Расчет ректификационной установки для разделения смеси вода – уксусная кислота

• Перечень условных обозначений
• Введение
• Теоретическая часть
• 1.1Технологическая схема ректификационной установки
• 1.2Физико-химические характеристики продукта
• 1.2.1 Физические свойства воды
• 1.2.2.Физические свойства уксусной кислоты
• 1.3 Технологический расчет аппарата
• 1.3.1 Материальный баланс
• 1.3.2 Определение скорости пара и диаметра колонны
• 1.3.3 Гидравлический расчет тарелок
• 1.3.4 Определение числа тарелок и высоты колонны
• 1.3.5 Тепловой расчет установки
• Заключение
• Список литературы
• Перечень условных обозначений
• b — ширина сливной перегородки, м;
• c — удельная теплоемкость, Дж/(кг*К);
• сD — удельная теплоемкость дистиллята, Дж/(кг*К);
• cF — удельная теплоемкость исходной смеси, Дж/(кг*К);
• cW — удельная теплоемкость кубового остатка, Дж/(кг*К);
• D — коэффициент диффузии, м2/с;
• d — диаметр, м;
• dэ — эквивалентный диаметр, м;
• F — поверхность теплоотдачи, м2;
• Gрасход паровой фазы, кг/с;
• GDрасход дистиллята, кг/с;
• GF — расход исходной смеси, кг/с;
• GR — расход флегмы, кг/с;
• G — расход кубового остатка, кг/с;
• GV — расход паров дистиллята, кг/с;
• GW — расход кубового остатка, кг/с;
• GГП — расход греющего пара, кг/с;
• g — ускорение свободного падения, м/с2;
• НК — общая высота ректификационной колонны, м;
• hOобщая высота единицы переноса, м;
• hпер — высота переливной перегородки, м;
• К — коэффициент теплопередачи, Вт/(м2*К);
• lт — расстояние между переливными устройствами, м;
• L — расход жидкой фазы, кг/с;
• М — мольная масса, кг/кмоль;
• МD — мольная масса дистиллята, кг/кмоль;
• МF — мольная масса исходной смеси, кг/кмоль;
• MW — мольная масса кубового остатка, кг/кмоль;
• m — коэффициент распределения;
• Nчисло теоретических ступеней разделения;
• nOобщее число единиц переноса;
• Р — абсолютное давление в колонне, кгс/см2;
• q — удельный расход жидкости на 1 м ширины сливной перегородки, м2/с;
• QD — расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде, Вт;
• QF — расход теплоты в паровом подогревателе исходной смеси, Вт;
• QW — расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном
• холодильнике кубового остатка, Вт;
• QК — расход теплоты, получаемой в кубе-испарителе от греющего пара, Вт;
• QПОТ — тепловые потери колонны в окружающую среду, Вт;
• R — флегмовое число;
• R_MIN — минимальное флегмовое число;
• r — удельная теплота конденсации, Дж/кг;
• r_D — удельная теплота конденсации паров в дефлегматоре, Дж/кг;
• S — площадь, м²;
• T — температура, К;
• t — температура, ⁰С;
• t_D — температура кипения дистиллята, ⁰С;
• t_F — температура кипения исходной смеси, ⁰С;
• t_W — температура кипения кубового остатка, ⁰С;
• U — плотность орошения, м³/(м²*с);
• ? — мольный объем, м³/кмоль;
• V_В — объемный расход охлаждающей воды, м³/с;
• w — рабочая скорость, м/с;
• w_Ж — скорость жидкости, м/с;
• w_П — скорость пара, м/с;
• w_П — предельная скорость паров, м/с;
• х — влагосодержание воздуха, кг/кг;
• х_D — мольная доля хлороформа в дистилляте, кмоль/кмоль смеси;
• х_F -мольная доля хлороформа в исходной смеси, кмоль/кмоль смеси;
• х_W — мольная доля хлороформа в кубовом остатке, кмоль/кмоль смеси;
• — массовая доля хлороформа в дистилляте, кг/кг смеси;
• — массовая доля хлороформа в исходной смеси, кг/кг смеси;
• — массовая доля хлороформа в кубовом остатке, кг/кг смеси;
• х_ОБ — объемная доля компонента в смеси;
• х_СР — средний мольный состав жидкости, кмоль/кмоль смеси;
• y_СР — средний мольный состав пара, кмоль/кмоль смеси;
• y_F* - мольная доля хлороформа в паре, равновесном с исходной
• смесью, кмоль/кмоль смеси;
• ? — коэффициент избытка флегмы;
• ? — вязкость, Па*с;
• ?- плотность, кг/м³;
• ?_ПD — плотность паров дистиллята, кг/м³;
• ?_СМ — плотность физической смеси жидкостей, кг/м³;
• ? — поверхностное натяжение, Н/м;
• ? — коэффициент трения;
• в — температурный коэффициент;
• — гидравлическое сопротивление тарелок, Па;
• — гидравлическое сопротивление сухой тарелки, Па;
• — средняя разность температур горячего и холодного носителей;
• ? — доля байпасирующей жидкости;
• ? — паросодержание барботажного слоя;
• Fr — критерий Фруда;
• Н_С — высота сеперационного пространства
• Введение
• Ректификация — массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаев в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными используемыми в процессе абсорбции. Поэтому методы подхода к расчету и проектированию ректификационных и абсорбционных установок имеют много общего.
• 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. Зачастую эти качества становятся превалирующими, определяющими пригодность той или иной конструкции для использования в каждом конкретном процессе.
• Целью расчета массообменного аппарата является определение конструктивных размеров, т. е. высоты и диаметра колонны, гидромеханических и экономических показателей ее работы.
• При расчете процессов ректификации составы жидкостей обычно задаются в массовых долях или процентах, а для практического расчета удобнее пользоваться составами жидкостей и пара, выраженными в мольных долях или процентах.
• 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.
• 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).
• 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.
• 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: заданных составах дистиллята у_D и остатка x_W, давлении Р в колонне — подвод тепла в колонну минимален в случае подачи в нее жидкой исходной смеси, предварительно нагретой до температуры кипения t_K 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). 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. [11]

1. Теоретическая часть

1.1 Технологическая схема ректификационной установки

Технологическая схема установки представлена на рисунке 1.

1- емкость для исходной смеси; 2,9- насосы; 3- теплообменник-подогреватель; 4- кипятильник; 5- ректификационная колона; 6- дефлегматор; 7- холодильник дистиллята; 8- емкость для сбора дистиллята; 10- холодильник кубовой жидкости; 11- емкость для кубовой жидкости.

Рисунок 1 — Принципиальная схема ректификационной установки В установке для непрерывной ректификации колона состоит из двух частей: верхней — укрепляющей и нижней — исчерпывающей части колоны, для того, чтобы поступающая на разделение смесь соприкасалась со встречным потоком пара с большим содержанием высококипящего компонента в исходной смеси. В исчерпывающей части колоны происходит удаление низкокипящего компонента из стекающей вниз жидкости, в верхней части обогащение низкокипящим компонентом поднимающихся паров. 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 X_F. На питательной тарелке жидкость смешивается с флегмой из укрепляющей части колонны и, стекая вниз, взаимодействует с поднимающимися навстречу паром, более богатым высококипящим компонентом, при этом из жидкости происходит удаление низкокипящего компонента. В нижнюю часть колонны стекает жидкость, состоящая почти целиком из высококипящего компонента, часть её называется кубовым остатком и непрерывно отводится через холодильник кубовой жидкости 10 в емкость для кубовой жидкости 11. Пар поднимается по всей колонне снизу вверх, обогащаясь при этом низкокипящим компонентом. Пар, выходя из колонны, поступает в дефлегматор 6, где он конденсируется. При этом часть конденсата возвращается в колонну в виде флегмы, другая часть выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения — дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в промежуточную емкость 8. Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят и кубовый остаток.

1.2 Физико-химические характеристики продукта

1.2.1 Физические свойства воды

Вода в нормальных условиях сохраняет жидкое агрегатное состояние.

Плотность: 0,9982 г/куб.см Динамическая вязкость (ст.усл.): 0,101 Па*с (при 20°C)

Кинематическая вязкость (ст.усл.): 0,1 012 кв. см/с (при 20°C)

Термические свойства воды:

Температура плавления: 0°C

Температура кипения: 99,974°C

Тройная точка: 0,01 °C, 611,73 Па Критическая точка: 374 °C, 22,064 MПа Молярная теплоёмкость (ст.усл.): 75,37 Дж/(моль*К) Теплопроводность (ст.усл.): 0,56 Вт/(м*K)

1.2.2 Физические свойства уксусной кислоты

Уксусная кислота представляет собой бесцветную жидкость с характерным резким запахом и кислым вкусом. Гигроскопична. Неограниченно растворима в воде. Смешивается со многими растворителями; в уксусной кислоте хорошо растворимы неорганические соединения и газы, такие как HF, HCl, HBr, HI и другие. Существует в виде циклических и линейных димеров.

Абсолютная уксусная кислота называется ледяной, ибо при замерзании образует льдовидную массу (см. изображение справа).

Давление паров (в мм. рт. ст.) при определенных температурах:

10 (17,1 °C)

40 (42,4 °C)

100 (62,2 °C)

400 (98,1 °C)

560 (109 °C)

1520 (143,5 °C)

3800 (180,3 °C)

Относительная диэлектрическая проницаемость: 6,15 (20 °C)

Динамическая вязкость жидкостей и газов (в мПа· с): 1,155 (25,2 °C); 0,79 (50 °C)

Поверхностное натяжение: 27,8 мН/м (20 °C)

Удельная теплоёмкость при постоянном давлении: 2,01 Дж/г· K (17 °C)

Стандартная энергия Гиббса образования G₀ (298 К, кДж/моль): ?392,5 (ж) Стандартная энтропия образования S₀ (298 К, Дж/моль· K): 159,8 (ж) Энтальпия плавления? H_пл: 11,53 кДж/моль Температура вспышки в воздухе: 38 °C

Температура самовоспламенения на воздухе: 454 °C

Теплота сгорания: 876,1 кДж/моль

1.3 Технологический расчет аппарата [10]

1.3.1 Материальный баланс

Материальный баланс всей ректификационной колонны может быть представлен двумя уравнениями:

по всему продукту:

;

по легколетучему компоненту:

где х_f, х_D, х_w — молярные составы (мольные доли) низкокипящего компонента (НК) соответственно в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке.

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

Питание:

Дистилят:

Кубовый остаток:

где х_А — мольная доля низкокипящего компонента в жидкости;

М_А — молекулярная масса низкокипящего компонента, кг/кмоль;

М_Н2О=18 кг/кмоль М_В — молекулярная масса высококипящего компонента, кг/кмоль;

М_УК=60 кг/кмоль Определим минимальное число флегмы по уравнению:

;

где =0,82 — мольная доля воды в паре, равновесном с жидкостью питания, определяем по рисунку 2.

Рабочее число флегмы определяем по уравнению:

R=1,3*

B=;

B=

Кривая равновесия для системы вода-уксусная кислота была построена по значениям, указанным в таблице 1.

Таблица 1 — Равновесный состав системы вода-уксусная кислота. 5]

Уравнение рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части колонны

;

y =

б) нижней (исчерпывающей) части колонны

y= ;

Относительный мольный расход питания:

F= ;

F=

y=

Рисунок 2 -Кривая равновесия вода-уксусная кислота

1.3.2 Определение скорости пара и диаметра колонны

Рассчитываем средние концентрации низкокипящего компонента в жидкости: ректификационный установка уксусная кислота а) верхней (укрепляющей) части колонны:

;

==0,86

б) нижней (исчерпывающей) части колонны:

;

==0,37

Средние концентрации пара находим по уравнениям рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части колонны:

б) нижней (исчерпывающей) части колонны:

Средние температуры пара определяем по диаграмме равновесия в координатах t-x, у для системы воды-уксусная кислота (рис. 3).

При

При = 109

Средние мольные массы и плотности пара:

Рисунок 3 — Диаграмма равновесия в координатах t-x, у для системы вода-уксусная кислота Средние мольные массы и плотности пара:

Средняя плотность пара в колонне Температура в верхней части колонны при, равняется 100а в кубе — испарителе при = 0,007 она равна 115.(рис 3)

Плотность воды при 100, а уксусной кислоты при 115 равна * 5 = 949

Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне

=

Определяем скорость пара в колонне по уравнению :

;

Для ситчатых тарелок по рисунку 4 определяем значение С.

А, Б — колпачковые тарелки с круглыми колпачками; В — ситчатые тарелки.

Рисунок 4 — Значение коэффициента С С=0,032

Объемный расход проходящего через колонну пара при средней температуре в колонне

где

Диаметр колонны :

м По справочнику принимаем, тогда скорость пара в колонне будет:

1.3.3 Гидравлический расчет тарелок

Принимаем следующие размеры ситчатой тарелки: диаметр отверстий

= 4 мм, высота сливной перегородки Свободное сечение тарелки (суммарная площадь отверстий) 8% от общей площади тарелки. Площадь, занимаемая двумя сегментными переливными стаканами, составляет 20% от общей площади тарелки.

Рассчитаем гидравлическое сопротивление тарелки по уравнению:

;

где — гидравлическое сопротивление сухой тарелки;

— сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения;

— сопротивление парожидкостного слоя на тарелке.

а) верхняя часть колонны Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

где коэффициент сопротивления неорошаемых ситчатых тарелок со свободным сечением 7−10%, — скорость пара в отверстиях тарелки,

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения

где — поверхностное натяжение жидкости при средней температуре,

— диаметр отверстий тарелки (рис 5) .

Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:

где

Величину рассчитываем по формуле:

;

где V-объемный расход жидкости,

П-периметр сливной перегородки, м К-отношение плотности парожидкостного слоя к плотности жидкости.

К=

Объемный расход жидкости в верхней части колонны:

где — средняя мольная масса жидкости,

Рисунок 5- Схема ситчатой тарелки Периметр сливной перегородки находим, решая систему уравнений:

0.1*

где R=0,9 мрадиус тарелки;- приближенное значение площади сегмента.

Решение дает: П= 1,32 м; b = 0,289 м

= 0,0024 м Высота парожидкостного слоя на тарелке:

= 0,04+0,0024=0,0424 м Сопротивление парожидкостного слоя Общее гидравлическое сопротивление тарелки

= 40,44+20,5+257,4=318,35 Па б) нижняя часть колонны:

Поверхностное натяжение при t= 109

м

Общее гидравлическое сопротивление тарелки:

Проверим, соблюдается ли при расстоянии между тарелками h=0,3 м, необходимое для нормальной работы тарелок условие h > 1.8

Для тарелок нижней части колонны, у которых гидравлическое сопротивление

1.8 =

Следовательно, вышеуказанное условие выполняется Минимальная скорость пара в отверстиях достаточная для работы ситчатой тарелки:

1.3.4 Определение числа тарелок и высоты колонны

В верхней части колонны, в нижней части, всего 27 ступеней (рис 2).

Число тарелок рассчитываем по уравнению:

Для определения среднего КПД тарелок находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов и динамический коэффициент вязкости исходной смеси при средней температуре в колонне.

находим из уравнения:

lgP=A-;

где А=8,502; В=2177,4

lgP=8,502;

Р=532,59 мм.рт.ст Для определения строим график зависимости lgP от — по стандартным данным Р=760мм. рт. ст, Т=100 [8]

Р=100мм. рт. ст, Т=51,7[8]

Рисунок 6- График зависимости lgP от ;

Динамический коэффициент вязкости:

= 0,46 мПа * с

Динамический коэффициент вязкости исходной смеси находим из уравнения:

lg

мол.доли мол. доли

lg=-0,599

мПа*с Тогда:

По графику (рис. 7) находим

Рисунок 7-Диаграмма для приближенного определения среднего КПД тарелок.

Длина пути жидкости на тарелке

l = D-2b

l = 1.86−2*0.289=1.282 м По графику (рис 8) находим значение поправки на длину пути

Рисунок 8- Зависимость поправки от длины пути жидкости на тарелке l.

Для сравнения рассчитываем средний КПД тарелки по критериальной формуле, полученной путем статической обработки многочисленных опытных данных для ситчатых тарелок:

Безразмерные комплексы:

где — скорость пара в колонне, ;

— относительная площадь свободного сечения тарелки;

=высота сливной перегородки, м;

и — плотности пара и жидкости, кг/;

— коэффициент диффузии легколетучего компонента в исходной смеси,/с;

— поверхностное натяжение жидкости питания, Н/м.

Физико-химические константы отнесены к средней температуре в колонне. Коэффициент диффузии

где ;;; Т=378К.

Безразмерные комплексы:

Средний КПД тарелки:

что близко к найденному значению

Число тарелок:

а) в верхней части колонны

б) в нижней части колонны

Общее число тарелок n= 46, с запасом 50, из них в верхней части колонны 26 и в нижней 24. Высота тарельчатой части колонны:

Общая высота колонны находим по формуле:

=27,5 м Общее гидравлическое сопротивление тарелок

1.3.5 Тепловой расчет установки

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воды в дефлегматоре-конденсаторе, находим по уравнению:

где и — удельные теплоты конденсации бензола и толуола при 105

+(1−0,96)*405,1*

Расход теплоты, получаемой в кубе-испарителе от греющего пара, находим по уравнению

* к

* к

* к Расход теплоты в паровом подогревателе исходной смеси:

Q=,

Q=1.05*0.83*3.68*

Расход греющего пара, имеющего давление и влажностью 5% а) в кубе-испарителе

где удельная теплота конденсации греющего пара

б) в подогревателе исходной смеси Всего:0,34+0,156=0,496

Расход охлаждённой воды при нагреве ее на 20

а) в дефлегматоре б) в водяном холодильнике дистиллята в) в водяном холодильнике кубового остатка Всего: 0,0081+0,0038+0,0014= 0,0139

Заключение

В процессе проделанной работы была рассчитана ректификационная установка для разделения смеси вода — уксусная кислота. Были подобраны и рассчитаны параметры дополнительных аппаратов, выбран тип колонны — тарельчатая и в соответствии с этим ситчатый тип тарелки.

1. Александров И. А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. 3-е изд.-М.:Химия, 1978.-280с.

2. Александров И. А. Массопередача при ректификации многокомпонентных смесей.- Л.:Химия, 1975.-320 с.

3. Анисимов И. В., Бодров В. И., Покровский В. Б. Математическое моделирование и оптимизация ректификационных установок.- М.:Химия, 1975.-215 с.

4. Багатуров С. А. Основы теории и расчета перегонки и ректификации.-М.:Химия. 1975.-440с.

5. Коган В. Б., Фридман В. М. Кафаров В.В. Равновесие между жидкостью и паром. Кн. 1−2.-М.-Л.:Наука, 1966.-640−786 с.

6. Колонные аппараты. Каталог.-М.:ЦИНТИхимнефтемаш, 1987.-27 с.

7. Рид Р., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей: Пер с англ./Под ред. А. Н. Плановского.- М: Гостоптехиздат, 1964.-334 с.

8. Справочник химика. Т.1.М.-Л.:Гохимиздат, 1963.-1071 с.

9. Стабников В. Н. Ректификационные аппараты. — М.:Машиностроение, 1965.-356 с.

10. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. 10-е изд., перераб. и доп. — Л.: Химия, 1987. — 576 с.

11. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. 9-е изд., перераб. и доп. — М.: Химия, 1973. — 754 с.

12. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. 2-е изд. /Под ред. Ю. И. Дытнерского. — М.: Химия, 1991. 494 с.