Расчёт ректификационной колонны

Введение

Ректификация — это тепло и массообменный процесс, применяемый для разделения жидких смесей, компоненты которых различаются по температурам кипения.

Процесс осуществляется при контактировании потоков пара и жидкости, которые имеют разные составы и температуры: пар имеет более высокую температуру, чем вступающая с ним в контакт жидкость.

Физическая сущность процесса ректификации заключается в двустороннем массои теплообмене между неравновесными потоками пара и жидкости при высокой турбулизации поверхности контактирующих фаз. В результате массообмена пар обогащается низкокипящими, а жидкость — высококипящими компонентами. При определённом числе контактов можно получить пары, состоящие в основном из низкокипящих, а жидкость — из высококипящих компонентов.

При достаточно большом времени контакта пар и жидкость могут достичь состояния равновесия.

В реальных условиях равновесие уходящих из контактной зоны потоков пара и жидкости может не достигаться.

Процесс ректификации может осуществляться по периодической и непрерывной схемам.

При периодической ректификации смесь разделяют на отдельные компоненты (или фракции, кипящие в определенном интервале температур) путём последовательного их отбора при изменяющихся во времени рабочих параметрах процесса.

Ректификация по непрерывной схеме позволяет одновременно получать два и более продуктов при стационарных условиях процесса.

Процесс ректификации осуществляют в аппаратах — ректификационных колоннах. Для создания потока паров в нижнюю часть колонны подводят тепло, а поток жидкости (орошения, флегмы) создают путём отвода тепла из верхней части колонны, конденсируя соответствующее количество паров.

Часть колонны, служащая для выделения низкокипящих компонентов, называется концентрационной, или укрепляющей, другая часть, в которой выделяются высококипящие компоненты, называется исчерпывающей, или отгонной. Между этими основными частями колонны находится место ввода сырья (тарелка питания, секция питания, эвапорационное пространство).

В нефтеперерабатывающей промышленности в основном применяют ректификационные колонны непрерывного действия.

Различают простые и сложные колонны.

Простые колонны обеспечивают разделение исходной смеси (сырья) на два продукта: ректификат (дистиллят) — продукт, обогащенный низкокипящими компонентами, кубовый остаток — продукт, обогащенный высококипящими компонентами.

Для разделения многокомпонентных и непрерывных смесей требуется система колонн, каждая из которых разделяет поступающую смесь на соответствующие компоненты.

Основными рабочими параметрами процесса ректификации являются давление и температура в системе, соотношение потоков жидкости и пара (флегмовое число), число контактных ступеней. При соответствующем выборе этих параметров обеспечивается разделение исходной смеси на компоненты, удовлетворяющие определённым требованиям.

1. Технологическая схема процесса ректификации Технологическая схема процесса ректификации приведена на рисунке 1.1.

1 — ректификационная колонна; 2- подогреватель; 3 — кипятильник; 4 — дефлегматор; 5 — холодильник; 6 — тарелка Рисунок 1.1 — Технологическая схема процесса ректификации Для непрерывного проведения ректификации необходимо, чтобы поступающая на разделение смесь соприкасалась со встречным потоком пара с несколько большей концентрацией высококипящего компонента, чем в жидкой смеси. Поэтому исходную смесь подают в то место ректификационной колонны 1, которое соответствует этому условию. Место ввода исходной смеси, нагретой до температуры кипения в подогревателе 2, называют тарелкой питания. Поток пара, поднимающегося по ректификационной колонне, поддерживается испарением части кубовой жидкости в кипятильнике 3, а поток жидкости, текущей по колонне сверху вниз, — возвратом части флегмы, образующейся при конденсации выходящих из колонны паров в дефлегматоре 4.

2 Конструкция тарельчатой ректификационной колонны и массообменных тарелок В промышленности применяют колпачковые, ситчатые, насадочные, пленочные трубчатые колонны и центробежные пленочные ректификаторы. Они различаются в основном конструкцией внутреннего устройства аппарата, назначение которого — обеспечение взаимодействия жидкости и пара. Таким образом, более подробно рассмотрим виды и конструкции тарелок.

Колпачковые желобчатые тарелки. Тарелки. этого типа применяются в колоннах диаметром от 1000 мм и более при расстояниях между тарелками 450 мм и более. Рабочая часть тарелки, укомплектована съемными желобами и колпачками. Для перетока жидкости служат переливные устройства (одноили двухпоточные). Основные размеры тарелок регламентированы отраслевой нормалью Н 439 — 58. Вплоть до настоящего времени тарелки этого типа находятся в эксплуатации в колоннах различного технологического назначения. Единственным их практическим преимуществом является относительно небольшое число желобов и колпачков, которые требуется устанавливать при монтажных и ремонтных работах. В остальном все показатели этих тарелок низки, поэтому тарелки желобчатого типа повсеместно заменяют более современными.

Колпачковые тарелки с капсульными колпачками. Тарелки этого типа могут быть установлены в колоннах диаметром 400 мм и более, расстояние между тарелками от 200 мм и более. Тарелки могут иметь неразборную и разборную конструкции. Тарелки неразборной конструкции уплотнены в корпусе колонны периферийным сальником с набивкой из асбестового шнура.

По сравнению с желобчатыми колпачковые капсульные тарелки имеют примерно на 20% большую производительность, высокую эффективность, широкий рабочий диапазон (более 4) и меньшую металлоемкость (60 — 90 кг/м2 против 110 — 130 кг/м2) .

Хотя по производительности тарелки этого типа уступают тарелкам других современных типов и сравнительно трудоемки в изготовлении и монтаже, они находят применение благодаря универсальности областей практического использования и неприхотливости в эксплуатации.

Тарелки колпачковые из S-образных элементов. Диаметр колпачковых тарелок равен 1000 — 8000 мм. Расстояние между тарелками составляет 450 мм и более. Полотно тарелки набрано из элементов S-образного профиля, при сборке которых образуются каналы для прохода пара. Жидкость движется единым потоком и частично направляется паром в сторону слива, вследствие чего уменьшается градиент уровня жидкости на тарелке. Благодаря жесткости S-образных элементов, металлоемкость тарелок этого типа относительно невелика (55 — 90 кг/м2). По эффективности они находятся на одном уровне с колпачковой капсульной тарелкой, но производительность их на 20 — 30% выше.

Клапанные прямоточные тарелки. Применяются в колоннах диаметром 1000 мм и более при расстоянии между тарелками не менее 450 мм. По сравнению с S-образными тарелками они позволяют повысить производительность колонн примерно на 20 — 25%. Диапазон, рабочих нагрузок более 4. В области саморегулируемой работы клапанов тарелки обладают относительно небольшим сопротивлением. Металлоемкость составляет 55 — 80 кг/м2.

Жалюзийно-клапанные тарелки. Тарелки применяются в колоннах диаметром 1000 мм и более при расстоянии между тарелками, составляющем не менее 450 мм. Рабочие характеристики практически аналогичны характеристикам клапанных прямоточных тарелок.

Сетчатые тарелки с отбойными элементами из просечного листа. Полотно тарелки и наклонные отбойники изготовлены из просечно-вытяжного листа. Свободное сечение полотна тарелки следует выбирать исходя из отсутствия провала жидкости; свободное сечение отбойников должно быть достаточно большим (не менее 30%), чтобы обеспечить пропуск текущей по тарелке жидкости. Контакт фаз происходит в прямотоке и частично в перекрестном токе на отбойниках. Благодаря относительно низкому сопротивлению эти тарелки применяются в вакуумных колоннах. Металлоемкость составляет 50 — 60 кг/м'.

Решетчатые тарелки провального типа. Стандартные решетчатые тарелки применяются в колоннах диаметром 400 мм и более при расстоянии между тарелками не менее 200 мм.

Тарелки этого типа не имеют специальных переливных устройств для жидкости, поэтому конструкция их предельно проста. Производительность тарелок провального типа примерно в 1,8 — 2 раза больше, чем колпачковых, металлоемкость не превышает 40 — 50 кг/м2. По сравнению с колпачковыми эти тарелки имеют меньшую эффективность и более узкий рабочий диапазон, который в среднем равен 2. Обычно рекомендуется выбирать свободное сечение тарелок равным 15 — 20%. При меньшем свободном сечении несколько увеличивается эффективность работы тарелок, однако, соответственно снижается их производительность.

Тарелки этого типа рекомендуются для применения в ректификационных колоннах, где требуется относительно небольшое число тарелок и ожидается сравнительно малое колебание рабочих нагрузок.

Сетчатые тарелки. Предназначены для колонн диаметром от 400 до 3600 мм при расстоянии между тарелками 200 мм и более.

По сравнению с колпачковыми производительность этих тарелок на 30 50% выше, а рабочий диапазон уже и обычно не более 2,5. Металлоемкость составляет 65 — 50 кг/м2. Тарелки весьма чувствительны к точности горизонтальной установки и не рекомендуются для работы на загрязненных средах, т. к. при этом возможна забивка отверстий.

жидкость пар равновесный тарелка

3. Равновесные составы жидкости и пара

Исходные данные: содержание низкокипящего компонента в сырье хF = 0,3;

содержание низкокипящего компонента в дистилляте хD= 0,96;

содержание низкокипящего компонента в кубовом остатке хW = 0,03;

расход сырья GF = 1000 кмоль/ч.

Ректификационная колонна предназначена для разделения смеси ацетон — этиловый спирт.

Равновесные составы жидкости и пара и температура кипения приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 — Равновесные составы жидкости и пара и температура кипения

4. Материальный баланс процесса ректификации

Составляем уравнения материального баланса ректификационной колонны непрерывного действия [4]

(4.1)

где GF, GD, GW — мольные расходы сырья, дистиллята и кубового остатка;

xF, xD, xW — содержание низкокипящего компонента в сырье, дистилляте и кубовом остатке, мольные доли.

Подставив соответствующие параметры, получим

(4.2)

(4.3)

Решая совместно уравнения (4.2) и (4.3), определяем мольные расходы дистиллята и кубового остатка:

5. Флегмовое число

Так как кривая равновесия не имеет точек перегиба, минимальное флегмовое число определяем по формуле [4]

(5.1)

где уF* - содержание низкокипящего компонента в паре, равновесном с жидкостью в сырье, уF* = 0,524.

Подставив соответствующие значения, получим

Определяем рабочее число флегмы [4]

(5.2)

6. Уравнения рабочих линий и кривая равновесия пар-жидкость

Определяем относительный мольный расход сырья [4]

(6.1)

Составляем уравнение рабочей линии верхней (укрепляющей) части ректификационной колонны

(6.2)

Составляем уравнение рабочей линии нижней (исчерпывающей) части ректификационной колонны

(6.3)

Строим кривую равновесия пар-жидкость в координатах у*-х (рисунок 6.1).

Рисунок 6.1 — Кривая равновесия пар-жидкость

7. Молекулярная масса смеси, расходы флегмы и пара

Определяем расход флегмы [4]

(7.1)

Определяем мольный расход пара, одинакового по высоте колонны [4]

(7.2)

Определяем молекулярные массы смеси в верхней и нижней частях колонны [4]

(7.3)

где МА, МЭС — молекулярные массы ацетона и этилового спирта соответственно, МА = 58,08 кг/кмоль, МЭС = 46,07 кг/кмоль

хi — содержание низкокипящего компонента в кубовом остатке или дистилляте.

Подставив значения, получим

Определяем массовый расход пара для верхней и нижней частей колонны [4]

(7.4)

По таблице 3.1 интерполированием определяем температуру верха и низа колонны, получим

Определяем плотность пара в верхней и нижней частях колонны [4]

(7.5)

Определяем объёмный расход пара для верхней и нижней частей колонны [4]

(7.6)

8. Определение числа тарелок

После построения рабочих линий для нижней и верхней частей колонны (пункт 6), строим с верхней точки теоретические тарелки (рисунок 6.1).

Находим на графике необходимое число ступеней изменения концентрации.

Получаем в верхней части колонны 16 ступеней, в нижней — 4, всего 20.

Определяем коэффициенты динамической вязкости ацетона и этилового спирта при соответствующих температурах верха и низа колонны по номограмме V [4]:

Определяем коэффициенты динамической вязкости жидкости в верхней и нижней частях колонны по формуле Аррениуса [4]

(8.1)

Определяем коэффициент летучести [4]

(8.2)

где Т2, Т1 — температуры кипения этилового спирта и ацетона соответственно,

Т2 = 351,46 К;

Т1 =329,16 К.

Подставив значения, получим

Определяем коэффициент полезного действия тарелок верха и низа колонны [4]

(8.3)

Определяем средний коэффициент полезного действия тарелки

(8.4)

Определяем число практических тарелок в верхней и нижней частях колонны [4]

(8.5)

где nТ — теоретическое число тарелок.

Подставив значения, получим

9. Диаметр колонны

Определяем плотности ацетона и этилового спирта при температурах верха и низа колонны по таблице V [5]:

Определяем плотность жидкости верха и низа колонны [4]

(9.1)

Определяем допустимую рабочую скорость пара в верхней и нижней частях колонны [4]

(9.2)

где С — коэффициент зависящий от конструкции тарелок, расстояния между тарелками h, рабочего давления в колонне, по рисунку 7.2 [4], для колпачковых тарелок при h = 400 мм С = 0,044.

Определяем диаметры верхней и нижней частей колонны [4]

(9.3)

По стандартному ряду диаметров колонн принимаем dВ = 3600 мм, dН = 3600 мм. Диаметр колонны принимаем одинаковым по всей высоте колонны и равным наибольшему из полученных значений d = 3600 мм.

Определяем высоту тарельчатой колонны [4]

(9.4)

где n — число тарелок в колонне, n = 37.

h — расстояние между тарелками, h = 400.

Исходя из полученного диаметра колонны, выбираем тарелки с параметрами, приведёнными в таблице 9.1.

Таблица 9.1 — Параметры тарелки

Вычерчиваем схему колонны с основными размерами (рисунок 9.1).

Рисунок 9.1 — Схема колонны с основными размерами

Заключение

Тарельчатые колпачковые колонны наиболее часто применяют в ректификационных установках.

При проведении расчёта ректификационной колонны непрерывного действия для разделения бинарной смеси (ацетон — этиловый спирт) в качестве тарелок были выбраны колпачковые тарелки с круглыми колпачками.

Расчет мольных расходов ввёлся исходя из уравнений материальных балансов (см. уравнения (3.1) и (3,2)), которые справедливы для ректификационной колонны, обогреваемой глухим паром.

При определении числа теоретических тарелок был использован графический метод. Число теоретических тарелок оказалось равным двадцати (шестнадцать для укрепляющей части колонны и четыре для исчерпывающей части).

Число практических тарелок оказалось равным 37 (тридцать для укрепляющей части колонны и семь для исчерпывающей части).

При таком количестве тарелок расстояние между верхней и нижней тарелками оказалось равным Нт = 14,4 м.

Диаметр колонны принят равным диаметру верхней части колонны, который оказался наибольшим из двух рассчитанных d = 3,6 м.

Библиография

1 Г. Г. Робинович, П. М. Рябых, П. А. Хохряков Расчёты основных процессов и аппаратов нефтепереработки: 3 — е издание, переработанное и дополненное — М.: Химия, 1979. — 568 с.

2 И. А. Александров Ректификационные и абсорбционные аппараты. — М.: Химия, 1971 — 296 с.

3 Ю. Н. Дытнерский Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов, издание 2 — е, часть 2. — М.: Химия, 1995. — 368 с.

4 К. Ф. Павлов, П. Г. Романков, А. А. Носков Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. — Л.: Химия, 1976. -552 с.

5 С. А. Зонис, Г. А. Симонов Справочник химика, том 1. — Л.: Госхимиздат, 1963. — 1072 с.

.ur