Расчет насадочной ректификационной колонны непрерывного действия под атмосферным давлением.

ВВЕДЕНИЕ

Ректификация – массообменный процесс, который осуществляется, в большинстве случаев, в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки). Ряд особенностей процесса ректификации (различное соотношение нагрузок по жидкости и пару в нижней и верхней частях колонны, переменные по высоте колонны физические свойства фаз и коэффициент распределения, совместное протекание процессов массо- и теплопереноса) осложняет его расчет.
Одна из сложностей заключается в отсутствии обобщенных закономерностей для расчета кинетических коэффициентов процесса ректификации. В наибольшей степени это относится к колоннам диаметром более 800 мм с насадками и тарелками, широко применяемым в химических производствах. Большинство рекомендаций сводится к использованию для расчета ректификационных колонн кинетических зависимостей, полученных при исследовании абсорбционных процессов.
Наряду с ректификацией существуют другие методы разделения жидких сред. Наиболее перспективный из них – мембранный. Среди мембранных методов разделения жидких смесей важное место занимают обратный осмос и ультрафильтрация. В последние годы их начали применять для опреснения соленых вод, очистки сточных вод, получения воды повышенного качества, концентрирования технологических растворов в химической, пищевой, микробиологической и других отраслях промышленности. Обратный осмос и ультрафильтрация основаны на фильтровании растворов под давлением, превышающим осмотическое, через полупроницаемые мембраны, пропускающие растворитель, но задерживающие растворенные вещества (низкомолекулярные при обратном осмосе и высокомолекулярные при ультрафильтрации). Разделение происходит при температуре окружающей среды без фазовых превращений, поэтому затраты энергии значительно меньше, чем в большинстве других методов разделения. Малая энергоемкость и сравнительная простота аппаратурного оформления обеспечивают высокую экономическую эффективность указанных процессов.
Насадочные колонны могут работать в различных гидродинамических режимах :пленочном, подвисания и эмульгирования. В колоннах большой производительности с крупной насадкой осуществление процесса в режиме эмульгирования приводит к резкому уменьшению эффективности разделения, что объясняется существенным возрастанием обратного перемешивания жидкости и значительной неравномерностью скорости паров по сечению аппарата. Ведение процесса в режиме подвисания затруднено вследствие узкого интервала изменения скоростей пара, в котором этот режим существует. Поэтому выберем пленочный режим работы колонны.
Большое количество 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 и т.п. Зачастую эти качества становятся превалирующими.

 
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Разделяемая смесь этанол - вода
Тип колонны насадочная
Массовое содержание НК в исходной смеси, % масс. 38
Массовое содержание НК в дистилляте, % масс. 90
Массовое содержание НК в кубовом остатке, % масс. 3
Производительность колонны по дистилляту кг/ч 12000
Производительность колонны по дистилляту кг/с 3,333
Давление в колонне, Па 101300

t, °C % (мол.) воды
в жидкости в паре
100 0 0
86,5 10 44,2
83,2 20 53,1
81,7 30 57,6
80,8 40 61,3
80,0 50 65,4
79,4 60 69,9
79,0 70 75,3
78,6 80 81,8
78,4 90 89,8
78,4 100 100


 
1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА

Снизу вверх по колонне движутся пары, поступающие в нижнюю часть аппарата из кипятильника, который находится вне колонны, т.е. является выносным. Следовательно, с помощью кипятильника создается выходной поток пара. Пары проходят через слой жидкости, которую будем считать первой, ведя нумерацию тарелок условно снизу вверх.
Пусть концентрация жидкости на первом слое насадок равна Х1 (по низкокипящему компоненту), а её температура t1. В результате взаимодействия между жидкостью и паром, имеющем более высокую температуру, жидкость частично испаряется, причем пар переходит преимущественно в НК (низкокипящий компонент). Поэтому на следующий (второй) слой насадок поступает пар с содержанием НК y1 ≥ x1. испарение жидкости на тарелки происходит за счет тепла конденсации пара.
Из пара конденсируется и переходит в жидкость преимущественно ВК, содержание которого в поступающем на слой насадок паре выше равновесного с составом жидкости на тарелке. При равенстве теплот испарения компонентов бинарной смеси для испарения 1 моль НК необходимо сконденсировать 1 моль ВК, т.е. фазы на тарелке обмениваются компонентами.
На втором слое насадок жидкость имеет состав Х2, содержит больше НК, чем на первой (Х2 ≥ Х1), и соответственно кипит при более низкой температуре (t2 ≥ t1). Соприкасаясь с ней, пар состава У1 частично концентрируется, имея состав y2 ≥ y1 и т.д.
Таким образом, пар, представляющий собой на выходе из кипятильника почти чистый ВК, по мере движения вверх всё более обогащается низкокипящим компонентом и покидает верхний слой насадок колонны в виде почти чистого НК, который почти полностью переходит в паровую фазу на пути пара от кипятильника до верха колонны.
Пары конденсируются в дефлегматоре, охлаждаемом водой, и получается жидкость, разделяется в распределителе на дистиллят и флегму, которая направляется на верхний слой насадок колонны. Следовательно, с помощью дефлегматора в колонне создается нисходящий поток жидкости.
Жидкость, поступающая на орошение колонны (флегма), представляет собой почти чистый НК. Однако, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, жидкость все более обогащается ВК, концентрируется из пара.
Когда жидкость достигает нижней тарелки, она становится практически чистым ВК и поступает в кипятильник, обогреваемый глухим паром или другим теплоносителем.
На некотором расстоянии от верха колонны к жидкости из дефлегматора присоединяется исходная смесь, которая поступает на питательную насадку колонны. Для того чтобы уменьшить тепловую нагрузку кипятильника, исходную смесь, обычно, предварительно нагревают в подогревателе до температуры кипения жидкости на питательной насадке.
Питательная насадка делит колонну на две части, имеющие различные назначения. В верхней части (от питающей до верхней насадки) должно быть обеспечено, возможно, большее укрепление паров, т.е. обогащение их НК с тем, чтобы в дефлегматор направлялись нары, близкие по составу к чистому НК. Поэтому эта часть колонны называется укрепляющей.
В нижней части необходимо в максимальной степени удалить из жидкости НК, т.е. исчерпать жидкость, для того чтобы в кипятильник стекала жидкость, близкая по составу к чистому ВК. Эта часть колонны называется исчерпывающей.
В дефлегматоре могут быть сконденсированы все пары, поступающие из колонны, или только часть их соответствующая возвращаемой в колонну флегмы. В первом случае часть конденсата, оставшегося после отделения флегмы, представляет собой дистиллят ректификации, или верхний конденсат, который после охлаждения в холодильнике поступает в сборник дистиллята. Во втором случае несконденсированные в дефлегматоре пары одновременно конденсируются в холодильнике, который при таком варианте работы служит конденсатором – холодильником дистиллята.
Жидкость, выходящая из низа колонны также делится на две части. Одна часть, как указывалось, направляется в кипятильник, а другая – остаток после охлаждения водой в холодильник.
Такие установки оснащают необходимыми контрольно-измерительными приборами, позволяющими автоматизировать работу их, и проводить процесс с помощью программного управления в оптимальных условиях. Путем автоматического регулирования сводится к минимуму колебания количества, состава и температуры исходной смеси, давления и расхода греющего пара и расхода охлаждающей жидкости.