Ситчатая ректификационная колонна

Колонные аппараты предназначены для проведения процессов тепло- и массообмена: ректификации, дистилляции, абсорбции, десорбции. Корпуса стандартизованных колонных аппаратов изготавливаются в двух исполнениях. Корпус, собираемый из отдельных царг с фланцевыми со­единениями, рассчитан на давление 1.6 МПа.

Корпус цельносварной, рассчитанный на давление до 4 МПа, имеют колонные аппараты диаметром более 1000 мм с интервалом изменения диаметра через 200 мм. Расстояния между тарелками в зависимости от их типов могут изменяться от 300 до 1000 мм.

До настоящего времени не выработано обобщенных и достаточно объективных критериев выбора типа тарелки для ведения того или иного процесса. Существенную роль в этом играют сложившиеся в организациях поставщиках традиции, опирающиеся на многолетний опыт надежной эксплуатации разрабатываемой ими массообменной аппаратуры. Для ори­ентировочного выбора типа тарелки можно привести следующие данные.

Тарелки с капсульными колпачками получили наиболее широкое распространение благодаря своей универсальности и высокой эксплуата­ционной надежности; они достаточно эффективны, но металлоемки и сложны в монтаже.

Тарелки, собираемые из S- образных элементов, устанавливаются преимущественно в колоннах больших диаметров. Их производительность на 20-30 % выше, чем у капсульных.

Клапанные тарелки по сравнению с колпачковыми имеют более вы­сокую эффективность и на 20 - 40 % большую производительность; они применяются для обработки жидкостей, не склонных к смолообразованию и полимеризации, во избежание прилипания клапана к тарелке.

Ситчатые тарелки имеют достаточно высокую эффективность, низ­кое сопротивление и малую металлоемкость. Они применяются преимуще­ственно в колоннах для обработки чистых жидкостей при атмосферном давлении и вакууме.

Решетчатые тарелки провального типа имеют производительность, в 1,5-2 раза большую, чем колпачковые тарелки, низкую металлоемкость. Их эффективность достаточно высока, но в узком диапазоне рабочих ско­ростей. Эти тарелки рекомендуется применять при больших нагрузках ко­лонны по жидкости. В дальнейшем будут рассмотрены в основном гидрав­лические расчеты колонных аппаратов, предусматривающие конечную цель - подбор стандартизованной тарелки.

Расчёт колонны с ситчатыми тарелками

1.Составляем и чертим схему непрерывно действующей ректификационной установки (рисунок 1).

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

,

где - мольная доля низкокипящего компонента в жидкости;

- молекулярная масса низкокипящего компонента, кг/кмоль;

- молекулярная масса высококипящего компонента, кг/кмоль.

Молекулярная масса ацетона - 44 кг/кмоль, этанола - 46 кг/кмоль.

По расчетам получили

= 0.06; = 0. 94; = 0.02.

3. Обозначим массовый расход смеси через g_f, дистиллята – через g_D , кубового остатка - через g_w.

Уравнения материального баланса:

- по потокам: g_f = g_d + g_w;

- по низкокипящему компоненту: G_F • =G_D • + G _w • .

Из этой системы уравнений находим:

= =9,2 кг/с.

Рисунок 1- Схема непрерывно действующей ректификационной установки

G_w =G_F-G_D =9,2 – 0.4=8,8 кг/с.

При Р = 760 мм.рт.ст

х, % мольн	у, % мольн	t, оС	P, мм рт ст
0	0	118,1	760
5	9,2	115,4
10	16,7	113,8
20	30,2	110,1
30	42,5	107,5
40	53,0	105,8
50	62,7	104,4
60	71,6	103,2
70	79,5	102,1
80	86,4	101,3
90	93,0	100,6
100	100	100,0

Таблица 1– Равновесные составы жидкости и пара смеси вода – уксусная кислота.

По полученным данным о равновесии между жидкостью и паром строим изобары температур кипения и конденсации смеси на диаграмме t = f (х, у) и линию равновесия на диаграмме у = f (x,у).

Расчет флегмового числа. Минимальное флегмовое число можно рассчитать по формуле:

где - мольная доля низкокипящего компонента в паре, равновесном с исходной смесью, определяется по диаграмме х-у.

Для нашего случая = 0.28. Отсюда

R_min = =7

Оптимальное флегмовое число найдем из условия получения минимального объёма колонны, пропорционального произведению n_T(R+1), где n_T – число ступеней изменения концентрации (теоретическое число тарелок ).

Расчет оптимального флегмового числа выполняем следующим образом:

а) задаемся рядом значений коэффициента избытка флегмы в пределах от 1,1 до 5,0; определяем рабочее флегмовое число R= *R_min и величину отрезка ;

б) откладываем отрезок В на оси ординат (рисунок 4.3) и проводим линии АВ₁ АВ₂. На оси абсцисс откладываем содержание низкокипящего компонента в исходной смеси x_f и в кубовом остатке x_w. Из x_f восстанавливаем перпендикуляр до пересечения с линиями АВ₁, АВ₂ Получаем точки D₁, D₂.Линии AD₁, AD₂ являются линиями рабочих концентраций верхней части колонны. Соединив точки D₁, D₂ с точкой С получаем линии рабочих концентраций нижней частей колонны D₁C, D₂C.

в) между равновесной и рабочими линиями в пределах концентраций x_w и x_D строим ступени, каждая из которых соответствует теоретической тарелке;

г) при каждом значении определяем число теоретических тарелок n_T и величину произведения n_T(R + 1). Результаты расчета сводим в таблицу 2.

д) флегмовое число R =10,5

Эту величину и принимаем в дальнейших расчетах за оптимальное рабочее число флегмы. Число ступеней изменения концентраций (число теоретических тарелок) при этом равно 26.

	R	В	nt	nt(R+1)
1.5	10,5	0.09	26	299
2,5	17,5	0.05	20	370
3	21	0.044	19	418
3,5	24,5	0.038	18	459
4,0	28	0.03	17	493

Таблица 2 – Данные для расчета оптимального флегмового числа

Определяем средние концентрации уксусной кислоты в жидкости:

1) Проценты мольные:

а) в верхней части колонны

б) в нижней части колонны

2) Проценты массовые:

а) в верхней части колонны

б) в нижней части колонны

Средние температуры жидкости определяем по диаграмме t - х,у:

при =0.5, t_ж.в=104.4°С

при =0.04, t_ж.н.=116,5°С

Средняя плотность жидкости по высоте колонны определяется по уравнению:

,

где , плотности низкокипящего и высококипящего компонентов при средней температуре в колонне, соответственно, кг/м³ а) в верхней части колонны

а) в верхней части колонны

= кг/м³

б) в нижней части колонны

= кг/м³

Для колонны в целом:

=( + )/2 =(961,5+924,2)/2=942,85 кг/м³

Определяем средние концентрации воды в паре:

а) в верхней части колонны

х_D= y_D =0.98

y_в.ср= (y_F+y_D)/2=(0.26+0.98)/2 = 0.62

б) в нижней части колонны

x_W = y_W =0.05

y_н.ср= (y_F+ y_W)/2=(0.26+0.05) = 0.155

где y_F - концентрация низкокипящего компонента в паре на питающей та­релке. Определяется в точке пересечения линий рабочих концентраций, построенных при оптимальном флегмовом числе R = 10,5.

Средние температуры пара определяем по диаграмме t - х,у:

при y_в.ср =0.62, t_n.в =104,4 °С;

при y_в.ср =0.155, t_n.в =113,7 °С.

Средние молекулярные массы и плотности пара:

а) в верхней части колонны:

средняя молекулярная масса пара

М_n.в.ср= М_Аy_в.ср+М_в(1-у_в.ср) = 18*0.62 + 60*(1-0.62) = 33,96 кг/моль.

средняя плотность пара

кг/м³

б) в нижней части колонны:

средняя молекулярная масса пара

М_n.н.ср= М_Аy_н.ср+М_в(1-у_н.ср) =18*0,155+60(1-0,155)=2,79+50,7=53,49 кг/кмоль;

средняя плотность пара

1.68 кг/м³

Объёмный расход пара, поступающего в дефлегматор

V_n=

где – M_D -мольная масса дистиллята, кг/кмоль.

M_D =M_Ay_D + M_B(l-y_D) = 18*0.98 + 60*(1-0.98) = 18,84 кг/кмоль

Тогда:

V_n= м³/с

Диаметр колонны:

D_K= =2,5 м.

По каталогу [1] принимаем диаметр типовой колонны 2,5 м. При этом действительная скорость пара в колонне:

м/с

Определение высоты колонны.

Высоту колонны определяем графо-аналитическим методом, т.е. последовательно рассчитываем коэффи­циенты массоотдачи, массопередачи, коэффициенты полезного действия тарелок; строим кинетическую кривую и определяем число действитель­ных тарелок.

Коэффициент массоотдачи в паровой фазе:

_/

где D_П - коэффициент диффузии паров компонента А в парах компонента В, рассчитывается по формуле:

,

где Т - температура, К; р - абсолютное давление, кгс/см²; М_А, М_В - моль ные массы пара компонентов А и В; v_A, v_B - мольные объемы компонентов А и В, определяемые как сумма атомных объемов элементов, входящих в состав пара.

Re_n - критерий Рейнольдса для паровой фазы

где - динамический коэффициент вязкости пара, Па*с.

,

где М_ср.n, М_А, М_B - мольные массы пара и отдельных компонентов, кг/кмоль;

, - соответствующие им динамические коэффициенты вязкости;

y_A , y_B - объемные доли компонентов в паровой смеси.

Коэффициент динамической вязкости смеси паров воды и уксусной кислоты:

а) в верхней части колонны при температуре 104,4°С

= 0.0123 мПа*с , = 0.00105 мПа*с.

= 1,5*10^-6 Па*с

б) в нижней части колонны при температуре 113,7° С

=0.0130 мПа*с, = 0.0011 мПа*с [Приложение Б2].

= 1,16*10^-6 Па*с

Коэффициент диффузии паров бензола в парах толуола:

а) в верхней части колонны

= м/с²

б) в нижней части колонны

= м/с²

Критерий Рейнольдса для паровой фазы:

а) в верхней части колонны

Re_n.в.=

б) в нижней части колонны

Re_n.н.=

Коэффициент массоотдачи в паровой фазе:

а) в верхней части колонны

= кмоль/(м² • с);

б) в нижней части колонны

= кмоль/(м² • с);

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе:

,

где D_ж - коэффициент диффузии в жидкости, м²/с.; М_ж.ср.; - средняя мольная масса жидкости в колонне, кг/кмоль

М_ж._ср=М_А х_ср +М_В.(1 -х_ср.);

Pr^’_ж- диффузионный критерий Прандтля

.

Коэффициент диффузии пара в жидкости D_t (при соответствующей температуре) связан с коэффициентом диффузии D₂₀ следующей прибли­женной зависимостью:

D_t=D₂₀[l + b(t-20)],

где b - температурный коэффициент. Определяется по формуле:

где - динамический коэффициент вязкости жидкости при 20° С ,мПа с;

- плотность жидкости, кг/м³.

Коэффициент диффузии в жидкости при 20° С можно вычислить по приближенной формуле:

D₂₀ = ,

где - динамический коэффициент вязкости жидкости, мПа*с; v_A, v_b -мольные объёмы компонентов А и В; М_А, М_В - мольные массы соот­ветственно компонентов А и В, кг/кмоль; А, В - коэффициенты, зависящие от свойств низкокипящего и высококипящего компонентов.

Динамический коэффициент вязкости жидкости:

,

где , - коэффициенты динамической вязкости компонентов А и В при соответствующей температуре [2 с.516].

Коэффициент динамической вязкости жидкости при температуре 20°С равен:

а) в верхней части колонны

= Па*с;

б) в нижней части колонны

= Па*с.

Коэффициент диффузии ацетона в жидком этаноле при = 20° С :

а) для верхней части колонны

D_ж.в =

б) для нижней части колонны

D_ж.н =

Расчет коэффициента b.

а) в верхней части колонны

b =

б) в нижней части колонны

b =

Коэффициент диффузии бензола в жидком толуоле при средней температуре:

а) в верхней части колонны

D_ж.в = *[l + *(104.4-20)]=0,0024 , м² /с;

б) в нижней части колонны

D_ж.в = *[l + *(116,5-20)]=0,0032 м² /с.

Рассчитываем коэффициент динамической вязкости жидкости в верхней и нижней частях колонны при средней температуре:

а) в верхней части колонны при t =104.4° С = 0.284 мПа*с

= 0,16 мПа*с

= Па*с;

б) в верхней части колонны при t =116,5° С = 0.232 мПа*с

=0.37 мПа*с

= Па*с;

Критерий Прандтля:

а) для верхней части колонны

Pr^’_ж.в =

б) для нижней части колонны

Pr^’_ж.н =

Средняя мольная масса жидкости в колонне:

а) для верхней части колонны

М_ж.ср.в=М_А^х_ср.в+М_в.(1-х_Ср.в)=18*0.58+60*(1-0.58)=35,64 кг/кмоль;

б) для нижней части колонны

М_ж.ср.н=М_А^х_ср.н+М_н.(1-х_Ср.н)=18*0.155 + 60*(1 - 0.155) = 55,17 кг/кмоль;

Определяем коэффициенты массоотдачи:

а) для верхней части колонны

= кмоль/(м²*с);

б) для нижней части колонны

= кмоль/(м²*с);

Построение кинетической кривой. Между кривой равновесия и линиями рабочих концентраций в соответствии с табличными значениями х проводим ряд прямых, параллельных оси ординат.

Измеряем полученные отрезки А₁С_1. А₂С₂, А₃С₃ и т. д. Определяем величину отрезков А₁В₁, А₂В₂ и т. д. Через найденные для каждого значения х точки В₁ В₂, В₃ проводим кинетическую кривую, отображающую степень приближений фаз на тарелках к равновесию.

Число реальных тарелок n_д находим путем построения ступенчатой линии между кинетической кривой и рабочими линиями в пределах от x_d до x_w. Получаем тарелки, которые и обеспечивают разделение смеси в заданных пределах изменения концентраций. Исходная смесь должна подаваться на 30 тарелку сверху.

Высота тарельчатой части колонны:

Н_т=h_мт(n_д-1) =0.45*(40-1) =17,55 м

Общая высота колонны:

H= H_T+h_cen+h_Ky6,

где h_ceп - расстояние между верхней тарелкой и крышкой колонны, (высо­та сепарационного пространства), принимаем 1 м; h_куб - расстояние между нижней тарелкой и днищем колонны, (высота кубовой части), принимаем 2,5м. Значения данных величин приводятся в Приложении Б6.

Н=17,55 + 1+ 2,5 = 21,05 м.

Гидравлический расчет

Гидравлическое сопротивление тарелки в верхней и нижней части колонны:

,

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

;

а) для верхней части колонны:

Па.

а) для нижней части колонны:

Па.

Сопротивление сил поверхностного натяжения:

,

где -поверхностное натяжение жидкости, Н/м;

d -эквивалентный диаметр отверстия, м;

Для верхней части колонны:

=39,35 Па.

Для нижней части колонны:

=20,42 Па.

Сопротивление парожидкостного слоя:

∆P_пж=1,3*h_пж*k* *g

h_пж=h_п+∆h

∆h=V_ж/(1,85*П*k)

П=(2*α/360)*π*D_k=40*3.14*2.5/180=1.74м

Объемный расход жидкости:

а) в верхней части колонны

V_ж.в= м³/с

а) в нижней части колонны

V_ж.н= м³/с

Высота слоя над сливной перегородкой:

а) в верхней части колонны

∆h_в=

б) в нижней части колонны

∆h_н=

Высота парожидкостного слоя на тарелке:

а) в верхней части колонны

h_пж= h_п+∆h=0,04+0,093=0,0693м

б) в нижней части колонны

h_пж= 0,04+0,06=0,1м

Сопротивление парожидкостного слоя:

а) в верхней части колонны

∆P_пж.в=1,3*0,0693*0,5*961,5*9,81=424,9 Па

б) в нижней части колонны

∆P_пж.н=1,3*0,1*0,5*924,2*9,81=589,3 Па

Общее гидравлическое сопротивление тарелки:

а) в верхней части колонны

∆P_в=276,14+39,35+424,9=740,39 Па

б) в нижней части колонны

∆P_н=441,8+20,42+598,3=1051,52 Па

Минимальная скорость пара в отверстиях, необходимая для равномерной работы тарелки:

w_0min=0.67 м /c

Общее гидравлическое сопротивление колонны с ситчатыми тарелками:

=(276,14+441,8)+(39,35+20,42)+(424,9+589,3)=1791,91

Тепловой расчет колонны

Расход теплоты, получаемой кипящей жидкостью от конденсирующего пара в кубе-испарителе колонны:

где -расход теплоты, отнимаемой охлаждающей водой от конденсирующихся в дефлегматоре паров, Вт;

-тепловые потери колонны в окружающую среду, Вт;

-теплоемкость исходной смеси, дистиллята, кубовой жидкости, соответственно, Дж/кг·К.

Значения теплоемкостей, необходимые для расчета, находим по формуле:

,

где - теплоемкости компонентов при соответствующих температурах;

- массовые доли компонентов.

Температура кипения смеси t_F=122^оC, кубового остатка t_W=131^оC и дистиллята t_D=97^оC.

Теплоемкости смесей:

Количество тепла, отнимаемого охлаждающей водой от конденсирующегося в дефлегматоре пара:

, где

-удельная теплота конденсации дистиллята, Дж/кг;

где: , - удельная теплота конденсации компонентов А и В при температуре t_D=97⁰С

Тепловые потери колонны в окружающую среду:

,

где -температура наружной поверхности стенки колонны, принимаем ; -температура воздуха в помещении, ;

α-суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением, Вт/(м²К):

-наружная поверхность изоляции колонны, определяем по формуле:

Потери тепла в окружающую среду:

Расход тепла в кубе колонны с учетом тепловых потерь:

Расход тепла в паровом подогревателе исходной смеси рассчитывается по формуле:

Расход греющего пара в подогревателе исходной смеси

Общий расход пара:

Расход воды в дефлегматоре при нагревании ее на 20⁰С:

Расход воды в холодильнике дистиллята при нагревании ее на 20⁰С:

Расход воды в холодильнике кубового остатка при нагревании ее на 20⁰С:

Общий расход воды в ректификационной установке: