Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия для разделения бинарной смеси

В ходе различных технологических процессов в химической, нефтехимической, нефтегазовой и других отраслях промышленности могут быть получены смеси различных составов, которые обычно стремятся разделить для получения компонентов в чистом виде.
Для разделения смесей в промышленности используют способ перегонки под вакуумом и с водяным паром, дистилляции, молекулярную перегонку и ректификацию. Самым действенным способом является ректификация, именно поэтому она получила наиболее широкое распространение в промышленности.
Ректификация - разделение жидких однородных смесей на составляющие вещества или группы составляющих веществ в результате взаимодействия паровой смеси и жидкой смеси. Это массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаев в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки).
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.
Ректификационная установка даёт наиболее полное разделение смесей жидкостей, целиком или частично растворимых друг в друге. Процесс заключается в многократном взаимодействии паров с жидкостью – флегмой, полученной при частичной конденсации паров. В ректификационном аппарате снизу вверх движутся пары, а сверху подается жидкость, представляющая собой почти чистый НКК (низко кипящий компонент). При соприкосновении поднимающихся паров со стекающей жидкостью происходит частичная конденсация паров и частичное испарение жидкости. При этом из паров конденсируется преимущественно ВКК (компонент с высокой температурой кипения), а из жидкости испаряется преимущественно НКК. Таким образом, стекающая жидкость обогащается ВКК, а поднимающиеся пары обогащаются НКК, в результате чего выходящие из аппарата пары представляют собой почти чистый НКК. Эти пары поступают в конденсатор, называемый дефлегматором, и конденсируются. Часть конденсата, возвращаемая на орошение аппарата, называется флегмой, другая часть отводится в качестве дистиллята.
Как и во всех массообменных процессах, эффективность ректификации зависит от поверхности контакта фаз. Для увеличения поверхности массобмена используют различные контактные устройства насадочного или барботажного типа. Наиболее распространенными ректификационными установками являются барботажные колонны с различными типами тарелок: колпачковыми, ситчатыми, провальными и т.п. Наиболее универсальны колонны с колпачковыми тарелками, но при разделении незагрязненных жидкостей в установках с постоянной нагрузкой, хорошо зарекомендовали себя аппараты с ситчатыми тарелками, отличающимися простотой конструкции и легкостью в обслуживании.
Расчет ректификационной колонны сводится к определению ее основных геометрических размеров – диаметра и высоты. Оба параметра определяются гидродинамическим режимом работы колонны, который, в свою очередь, зависит от скоростей и физических свойств взаимодействующих фаз, а также от типа контактного устройства.
В данном курсовом проекте рассчитывается ректификационная колонна непрерывного действия с ситчатыми тарелками для разделения бинарной смеси ацетон – этиловый спирт.
 
Описание технологической схемы.


Рисунок 1. Принципиальная схема ректификационной установки:
1 - ёмкость для исходной смеси ; 2, 9- насосы; 3- теплообменник-подогреватель; 4 - кипятильник; 5- ректификационная колонна; 6- дефлегматор; 7- холодильник дистиллята; 8- ёмкость для сбора дистиллята; 10- холодильник кубовой жидкости; 11- ёмкость для кубовой жидкости.
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.
Пары проходят через слой жидкости на нижней тарелке. Пусть концентрация жидкости на первой тарелке равна х1 (по низкокипящему компоненту), а ее температура t1. В результате взаимодействия между жидкостью и паром, имеющим более высокую температуру, жидкость частично испаряется, причем в пар переходит преимущественно НК. Поэтому на следующую (вторую) тарелку поступает пар с содержанием НК у1>х1.
Испарение жидкости на тарелке происходит за счет тепла конденсации пара. Из пара конденсируется и переходит в жидкость преимущественно ВК, содержание которого в поступающем на тарелку паре выше равновесного с составом жидкости на тарелке. На второй тарелке жидкость имеет состав x2 содержит больше НК, чем на первой (х2 > х1), и соответственно кипит при более низкой температуре (t2 < t1). Соприкасаясь с ней, пар состава y1 частично конденсируется, обогащается НК и удаляется на вышерасположенную тарелку, имея состав у2 > x2, и т. д.
Таким образом, пар, представляющий собой на выходе из кипятильника почти чистый ВК, по мере движения вверх все более обогащается низкокипящим компонентом и покидает верхнюю тарелку колонны в виде почти чистого НК, который практически полностью переходит в паровую фазу на пути пара от кипятильника до верха колонны.
Пары конденсируются в дефлегматоре, охлаждаемом водой, и получаемая жидкость разделяется в делителе на дистиллят и флегму, которая направляется на верхнюю тарелку 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, конденсирующимся 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 так называемую питающую тарелку колонны. Для того чтобы уменьшить тепловую нагрузку кипятильника, исходную смесь обычно предварительно нагревают в подогревателе до температуры кипения жидкости на питающей тарелке.
Питающая тарелка как бы делит колонну на две части, имеющие различное назначение. В верхней части (от питающей до верхней тарелки) должно быть обеспечено, возможно, большее укрепление паров, т. е. обогащение их НК с тем, чтобы в дефлегматор направлялись пары, близкие по составу к чистому НК. Поэтому данная часть колонны называется укрепляющей. В нижней части (от питающей до нижней тарелки) 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. Соответственно эта часть колонны называется исчерпывающей.
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 xF . Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка xw, т. е. обеднен НК. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается НК. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью состава хD, получаемой в дефлегматоре 6 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения -- дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в промежуточную емкость 8.
Из кубовой части колонны непрерывно выводится кубовая жидкость -- продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 10 и направляется в емкость 11.
Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный, неравномерный процесс разделения смеси на дистиллят (с высоким содержанием НК) и кубовый остаток (обогащенный ВК).


Цель. Исходные данные для расчета.
Цель работы - рассчитать ректификационную колонну непрерывного действия с ситчатыми тарелками для разделения бинарной смеси ацетон – этиловый спирт и подобрать необходимую теплообменную аппаратуру.
Исходные данные. Расчет основных показателей работы и размеров ректификационной колонны производим по следующим исходным данным:
Производитель¬ность по исходной смеси GF – 6.5 Т/ч – 1,81 кг/с
содержание легколетучего компонента (ацетона)
в исходной смеси хF – 26%
в дистилляте хD – 96%
в кубовом остатке хW - (% масс.) – 2,2%
греющий пар имеет абсолютное давление 4 кг·с/см2.
Температуры кипения веществ при Р=760мм.рт.ст.:
Ацетон Ткип = 56,1˚С (НК);
Этиловый спирт Ткип =78,3 ˚С (ВК).
Мольные массы веществ:
Ацетон Мr=58,08 кг/кмоль;
Этиловый спирт Мr=46,07кг/кмоль.
Мольный объём веществ:
Ацетон Vr=74,0 см3/моль;
Этиловый спирт Vr=59.2 см3/моль.


Расчет ректификационной колонны
3.1 Материальный баланс колонны и оптимальное флегмовое число
Введём обозначения:
GF, кг/с – расход бинарной смеси по массе;
GP, кг/с – расход дистиллята по массе;
GW, кг/с – расход кубового остатка по массе.
Уравнение материального баланса ректификационной колонны непрерывного действия можно записать в виде:
F=D+W
Fx_F=Dx_D+Wx_W
где хF, хP, хW – содержание ацетона, по массе.
На основании этого можно найти:
Fx_F=Dx_D+Wx_W
W=F (x_D-x_F)/(x_D-x_W )=1.81∙(0.96-0.26)/(0.96-0.022)=1.35кг/с
D=F (x_F-x_W)/(x_D-x_W )=1.81∙(0.26-0.022)/(0.96-0.022)=0.46кг/с
С целью проведения расчетов, для выражения концентрации используем мольные доли, Х.

Пересчет концентраций питания, дистиллята и кубового остатка на мольные доли:
x=(x_НК⁄(M_НК))┤/((x_НК⁄(M_НК))┤+((〖(1-x〗_НК))⁄(M_ВК))┤ )
Исходная смесь:
(x_F ) ̅=((0.26⁄58))/((0.26⁄58)+(((1-0.26))⁄(46)))=0.22
Дистиллят:
(x_D ) ̅=((0.96⁄58))/((0.96⁄58)+(((1-0.96))⁄(46)))=0.95
Кубовый остаток:
(x_W ) ̅=((0.022⁄58))/((0.022⁄58)+(((1-0.022))⁄(46)))=0.018

Показатель относительного мольного расхода питания:
F=((x_D ) ̅-(x_W ) ̅)/((x_F-) ̅(x_W ) ̅ )=(0.95-0.018)/(0.22-0.018)=4.61


Таблица 3.1. - Равновесные составы жидкости х и пара у (% мол.) и температуры кипения t(ºС) бинарных смесей при давлении 760 мм рт. ст.
Ацетон – этиловый спирт x 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
y 0 26,2 41,7 52,4 60,5 67,4 73,9 80,2 86,5 92,9 100
t 78,3 73 69 65,9 63,6 61,8 60,4 59,1 58 57 56,1

С помощью графика определяем yF*=0,42 при xF=0,22
Вычисление минимального числа флегмы:
R_min=((x_D ) ̅-y_F^*)/(y_F^*-(x_F ) ̅ )=(0.95-0.42)/(0.42-0.22)=2.65
Определяем оптимальное рабочее флегмовое число графическим методом.
Построение рабочих линий при разных значениях коэффициента избытка флегмы Задаемся рядом значений коэффициента избытка флегмы β и рассчитываем соответствующие рабочие флегмовые числа R по формуле:
R=R_min β
где β – коэффициент избытка флегмы (берем произвольно).
R_1=2.65∙0.90=2,39
R_2=2.65∙1.05=2,78
R_3=2.65∙1.35=3,58
R_4=2.65∙1.75=4.64
R_5=2.65∙2.35=6.23
R_6=2.65∙3.3=8,75
Для расчёта оптимального флегмового числа необходимо знать число ступеней изменения концентрации, которое можно определить графическим построением таких ступеней между равновесной и рабочей линиями.
Составим уравнения рабочих линий:
Для верхней (укрепляющей) части колонны:
y^'=R/(R+1) x_F+¯x_D/(R+1)

Для нижней (укрепляющей) части колонны:

y^''=(R+F)/(R+1) x_F+(1-F)/(R+1) ¯x_w
При флегмовом числе R1 = 2,39 уравнение рабочей линии для верхней части колонны по формуле:
y^'=2,39/(2,39+1) x+0,95/(2,39+1)=0,71x+0,28
Для нижней части колонны:
y^''=(2,39+4,61)/(2,39+1) x+(1-4,61)/(2,39+1)∙0,018=2,06x-0,019
Построим график полученной зависимости.

При таком флегмовом числе число ступеней изменения концентрации равно 28.

При флегмовом числе R2 = 2,78 уравнение рабочей линии для верхней части колонны по формуле:
y^'=2,78/(2,78+1) x+0,95/(2,78+1)=0,74x+0,25
Для нижней части колонны:
y^''=(2,78+4,61)/(2,78+1) x+(1-4,61)/(2,78+1)∙0,018=1,96x-0,017
Построим график полученной зависимости.

При таком флегмовом числе число ступеней изменения концентрации равно 20.
При флегмовом числе R3 = 3.58 уравнение рабочей линии для верхней части колонны по формуле:
y^'=3,58/(3,58+1) x+0,95/(3,58+1)=0,78x+0,21
Для нижней части колонны:
y^''=(3,58+4,61)/(3,58+1) x+(1-4,61)/(3,58+1)∙0,018=1,79x-0,014
Построим график полученной зависимости.