частині колони:

м / с

5. Відносна активна площа тарілки

Периметр зливу м; відносне вільне перетин %; Перетин переливу 0,3 м ²

Відносне перетин переливу:

Відносна активна площа тарілки:

6. Фактор навантаження

для верхньої частини колони:

для нижньої частини колони:

Коефіцієнт поверхневого натягу для верхньої частини колони:

,

де і - Поверхневий натяг суміші для верхньої та нижньої частини колони відповідно, Н / м, Н / м

Приймемо мінімальна відстань між тарілками м ;

Допустима швидкість пари в робочому перетині колони для верхньої частини:

м / с для нижньої частини колони:

м / с

7. Перевірка умов допустимості швидкостей пара для верхньої і нижньої частин колони:

> <

> <

Видно, що умова не виконується ні для верхньої, ні для нижньої частин колони. Збільшуючи послідовно відстань між тарілками, а також діаметр колони, знайдемо, що умова буде виконуватися лише при діаметрі м; м

Дійсна швидкість пари в верхній частині колони:

м / с

в нижній частині колони:

м / с

Периметр зливу м; відносне вільне перетин %; Перетин переливу 0,52 м ²

Відносне перетин переливу:

Відносна активна площа тарілки:

Відстань між тарілками м ;

Допустима швидкість пари в робочому перетині колони для верхньої частини:

м / с

для нижньої частини колони:

м / с

Умови допустимості швидкостей пара для верхньої і нижньої частин колони:

> >

> >

Умови виконуються.

8. Питома навантаження рідини на зливну перегородку

у верхній частині колони:

м ³ / м ∙ з

в нижній частині колони:

м ³ / м ∙ з

9. Фактор парової навантаження

для верхньої частини колони:

для нижньої частини колони:

Підпір рідини над зливним порогом у верхній частині колони:

для нижньої частини:

10. Глибина барботаж

м

Висота парожідкостной шару на тарілках верхньої частини колони:

м

на тарілках нижньої частини колони:

м

11. Висота зливного порога

у верхній частині колони:

м

в нижній частині колони:

м

12. Динамічна глибина барботаж

м

13. Мінімально допустима швидкість пара у вільному перерізі колони

Питома вагова навантаження клапана

кг / м ^2,

де - Товщина клапана рівна 0,001 м; - Щільність матеріалу (сталь) рівна 7700 кг / м ³

Мінімально допустима швидкість пара у вільному перерізі верхніх тарілок:

м / с

у вільному перерізі нижніх тарілок:

м / с,

де - Коефіцієнт опору

Коефіцієнт запасу перетину:

Так як > 1 і > 1, вибране вільний перетин тарілок забезпечує їх рівномірну роботу, приймаємо

14. Фактор аерації

для верхніх тарілок:

для нижніх тарілок:

15. Газосодержание шару

на верхніх тарілках:

на нижніх тарілках:

16. Висота шару рідини

на верхніх тарілках:

м

на нижніх тарілках:

м

17. Гідравлічний опір тарілок

у верхній частині колони:

Па

в нижній частині колони:

Па

18. Висота сепарації простору між тарілками

у верхній частині колони:

м

в нижній частині колони:

м,

де К ₅ = 1 - коефіцієнт піноутворюваність суміші

19. Межтарельчатий винесення рідини

у верхній частині колони:

кг / кг

в нижній частині колони:

кг / кг

20. Площа поперечного перерізу колони:

м ²

Швидкість рідини в переливних пристроях верхніх тарілок:

м / с

в переливних пристроях нижніх тарілок:

м / с

Допустима швидкість рідини в переливних пристроях верхніх тарілок:

м / с в переливних пристроях нижніх тарілок:

м / с

Дійсна швидкість рідини в переливах менше допустимих.

4. Локальна ефективність контакту

1. Коефіцієнт дифузії пара

,

де ; питомий об'єм ацетону і бензолу відповідно

Коефіцієнт дифузії пара у верхній частині колони:

,

де - Температура пари у верхній частині колони

Коефіцієнт дифузії пари в нижній частині колони:

,

де - Температура пари в нижній частині колони

для верхньої частини колони:

,

де і - В'язкості ацетону і бензолу відповідно при температурі ° С, ,

,

де Ф = 1 - безрозмірний параметр, враховує асоціацію молекул розчинника

Коефіцієнт дифузії рідини для нижньої частини колони:

,

де і - В'язкості ацетону і бензолу відповідно при температурі ° С, ,

2. Число одиниць переносу

в газовій фазі для верхньої частини колони:

для нижньої частини колони:

Число одиниць переносу в рідкій фазі для верхньої частини колони:

де м / с

для нижньої частини:

де м / с

3. Фактор відхилення

Середнє значення тангенсів кута нахилу лінії рівноваги для верхньої і нижньої частин колони:

Фактор відхилення для верхньої частини колони:

для нижньої частини колони:

4. Загальне число одиниць переносу

для верхньої частини колони:

для нижньої частини колони:

5. Локальна ефективність тарілок

у верхній частині колони:

в нижній частині колони:

5. Ефективність тарілок по Мерфрі

1. Коефіцієнт турбулентної дифузії

для тарілок у верхній частині колони:

,

де при h _0> 0,25 мм А = 0,58 ∙ 10 ^-4; ; ;

;

,

де

для тарілок у нижній частині колони:

,

де при h _0> 0,25 мм А = 0,58 ∙ 10 ^-4; ; ;

;

;

2. Критерії Фур'є

для тарілок у верхній частині колони:

для тарілок у нижній частині колони:

3. Ефективність тарілок

у верхній частині колони:

,

де

в нижній частині колони:

де

4. Число дійсних тарілок

у верхній частині колони:

в нижній частині колони:

5. Висота верхньої робочої частини колони:

м

Висота нижньої робочої частини колони:

м

6. Гідравлічний опір

верхньої частини колони:

Па

Гідравлічний опір нижній частині колони:

Па

Загальна гідравлічний опір робочої частини колони:

Па

6. Розрахунок штуцерів

1. для вихідної суміші:

м

2. для входу парожідкостной суміші:

м

3. для виходу пари:

м

4. для входу флегми:

м

5. для виходу кубового залишку:

м

Висновок

Таблиця 4. Основні параметри ректифікаційної колони

Список літератури

1. Ульянов. Б.А., Баденіков В.Я, Лікучев В.Г., процеси та апарати хімічної технології. Навчальний посібник - Ангарськ: Видавництво ангарської державної технічної академії, 2005 р. - 903 с.

2. Дитнерскій Ю.І. основні процеси та апарати хімічної технології: посібник з проектування / Под ред. Ю.І. Дитнерского. М.: хімія, 1991.-496 с.

3. Методичні вказівки по курсовому проектуванню процесів і апаратів хімічної технології - Вид. 2-е, испр. І доп. - Ангарськ, АГТА, 2005 р. - 64 с.