3

Введение

Ректификация - один из способов разделения жидких смесей основанный на различном распределении компонентов смеси между жидкой и паровой фазами. В качестве аппаратов служащих для проведения ректификации используются ректификационные колонны - состоящие из собственно колонны, где осуществляется противоточное контактирование пара и жидкости, и устройств, в которых происходит испарение жидкости и конденсация пара — куба и дефлегматора. Колонна представляет собой вертикально стоящий полый цилиндр внутри которого установлены так называемые тарелки (контактные устройства различной конструкции) или помещен фигурный кусковой материал — насадка. Куб и дефлегматор — это обычно кожухотрубные теплообменники (находят применение также трубчатые печи и кубы-испарители.

Назначение тарелок и насадки - разделение межфазной поверхности и улучшение контакта между жидкостью и паром. Тарелки, как правило, снабжаются устройством для перелива жидкости. В качестве насадки ректификационных колонн обычно используются кольца, диаметр которых равен их высоте.

Как в насадочных, так и в тарельчатых колоннах кинетическая энергия пара используется для преодоления гидравлического сопротивления контактных устройств и для создания динамической дисперсной системы

пар — жидкость с большой межфазной поверхностью. Существуют также ректификационные колонны с подводом механической энергии, в которых дисперсная система создаётся при вращении ротора, установленного по оси колонны. Роторные аппараты имеют меньший перепад давления по высоте, что особенно важно для вакуумных колонн.

По способу проведении различают - непрерывную и периодическую ректификацию. В первом случае разделяемая смесь непрерывно подается в ректификационную колонну, а из колонны непрерывно отводятся две или более число фракций, обогащенных одними компонентами и обедненных другими. Полная колонна состоит из двух секций укрепляющей и исчерпывающей. Исходная смесь (обычно при температуре кипения) подается в колонну, где смешивается с так называемой извлеченной жидкостью, стекающей по контактным устройствам (тарелкам или насадке) исчерпывающей секции противотоком к поднимающемуся потоку пара. Достигая низа колонны, жидкость обогащается тяжелолетучими компонентами. В низу жидкость частично испаряется в результате нагрева подводящимся теплоносителем, и пар снова поступает в исчерпывающую секцию. Пройдя её, обогащенный легколетучими

компонентами, пар поступает в дефлегматор, где обычно полностью конденсируется подходящим хладагентом. Полученная жидкость делится на два потока - дистиллят и флегму. Дистиллят является продуктовым потоком, а флегма поступает на орошение укрепляющей секции, по контактным устройствам которой стекает. Часть жидкости выводится из куба колонны в виде так называемого кубового остатка (также продуктовый поток).

Если исходную смесь нужно разделить непрерывным способом на число фракций больше двух, то применяется последовательное либо параллельно - последовательное соединение колонн.

При периодической ректификации исходная жидкая смесь единовременно загружается в куб колонны, ёмкость которая соответствует желаемой производительности. Пары поступают в колонну и поднимаются к дефлегматору, где происходит их конденсация. В начальный период весь конденсат возвращается в колонну, что отвечает режиму полного орошения. Затем конденсат делится на дистиллят и флегму. По мере отбора дистиллята (либо при постоянном флегмовом числе, либо с его изменением из колонны выводятся сначала легколетучие компоненты, затем среднелетучие и так далее). Нужную фракцию (или фракции) отбирают в соответствующий сборник. Операция продолжается до полной переработки первоначально загруженной смеси.

Основные области промышленного применения ректификации — получение отдельных фракций и индивидуальных углеводородов из нефтяного сырья в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, окиси этилена, акрилонитрила, акрилхлорсиланов - в химической промышленности. Ректификация широко используется и в других отраслях народного хозяйства: коксохимической, лесохимической, пищевой, химико — фармацевтической промышленностях.

Техническое задание № 43

Тема: Ректификация: разделение смеси хлороформ-1,2 дифлорэтан при атмосферном давлении.

Рассчитать диаметр, высоту, гидравлическое сопротивление ректификационной колонны. Рассчитать тепловой баланс и расход греющего пара, охлаждающей воды.

Рассчитать и выбрать теплообменник для подогрева исходной смеси кубовым остатком

Основные данные: расход кубового остатка ­, мольные составы , ,

1. Описание технологической схемы

Исходная смесь из промежуточной ёмкости Е1 центробежным насосом H1 подаётся в теплообменник П, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в середину ректификационной колонны КР на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси.

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике К. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка, т.е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой), получаемой в дефлегматоре Д путём конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике Х2 и направляется в промежуточную ёмкость ЕЗ.

Из кубовой части колонны насосом непрерывно выводится кубовая жидкость -продукт, обогащённый труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике X1 и направляется в ёмкость Е2.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента) и кубовый остаток (обогащённый труднолетучим компонентом).

1. Диаграммы y-X, t-X

Для технологических расчетов установки необходимо знать свойства веществ при определённых температурах. Основными диаграммами для определения этих свойств являются диаграммы : состав пара – состав жидкости , и зависимость температуры кипения от состава. В приложении №1 приведены диаграммы указанных свойств бинарной системы хлороформ-1,2дихлорэтан.

2. Технологические расчеты

2.1 Расчет ректификационной колонны.

Необходимо рассчитать ректификационную насадочную колонну с керамическими седлами Бегля для разделения смеси хлороформ – 1,2 дихлорэтан под атмосферным давлением и определить её основные геометрические размеры (диаметр и высоту).

2.1.1 Материальный баланс.

Зная производительность колонны по кубовому остатку и необходимые концентрации, определим недостающие данные, т. е. производительность дистилляту и питание исходной смеси (G_F и G_D), на основании уравнений материального баланса.

(1)

(2)

где - содержание легколетучего компонента в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке соответственно.

Отсюда найдем:

Нагрузка ректификационной колонны по пару и жидкости определяется рабочим флегмовым числом. Для его расчета используют приближенные вычисления, основанные на определении коэффициента избытка флегмы .

(3)

где R_min – минимальное флегмовое число.

При этом:

(4)

где - мольные доли легколетучего компонента в жидкости, а - концентрация легколетучего компонента в паре, находящаяся в равновесии с жидкостью (питанием исходной смеси).

По диаграмме y-x находим при соответствующем значении , таким образом .

Тогда:

Используя (3) найдем, что:

Найдем уравнение рабочих линий:

а) для верхней (укрепляющей) части колонны:

(5)

б) для нижней (исчерпывающей) части колонны:

(6)

где F – относительный мольный расход питания.

(7)

Таким образом получим уравнение нижней части:

Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости для верхней и нижней частей колонны определяют по формулам:

(8)

(9)

где - мольные массы дистиллята, кубового остатка и питания исходной смеси определяют по формулам:

(10)

где , - мольные массы исходных веществ, ; индекс i – относится соответственно к дистилляту, кубовому остатку и питанию.

Средние мольные массы жидкости в верхней части колонны находят по формулам:

(11)

(12)

где и - средний мольный состав жидкости соответственно в верхней и нижней части колонны:

Таким образом получим:

Подставляя величины в уравнение (8) и (9) получим:

Средние массовые потоки пара в верхней и нижней частях колонны:

(13)

(14)

где - средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны:

Средние концентрации пара найдём по уравнениям рабочих линий:

а) в верхней части колонны:

б) в нижней части колонны:

Тогда получим:

Подставив полученные величины в уравнения (13) и (14) имеем:

Определим средние плотности пара в верхней и нижней частях колонны:

(15)

(16)

где , - средние температуры пара, определяемые по приложению №1 по значениям и :

при

при

Тогда получим:

Средняя плотность пара в колонне:

Объёмный расход пара:

(17)

(18)

Плотности , определяют по формуле:

(19)

где , - плотности легколетучего и труднолетучего компонентов при соответствующих температурах,

Тогда объёмный расход жидкости:

2.1.2 Расчет теплового баланса установки

Тепловой баланс ректификационной колонны выражается общим уравнением:

(20)

где Q_деф – расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре, Q_к – расход теплоты в кубе-испарителе, Q_D и Q_W - уход тепла с дистиллятом и кубовой жидкостью, Q_F – ход тепла с исходной смесью; - средние удельные теплоёмкости; - температуры соответствующие дистилляту, кубовому остатку и исходной смеси.

Определим Q_деф по формуле:

(21)

где - удельная теплота конденсации смеси при . Температурунайдем по приложению №1 при,

Найдем удельную теплоту конденсации паров дистиллята по аддитивной формуле:

(22)

где - удельные теплоты конденсации паров веществ А и В при температуре дистиллята , ; - массовая доля легколетучего компонента в парах дистиллята (при использовании дефлегматора ).

Тогда :

Получим :

Удельные теплоемкости питания, кубового остатка и дистиллята определяется по аддитивным формулам:

(23)

(24)

(25)

где - удельные теплоемкости питания, кубового остатка и дистиллята при соответствующих температурах и находятся по [рис. XI стр. 562 ,1].

и , при

и , при

и , при

Теперь рассчитаем удельные теплоёмкости смеси:

Найдем:

2.1.3 Скорость пара и диаметр колонны.

Выбор рабочей скорости паров обусловлен многими факторами и обычно осуществляется путем технико-экономического расчета для каждого конкретного процесса. Для ректификационных колонн, работающих в пленочном режиме при атмосферном давление, рабочую скорость можно принять на 20-30 % ниже скорости захлёбывания. Предельную фиктивную скорость пара , при которой происходит захлёбывание насадочных колонн, определяют по уравнению:

(26)

где - предельная скорость пара в критических точках, м/с; а – удельная поверхность насадки, м²/м³; ε – свободный объём насадки, м³/м³; μ_х – динамический коэффициент вязкости жидкости, мПа∙с; и - массовые расходы жидкой и паровой (газовой) фаз, кг/с; и - плотность пара и жидкости соответственно, кг/м³; А и В - коэффициенты.

Вязкость жидких смесей μ_х для верхней и нижней частей колонны находим по формуле:

(27)

Выбираем керамические седла Берля:

Седла Берля 12,5 мм:

в:

н:

Седла Берля 25 мм:

в:

н:

Седла Берля 38 мм:

в:

н:

Рабочая скорость пара (газа) рассчитывается по соотношению:

(28)

12,5 мм:

25 мм:

38 мм:

Для определения диаметра колонны пользуются формулой:

(29)

где - объёмный расход пара (газа) при рабочих условиях в колонне, м³/с.

12,5 мм:

25 мм:

38 мм:

Выбираем стандартный аппарат с диаметром 2 м для обеих частей колонны и уточняем рабочую скорость пара и

Уточнённую рабочую скорость проверяют по графической зависимости Эдулджи, где комплексы Y и X имеют следующий вид:

(30)

где – критерий Фруда рассчитывается по номинальному размеру насадки d (м); - критерий Рейнольдса (условный), также рассчитывается по номинальному размеру d; и - соответственно плотность воды и орошаемой жидкостью, кг/м³.

(31)

где и - объёмные расходы жидкости и пара (газа), м³/с; U – плотность орошения.

Расчет плотности орошения производится по формуле:

(32)

где U – плотность орошения, м³/(м²∙с); V_x – объёмный расход жидкости, м³/с; S – площадь поперечного сечения колонны, м².

Критерий Рейнольдса:

Критерий Фруда:

Рассчитаем комплексыY и X:

Точки (X_в,Y_в) и (X_н, Y_н) лежат ниже линии захлебывания, которая соответствует неустойчивому режиму работы. Это означает, что работа колонны устойчива и выбор диаметра колонны правильный.

Активная поверхность насадки находится по формуле:

(33)

где , - критерий Рейнольдса для жидкости.

Рассчитаем критерий Рейнольдса:

Теперь вычислим m:

12,5 мм:

25 мм:

38 мм:

Коэффициент смоченности насадки:

12,5 мм:

25 мм:

38 мм:

Коэффициент определяем по графику зависимости коэффициента k^’ от плотности орошения U:

12,5 мм:

25 мм:

38 мм:

Тогда активная поверхность насадки будет равна:

12,5 мм:

25 мм:

38 мм:

При расчете были соблюдены минимальные допустимые значения , следовательно, были правильно выбраны диаметр колонны и размер насадки седла Берля 25 мм.

2.1.4 Расчет высоты насадки и колонны.

Высоту насадки Н рассчитываем по модифицированному уравнению массопередачи.

(34)

Общее число единиц переноса вычисляют по уравнению:

(35)

Обычно этот интеграл определяют численными методами или методами графического интегрирования. Используем численный метод трапеции. Для этого надо составить таблицу:

Нижняя часть:

x	y	y*	y*-y
0,02 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25	0,042 0,1 0,18 0,26 0,34 0,41	0,041 0,0981 0,1651 0,2421 0,3192 0,3963	0,001 0,0119 0,0149 0,0179 0,0208 0,0137	500 84,03 67,114 55,87 48,07 72,99

Верхняя часть:

x	y	y*	y*-y
0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95	0,41 0,48 0,55 0,61 0,67 0,71 0,75 0,79 0,83 0,86 0,89 0,91 0,93 0,95 0,98	0,373 0,4142 0,4554 0,4966 0,5378 0,579 0,6202 0,6614 0,7026 0,7438 0,785 0,8262 0,8674 0,9086 0,9498	0,037 0,0658 0,0946 0,1134 0,1322 0,131 0,129 0,1286 0,1274 0,1162 0,105 0,0838 0,0626 0,0414 0,0302	237,027 15,197 10,571 8,818 7,564 7,633 7,75 7,776 7,849 8,605 9,524 11,933 15,974 24,154 33,112

Находим общее число единиц переноса в верхней и нижней части колонны:

Находим общую высоту единиц переноса:

(36)

где – тангенс угла наклона рабочей линии или удельный расход жидкой фазы,. и - частные высоты единиц переноса по паровой и жидкой фазам, м.

Высота единицы переноса по паровой фазе:

(37)

где - высота единицы переноса по паровой фазе, м; ψ- коэффициент, определяемый по рис; - диффузионный критерий Прандтля; - массовая плотность орошения, ; - массовый расход жидкости, ; D – диаметр колонны, м; z – высота насадки одной секции (z не должна превышать – 3 м), м; , - динамический коэффициент вязкости жидкости, мПа∙с;;

, и - поверхностное натяжение воды при и жидкости при средней температуре в колонные, .

Для колонн диаметра м рекомендуется показатель степени у величины , равным 1, вместо 1,11.

Высота единицы переноса для жидкой фазы:

(38)

где - высота единиц переноса по жидкой фазе, м; Ф и с – коэффициенты, определяемые по рис. из учебных пособий; - диффузионный эффект Прандтля.

Выбранные коэффициенты из графика:

в: Ф =0,04 , с =0,83 , =61,5 , Pr_x =90,3.

н: Ф =0,0525 , с =0,83 , =61,5 , Pr_x =92,5.

Рассчитаем высоту чисел переноса по жидкости:

.

.

Тогда высота чисел переноса по пару равна:

Общая высота единиц переноса для верхней и нижней частей колонны, согласно формуле (36):

Высота насадки для верха и низа колонны:

Общая высота насадки колонны:

С учетом того, что высота слоя насадки в одной секции 3 м, общее число секций составляет 3.

Общую высоту колонны определяют по формуле:

(39)

где - высота насадки одной секции, м; - число секций (); - высота промежутков между секциями, м; и - высота сепарационного пространства над насадкой и расстояние между днищем колонны и насадкой, соответственно, м.

В соответствии с рекомендациями [7]:

Диаметр колонны, м	, м	, м
1,2 – 2,2	1,0	2,0

Величина зависит от размеров распределительных тарелок (ТСН-3) и при проектировании м.

Тогда общая высота колонны будет:

2.1.5 Ориентировочный расчет теплообменника для подогрева исходной смеси кубовым остатком.

Рассчитаем тепловую нагрузку аппарата:

(40)

Для определения тепловой нагрузки для начала надо определить теплоёмкость кубового остатка при средней температуре процесса:

Определим тепловую нагрузку:

Теперь определим примерную величину конечной температуры исходной смеси из уравнения тепловой нагрузки:

Проведём уточнение теплоёмкости для исходной смеси при средней температуре процесса:

Ещё раз уточним конечную температуру исходной смеси:

t

82,7

Δt_б 1

55,3

35

2 Δt_м

17

1. кубовый остаток

2. исходная смесь (питание)

Средняя движущая сила процесса равна:

Тогда средние температуры кубового остатка и исходной смеси равны:

Рассчитаем физические величины необходимые для расчета и :

при :

Найдем :

теперь при :

Рассчитаем :

Рассчитаем ориентировочную поверхность теплообменника, воспользуемся формулой:

(41)

Найдем коэффициент теплопередачи K:

(42)

Нейдем коэффициенты теплоотдачи:

(43)

(44)

Высчитаем значение критерия :

(45)

Так как у нас два потока, надо определить площадь поперечного сечения трубного кольцевого пространства:

Питание направляем в кольцевое пространство, а кубовый остаток в межтрубное пространство.

Определим скорость потоков внутри каждого пространства:

Тогда:

Получим:

Тогда получим:

Получим поверхность теплообменника:

Рассчитаем поверхность одного элемента:

Тогда количество элементов будет n=18, но запас устойчивости очень мал, тогда увеличим количество элементов до 20.Получим поверхность теплообмена :

Тогда запас устойчивости будет равен:

Вывод

В данном курсовом проекте в результате проведённых инженерных расчетов была подобрана ректификационная установка для разделения бинарной смеси хлороформ – 1,2 дихлорэтан, с насадочной ректификационной колонной диаметром D = 2(м), высотой H = 44 (м), в которой применяется насадка седла Берля 25 мм. Расстояние между которыми h = 0,5 (м). Колонна работает в нормальном режиме.

Также были ориентировочно подобран теплообменник: для подогрева исходной смеси кубовым остатком.