X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

В условиях химических производств при синтезе продуктов часто получают смеси жидких компонентов, из которых затем необходимо выделить тот или иной компонент в чистом виде. Смеси жидких компонентов, встречающиеся на практике, могут быть трех видов:

смеси жидкостей, взаимно растворимых при любых соотношениях (например, этиловый спирт-вода, бензол-толуол и т.д.)

смеси жидкостей, нерастворимых одна в другой (например, бензол-вода, масло-вода и т.д.)

смеси частично растворимых жидкостей (например, ацетон-вода, фенол - вода и т.д.)

В зависимости от вида смеси и требуемой чистоты выбирают на практике способы их разделения. Одним из способов разделения жидких смесей является ректификация.

Ректификация известна с начала XIX века как один из важнейших технологических процессов главным образом спиртовой и нефтяной промышленности. В настоящее время ректификацию во всем мире применяют в самых различных областях химической технологии, где выделение компонентов в чистом виде имеет весьма важное значение: в производствах органического синтеза, изотопов, полимеров, полупроводников и различных других веществ высокой чистоты.

Ректификация – это процесс многократного испарения и конденсации, в ходе которого исходная смесь разделяется на 2 или более компонентов, и паровая фаза насыщается легколетучим (низкокипящим) компонентом (-тами), а жидкая часть смеси насыщается тяжелолетучим (высококипящим) компонентом (-тами). Ректификация проводится путем массообмена между встречными потоками пара и жидкости. Процесс ректификации может осуществляться периодически или непрерывно при различных давлениях: под атмосферным давлением, под вакуумом (для разделения смесей высококипящих веществ), а также под давлением больше атмосферного.

Ректификацию широко применяют, так как при ее проведении получают из смеси компоненты более высокой чистоты, чем при помощи других способов разделения смесей.

Ректификацию проводят в аппаратах, называемых ректификационными колоннами. В нижней части колонны (кубе), как и при простой перегонке, кипит смесь. Пары, содержащие в основном низкокипящий компонент (НК), поднимаются вверх. С помощью специальных барботажных устройств пары соприкасаются с движущейся сверху аппарата флегмой (дистиллятом), состоящей из НК на входе в колонну.

При соприкосновении паров и дистиллята происходит массообмен за счет многократной конденсации паров и испарения жидкости: из паров конденсируется преимущественно высококипящий компонент (ВК), а из жидкости испаряется в основном НК. В результате поднимающиеся пары обогащаются НК, а стекающая флегма – ВК.

После вывода и конденсации паров в специальном конденсаторе, называемом дефлегматором, получают практически чистый НК, часть которого в виде флегмы используют для орошения колонны. В кубе остается кубовый остаток, содержащий в основном ВК.

Сущность процесса ректификации заключается в разделении жидкой смеси на дистиллят и остаток в результате противоточного взаимодействия жидкости и паров.

Технологическая схема ректификационной установки непрерывного действия показана на рисунке 1. Исходная смесь подается из в подогреватель П, где ее температура повышается до температуры кипения, затем смесь входит в ректификационную колонну КР. Чтобы провести многократные испарения жидкости приводят в действие кипятильник К, где жидкость, насыщенная высококипящим компонентом, испаряется и поступает обратно в колонну КР.

В дефлегматоре Д происходит конденсация паров за счет охлаждения водой, затем дистиллят попадает в распределитель Р, после чего некоторая часть флегмы возвращается в колонну КР, а оставшаяся его часть проходит через холодильник Х1 и попадает в емкость Е3. А низколетучий компонент из нижней части колонны охлаждается в холодильнике Х2 и попадает в емкость Е2.

Целью данной работы являлся расчет основных параметров ректификации смеси этанол – воды и основных размеров колонны для проведения этого процесса при следующих исходных данных:

Рисунок 1. Схема ректификационной установки непрерывного действия.

- производительность колонны по исходной смеси G_F = 8,4 т/ч;

- концентрация летучего компонента, мас. %:

- в исходной смеси x_F = 37;

- в дистилляте x_D = 96;

- в кубовом остатке x_W = 3,9;

- начальная температура исходной смеси t_нач = 18 ^оС;

- конечная температура дистиллята и кубового остатка t_кон = 25 ^оС;

- начальная температура охлаждающей воды t_н.в. = 20 ^оС;

- конечная температура охлаждающей воды t_к.в. = 40 ^оС;

- тип тарелок: колпачковые.

Материальный баланс

1. Рассчитываем материальный баланс ректификационной колонны непрерывного действия из следующего уравнения:

G_D + G_W = G_F;

G_Dx_D + G_Wx_W = G_Fx_F,

где G_F, G_D, G_W - массовые расходы исходной смеси, дистиллята и кубового остатка соответственно, кг/ч.

2. Подставляем известные величины, и определяем массовые расходы дистиллята и кубового остатка:

G_D + G_W = 8400

G_D∙0,96 + G_W∙0,039 = 8400∙0,37

G_D = 8400 - G_W

кг/ч

G_D = 8400 – 7380,622 = 1012,378 кг/ч

3. Для дальнейших расчётов выразим концентрации питания, дистиллята и кубового остатка в мольных долях:

- питание:

- дистиллят:

- кубовый остаток:

,

где М_э - мольная масса этилового спирта, равная 46 г/моль; М_в - мольная масса воды, равная 18 г/моль.

4. Рассчитываем относительный мольный расход питания:

5. Определяем минимальное число флегмы по следующему уравнению:

где y^*_F - мольная доля метанола в паре, равновесном с жидкостью питания, определенная по диаграмме равновесия для смеси этанол-вода [1] при X_F = 0,187, и равная 0,520.

5. Рассчитываем рабочее число флегмы по уравнению:

R = 1,3∙R_мин + 0,3 = 1,3∙1,153 + 0,3 = 1,799

6. Составляем уравнения рабочих линий.

- для верхней части колонны:

y = 0,643∙x + 0,323

- для нижней части колонны:

y = 2,498∙x - 0,024

Определение скорости пара и диаметра колонны

1. Рассчитываем средние концентрации жидкости:

- для верхней части колонны:

- для нижней части колонны:

2. Определяем средние концентрации пара по уравнениям рабочих линий:

- в верхней части колонны:

y'_cp = 0,643∙X'_cp + 0,323 = 0,643∙0,546 + 0,323 = 0,674

- в нижней части колонны:

y''_cp = 2,498∙X''_cp - 0,024 = 2,498∙0,102 - 0,024 = 0,231

3. Определяем средние температуры пара по диаграмме [1]:

- при у'_cp = 0,674 средняя температура в верхней части колонны:

t'_cp. = 80 ^оС;

- при у''_cp = 0,231 средняя температура в нижней части колонны:

t''_cp. = 94 ^оС.

4. Рассчитываем средние мольные массы и плотности пара.

- в верхней части колонны при температуре Т'_cp. = 80 +273 = 353 K:

М'_ср = у'_cp∙M_м + (1 - у'_cp) ∙M_в = 0,674∙46 + (1 – 0,674) ∙18 = 36,872 кг/кмоль

кг/м³

- в нижней части колонны при Т''_cp. = 94 +273 = 367 K:

М''_ср = у''_cp∙M_м + (1 - у''_cp) ∙M_в = 0,231∙46 + (1-0,231) ∙18 = 24,468 кг/кмоль

кг/м³

- средняя плотность пара в колонне:

5. Рассчитываем плотность смеси жидкостей этанол - вода при средних температурах:

- при X_D = 0,904, t_э = 80 ^оС:

ρ_э = 735 кг/м³;

- при X_W= 0,016, t_в = 99 ^оС:

,

где ρ₁, ρ₂ – плотности воды при температурах t₁ и t₂, кг/м³.

- находим среднюю плотность жидкости в колонне:

6. По справочным данным [1] принимаем расстояние между тарелками h = 500 мм. Для колпачковых тарелок по графику [1] находим С = 0,055.

7. Рассчитываем скорость пара в колонне:

м/с;

8. Определяем объемный расход проходящего через колонну пара при Т_cp.п. = 273 + 87 = 360 K:

м³/с,

где M_D - мольная масса дистиллята, равная:

M_D = X_D∙M_э + (1- X_W)∙М_в = 0,904∙46 + 0,016∙18 = 41,872 кг/кмоль

9. Рассчитываем диаметр колонны:

м

По справочным данным [2] выбираем диаметр D = 800 мм.

10. Рассчитываем скорость пара в колонне.

м/с

Гидравлический расчет тарелок

По справочным данным [2] для колонны диаметром D = 800 мм выбираем колпачковые тарелки со следующими характеристиками:

- свободное сечение тарелки F_с = 9,7 %;

- периметр слива П = 1,05 м;

- диаметр колпачка d₀ = 8 мм;

- высота сливной перегородки h_п = 15 мм.

Рассчитываем гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части колонны:

1. Определяем гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

Па,

где ξ - коэффициент сопротивления неорошаемых колпачковых тарелок со свободным сечением 9,7 % от площади тарелки, равный 1,82 [1]; ω'₀ - скорость пара в отверстиях тарелки, равная:

м/с

2. Определяем поверхностное натяжение смеси жидкостей при температуре t'_cp.ж. = 80 ^оС:

σ'_ср = Х'_ср∙σ'_э + (1- Х'_ср)∙σ'_в = (0,546∙17,3 + 0,454∙62,6) ∙10^-3 = 0,0379 Н/м

где σ_в – поверхностное натяжение воды, равное 0,0626 Н/м при 80 ^оС; σ_э – поверхностное натяжение этанола, равное 0,0173 Н/м при 80 ^оС.

3. Определяем сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

Па

4. Определяем объемный расход жидкости в верхней части колонны:

м³/с,

где М'_ср - средняя мольная масса жидкости, равная:

М'_ср = Х'_ср∙М_э + (1- Х'_ср)∙ М_в = 0,546∙46 + (1-0,546)∙18 = 33,288 кг/кмоль

5. Рассчитываем высоту парожидкостного слоя над сливной перегородкой тарелки:

м,

где k - отношение плотности парожидкостного слоя (ρ_пж) к плотности жидкости (ρ_ж), принимаемый равным 0,5 [1].

6. Определяем высоту парожидкостного слоя на тарелке:

h'_пж = h_п + Δh' = 0,015 +0,0097 = 0,0247 м

7. Рассчитываем сопротивление парожидкостного слоя:

ΔР'_пж = 1,3∙h'_пж∙ρ'_ж∙g∙k = 1,3∙0,0247∙803,901∙9,81∙0,5 = 126,614 Па

8. Определяем общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части колонны:

ΔР' = ΔР'_сух + ΔР'_σ + ΔР'_пж = 160,562 + 18,95 + 126,614= 306,126 Па

Рассчитываем гидравлическое сопротивление тарелки в нижней части колонны:

9. Определяем гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

Па,

где ω''₀ - скорость пара в отверстиях тарелки, равная:

м/с

10. Определяем поверхностное натяжение смеси жидкостей при температуре t''_cp.ж. = 94^оС:

∙10^-3 Н/м,

где σ₁, σ₂ - поверхностное натяжение воды при температуре t₁ и t₂ соответственно, мН/м [1].

∙10^-3 Н/м,

где σ₁, σ₂ - поверхностное натяжение этанола при концентрации 100 % и температурах t₁ и t₂ соответственно, мН/м [1].

Тогда:

σ''_ср = Х''_ср ∙ σ''_э + (1 - Х''_ср) ∙ σ''_в = (0,102 ∙ 16,04 + (1 - 0,102) ∙ 60,01) ∙10^-3

σ''_ср = 0,056 Н/м

11. Определяем сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

Па

12. Определяем объемный расход жидкости в нижней части колонны:

м³/с,

где М''_ср - средняя мольная масса жидкости, равная:

М''_ср = Х''_ср∙М_э + (1- Х''_ср)∙ М_в = 0,187∙46 + (1-0,187)∙18 = 23,236 кг/кмоль

13. Рассчитываем высоту парожидкостного слоя над сливной перегородкой тарелки:

м,

где k - отношение плотности парожидкостного слоя (ρ_пж) к плотности жидкости (ρ_ж), принимаемый равным 0,5 [1].

14. Определяем высоту парожидкостного слоя на тарелке:

h''_пж = h_п + Δh'' = 0,015 +0,031 = 0,046 м

15. Рассчитываем сопротивление парожидкостного слоя:

ΔР''_пж = 1,3∙h''_пж∙ρ''_ж∙g∙k = 1,3∙0,046∙803,901∙9,81∙0,5 = 235,799 Па

16. Общее гидравлическое сопротивление тарелки в нижней части колонны равно:

ΔР'' = ΔР''_сух + ΔР''_σ + ΔР''_пж = 102,543 + 28 + 235,799= 366,342 Па

17. Проверим, соблюдается ли при расстоянии между тарелками h = 500 мм необходимое для нормальной работы тарелок условие:

м

Следовательно, выбранное расстояние между тарелками h = 500 мм обеспечивает нормальную работу аппарата.

18. Рассчитываем минимальную скорость пара в отверстиях тарелки.

м/с

Рассчитанная скорость пара больше минимальных скоростей, следовательно, тарелки будут работать всеми отверстиями.

Определение числа тарелок и высоты колонны

1. По диаграмме равновесия для смеси этанол-вода определяем число ступеней изменения концентрации:

- для верхней части колонны n''_т = 19;

- для нижней части колонны n'_т = 3;

- всего n_т = 22;

2. Определяем коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов при средней температуре, равной 87 ^оС, давление насыщенного пара этанола Р_э = 700 мм рт. ст., воды Р_в = 400 мм рт. ст.:

α = Р_э/Р_в = 700/400 = 1,75

3. Определяем динамический коэффициент вязкости смеси этанол – вода при температуре 87 ^оС.

- для этанола:

Па∙с,

где μ₁, μ₂ - вязкость этанола при концентрации 100 % и температурах t₁ и t₂ соответственно, мПа∙с [1].

- для воды:

Па∙с,

где μ₁, μ₂ - вязкость воды при температурах t₁ и t₂ соответственно, Па∙с [1].

- среднее значение

µ_ср = 0,187·0,000397 + 0,813·0,000332 = 0,000344 Па∙с

4. По графику [1] находим к. п. д. η = 0,54 при α ∙ µ = 1,75·0,344 = 0,602

5. Рассчитываем длину пути жидкости на тарелке:

l = D – 2b = 0,8 - 2·0,132 = 0,536 м.

6. По графику [1] находим значение поправки на длину пути Δ = 0,01.

7. Находим средний к. п. д. тарелок по уравнению:

η_l = η ∙ (1 + Δ) = 0,54·(1+0,01) = 0,5454

8. Рассчитываем безразмерные комплексы:

,

где ρ_ж – плотность жидкости:

кг/м³,

гдеv = 2·14,8+6·3,7+7,4 = 59,2 м/с²

,

где σ – поверхностное натяжение жидкости питания, Н/м:

σ = (0,0379+0,056)/2 = 0,047 Н/м

9. Находим средний к. п. д. тарелки:

10. Определяем количество тарелок:

- в верхней части колонны:

- в нижней части колонны:

Тогда общее число тарелок n = 41, с запасом n_з = 44, из них в верхней части колонны n'_з = 36 и в нижней части колонны n''_з = 8.

11. Рассчитываем высоту тарельчатой части колонны:

Н_Т = (n_з - 1)∙h = (44 - 1)∙0,5 = 21,5 м

12. Определяем общее гидравлическое сопротивление тарелок:

ΔР = ΔР'∙ n'_з + ΔР''∙ n''_з = 289,071∙36 + 341,142∙8 = 13135,692 Па

ΔР ≈ 0,13 кгс/см²

Тепловой расчет установки

1. Рассчитываем расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе:

Q_D = G_D∙(1+R)∙r_D = 1012,378/3600∙(1+0,799)∙ 765367,235 = 602438,84 Вт,

где:

r_D = X_D·r_э+(1- X_D)·r_в = 0,904·846400+0,096·2308700 = 765367,235 Дж/кг,

где r_э и r_в – удельные теплоты конденсации этанола и воды при 80 ^оС:

- для этанола:

- для воды:

2. Рассчитываем расход теплоты, получаемой в кубе-испарителе от греющего пара:

Q_k = Q_D + G_D∙c_D∙t_D + G_W∙c_W∙t_W - G_F∙c_F∙t_F + Q_пот,

где Q_пот - тепловые потери, принимаемые в размере 3 % от полезно затрачиваемой теплоты [1].

Q_k = 1,03 ∙ (602438+(1012,378/3600) ∙ 0,76∙4190 · 80+

+(7387,622/3600) ∙ 0,79∙4190 · 82,5- (8400/3600) ∙ 0,83∙4190·99)

Q_k = 444063,227 Вт

3. Рассчитываем расход теплоты в паровом подогревателе исходной смеси:

Q_п = 1,05 ∙ G_F∙ c_F∙ (t_F - t_нач) = 1,05 ∙ (8400/3600) ∙ 3954,941 ∙ (85,7 - 18)

Q_п = 624979,55 Вт,

где c_F = 0,187·0,7+(1-0,187) ·1 = 3954,941 Дж/кг·К.

4. Рассчитываем расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята:

Q_х.1 = G_D∙ c'_D∙ (t_D - t_кон) = (1012,378/3600) ∙ 2974,9 ∙ (80 - 25)

Q_х.1 = 46012,44 Вт,

где c_D = 0,71·4190 = 2974,9 Дж/кг·К.

5. Рассчитываем расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в холодильнике кубового остатка:

Q_х.2 = G_W∙ c'_W∙ (t_W - t_кон) = (7387,622/3600) ∙ 4190 ∙ (99 - 25)

Q_х.2 = 636279,466 Вт,

где c_W = 1·4190 = 4190 Дж/кг·К.

6. Определяем расход греющего пара с влажностью 5 %:

- в кубе испарителе:

кг/с,

- в подогревателе исходной смеси:

кг/с,

- общий расход:

G_г.п. = 0,22 + 0,31 = 0,53 кг/с

7. Рассчитываем расход охлаждающей воды при ее нагреве на величину:

Δt = t_к.в. - t_н.в. = 40 - 20 = 20 ^оС

- в дефлегматоре-конденсаторе:

м³/с

- в водяном холодильнике дистиллята:

м³/с

- в водяном холодильнике кубового остатка:

м³/с

- общий расход:

V_в = 0,0072 + 0,00055 + 0,0076 = 0,01535 м³/с

Заключение

В результате проведенных расчетов были определены массовые расходы питания (G_F = 8400 кг/ч), дистиллята (G_D = 1012,378 кг/ч) и кубового остатка (G_W = 7387,622 кг/ч), а также рабочее число флегмы (R= 1,799).

Также был рассчитан расход пара в колонне (V= 0,574 м³/с), в соответствии с которым был определен диаметр аппарата D = 800 мм.

В ходе расчета определено число колпачковых тарелок в верхней (n' = 36) и нижней (n'' = 8) частях колонны, что позволило определить высоту тарельчатой (Н_Т = 8,5 м) частей аппарата при расстоянии между тарелками h = 500 мм. Также было рассчитано общее гидравлическое сопротивление тарелок ΔР = 13135,692 Па. Кроме того, был произведен тепловой расчет установки.

Список литературы

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии, С – Пт.: Химия. – 1987. – 576 с.

2. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. Под ред. Дытнерского Ю.И., М.: Химия. – 1991. - 496 с.

3. Кудинов А.А. Тепломассообмен: учебное пособие – М.: НИЦ ИНФРА-М, 2015. – 375 с.

4. Цветков Ф.Ф., Григорьев Б.А. Тепломассообмен: учебник для вузов. – М. Издательский дом МЭИ, 2011. - 562 с.

5. Романков П.Г., Фролов В.Ф., Флисюк О.М. Массообменные процессы химической технологии: Учеб. пособие. - СПб.: ХИМИЗДАТ, 2011. - 440 с.

Код для цитирования: Скопировать