Расчёт ректификационной колонны для разделения бинарной смеси метиловый спирт - вода

 

Наиболее распространенными абсорбционными аппаратами являются тарельчатые колонны. По своему устройству они делятся на колонны с колпачковыми тарелками и колонны с ситчатыми тарелками.

Колонны с колпачковыми тарелками наиболее распространены в ректификационных установках. На рис. 13 схематически изображена колонна небольшого диаметра, состоящая из тарелок 1, на каждой из которых имеется один колпачок 2 круглого сечения и патрубок 3 для прохода пара.

 

Края колпачка погружены в жидкость.

 

Рис. 12. Схема устройства тарельчатой (колпачковой) колонны: 1 – тарелка; 2 – колпачок; 3 – паровой патрубок; 4 – переливная трубка.

 

 Благодаря этому  на тарелке создается гидравлический  затвор, и пар, выходящий из  колпачка, должен проходить через  слой жидкости, находящийся на тарелке. Колпачки имеют отверстия или зубчатые прорези для раздробления пара на мелкие пузырьки, т.е. для увеличения поверхности его соприкосновения с жидкостью.

Приток и отвод жидкости, а также высоту жидкости на тарелке  регулируют при помощи переливных трубок 4, которые расположены на диаметрально противоположных концах тарелки; поэтому жидкость течет на соседних тарелках во взаимно противоположных направлениях.

Схема работы колпачковой  тарелки изображена на рис. 14. Выходящие через прорези колпачки пузырьки пара сливаются в струйки, которые проходят через слой жидкости, находящейся на тарелке, и над жидкостью образуется слой пены и брызг, – основная область массообмена и теплообмена между паром и жидкостью на тарелке.

При движении струйки  пара обычно сливаются друг с другом; при этом некоторая часть сечения прорезей обнажается, и образуются каналы, по которым газ проходит из-под колпачка сквозь жидкость. Поэтому поверхность взаимодействия газа с жидкостью непосредственно в зоне барботажа невелика. Основная зона фазового контакта находится в области пены и брызг над жидкостью, которые образуются вследствие распыления пара в жидкости и уноса брызг при трении пара о жидкость.

Рис.13. Схема работы колпачковой тарелки.

 

Колонны с ситчатыми тарелками (см. рис. 14) состоят из вертикального цилиндрического корпуса 1 с горизонтальными тарелками 2, в которых просверливается значительное число мелких отверстий, равномерно распределенных по всей поверхности тарелки. Для слива жидкости и регулирования ее уровня на тарелке служат переливные трубки 3. Нижние концы трубок 3 погружены в стаканы 4 на лежащих ниже тарелках и образуют гидравлические затворы.

 

Рис. 14. Схема устройства ситчатой колонны: 1 – корпус; 2 – ситчатая тарелка; 3 – переливная трубка; 4 – стакан.

 

Пар проходит через отверстия тарелки (см. рис. 15) и распределяется в жидкости в виде мелких струек; лишь на некотором расстоянии от дна тарелки образуется слой пены и брызг – основная область массообмена и теплообмена на тарелке.

Рис. 15. Схема работы ситчатой тарелки.

 

В определенном диапазоне нагрузок ситчатые тарелки обладают большим к.п.д., чем колпачковые. Однако допустимые нагрузки по жидкости и пару для ситчатых колонн относительно невелики. При слишком малой скорости пара (около 0,1 м/сек) происходит просачивание жидкости через отверстия тарелки и в связи с этим резкое падение к.п.д. тарелки.

Давление и скорость пара, проходящего через отверстия  сетки, должны быть достаточными для  преодоления давления слоя жидкости на тарелке и должны препятствовать ее стекания через отверстия.

Проскок жидкости у ситчатых тарелок возрастает с увеличением  диаметра тарелки и отклонением ее от строго горизонтального положения. Поэтому диаметр и число отверстий следует подбирать так, чтобы жидкость удерживалась на тарелках и не увлекалась механически паром. Обычно диаметр отверстий ситчатых тарелок принимают равным 0,8 – 3 мм.

Ситчатые колонны эффективно работают только при определенных скоростях ректификации, и регулирование режима их работы затруднительно. Кроме того, ситчатые тарелки требуют весьма тщательной горизонтальной установки, так как иначе пары будут проходить через часть поверхности сетки, не соприкасаясь с жидкостью.

Ситчатые тарелки уступают колпачковым по допустимому верхнему пределу нагрузки; при значительных нагрузках потеря напора в них больше, чем у колпачковых.

При внезапном прекращении  подвода пара или значительном снижении его давления тарелки ситчатой колонны  полностью опоражниваются от жидкости, и требуется заново запускать колонну для достижения заданного режима ректификации.

Очистка, промывка и ремонт ситчатых тарелок производятся относительно удобно и легко.

Чувствительность к  колебаниям нагрузки, а также загрязнениям и осадкам, которые образуются при перегонке кристаллизующихся веществ и быстро забивают отверстия тарелки, ограничивают область использования ситчатых колонн; их применяют, главным образом, при ректификации спирта и жидкого воздуха (кислородные установки).

Для повышения к.п.д. в  ситчатых тарелках (как и в колпачковых) создают более длительный контакт между жидкостью и паром.

 

2. Расчетная часть

2.1. Алгоритм расчета  ректификационной колонны

2.1.1. Основные условные  обозначения

 

F—- расход исходной  смеси, кг/с;

Р — расход дистиллята, кг/с;

W — расход кубового  остатка, кг/с; 

, х — концентрация жидкой фазы соответственно в массовых и мольных долях (процентах);

, у — концентрация паровой  фазы соответственно в массовых  и мольных долях (процентах);

L — расход жидкой  фазы, кг/с;

G — расход паровой  фазы, кг/с;

D, d — диаметр, м;

ρ — плотность, кг/м³;

μ— динамический коэффициент  вязкости, Па·с;

R — флегмовое число; 

М — мольная масса, кг/кмоль;

N — число теоретических ступеней разделения  (число теоретических тарелок) ;

с — удельная теплоемкость, Дж/(кг·К);

I, i — удельная энтальпия, Дж/кг;

r — удельная теплота парообразования, Дж/кг;

t — температура, °С;

Р — парциальное давление компонента паровой фазы, Па;

α — относительная  летучесть;

η — коэффициент полезного  действия (к. п. д.) тарелки;

w — скорость потока, м/с;

 

f  — удельная поверхность,  м²/м³;

V_c — свободный объем, м³/м³;

Индексы: нкк — низкокипящий компонент; вкк— высококипящий компонент; F — параметры исходной смеси; Р — параметры дистиллята; W — параметры кубового остатка; ср — среднее значение; ж — жидкая фаза; п — паровая фаза; * — равновесное значение.

 

2.1.2. Алгоритм расчета  ректификационной колонны

 

Существуют различные  методики расчета ректификационной колонны для перегонки  жидких смесей. В данной работе для расчета ректификационной колонны применяется методика Иоффе.

Целью расчета  является определение геометрических размеров ректификационной колонны. Определение геометрических размеров ректификационной колонны включает следующие основные этапы

1. расчет материального баланса колонны с целью определения рабочего флегмового числа.
2. расчет теплового баланса колонны – с целью определения расхода греющего пара.
3. технологического расчет, который завершается определением высоты, диаметра ректификационной колонны и числа тарелок в укрепляющей и отгонной части колонны.

Для упрощения расчетов принимают следующие допущения.

1. Число молей пара, движущегося в аппарате снизу вверх, одинаково в любом сечении аппарата (это количество пара образуется в кубе и поступает в дефлегматор); количество стекающей жидкости в верхней части колонны равно количеству флегмы, в нижней — количеству флегмы и исходной смеси.

 

2. При конденсации пара на верхней тарелке и в дефлегматоре не происходит существенного изменения состава; следовательно состав пара, уходящего из ректификационной колонны, равен составу дистиллята,  т. е.  у_Р = х_Р.
3. Состав пара, поднимающегося из перегонного куба в колонну, равен составу жидкости, стекающей в куб из нижней части колонны, т. е. y_w = x_w.
4. Мольные теплоты испарения обоих компонентов равны (теплоты смешения компонентов разделяемой смеси равны нулю).
5. Исходная смесь подается в колонну нагретой до температуры кипения на питающей тарелке.
6. В процессе ректификации отсутствуют материальные потери.
7. Обогрев проводится глухим паром.

 

1. Расчет материального  баланса

 

1. Выполняют пересчет заданной по условию мольной доли низкокипящего компонента в  кубовом остатке, дистилляте и питательной смеси в массовую долю.

Для этого применяют  формулу:

     (1).

Вместо  следует подставляют  х_F, х_W, х_р, заданные по варианту. Таким образом, получают  значения _, , соответственно.

Если концентрация легкокипящего  компонента в исходной смеси, кубовой жидкости и дистилляте задана в  массовых долях (процентах), то для дальнейших расчетов необходимо их перевести в мольные доли (проценты) по формуле (1.1):

   (1.1).

2. Составляют материальный баланс ректификационной колонны.

Используя уравнения  материального баланса, определяют производительность колонны по кубовому остатку W и по дистилляту Р:

F = P + W      (2),

F·

= P· + W·     (3).

Решая систему уравнений (2) и (3) получают формулы для расчета  производительности колонны по кубовому остатку:

.

3. В справочной литературе [9] находят для своей бинарной системы данные по равновесию в двухкомпонентной системе жидкость – пар при 0,1 МПа.  Данные представляют в виде таблицы:

 

4.  По данным таблицы 1 строят графики зависимости в координатах:

1)  t = f(х, y)   и   2)  y = f(х).

1) t = f(х, y) – эту графическую зависимость называют – «Кривые температур кипения бинарной жидкой смеси  и конденсации паров ……………………»; Например:

 Рис. 17. Зависимость   состава   пара  от  состава бинарной  жидкой  смеси метанол – вода

 

5. Определяют минимальное и рабочее флегмовое число.

Для определения флегмового числа на диаграмме y=f(x) (рис. 2) наносят точку А с координатами x_W = y_W и точку С с координатами х_р = у_р, а на кривой равновесия точку В' с абсциссой х_р. Из точки С через точку В' проводят, прямую до пересечения с ординатой диаграммы. На оси ординат отсекается отрезок, равный В_mах.

Так как

    (6),

то

    (7).

Минимальное флегмовое число В_min можно определить также по формуле:

    (8),

где –   ордината точки В'

 

6. Выбрав в соответствии с рекомендациями коэффициент избытка флегмы β, рассчитывают рабочее флегмовое число по формуле:

R=(1,2÷2,5)·R_min=β·R_min   (9).

На этом расчет материального  баланса колонны на этом завершают.

 

2. Расчет теплового  баланса

 

1. По кривой кипения в координатах  t =f(x, y) (рис. 1) определяют температуры кипения дистиллята t_p, исходной смеси t_F  и кубового остатка t_w.

Для определения температур кипения на оси абсцисс наносят состав кубового остатка x_W, исходной смеси х_F и дистиллята x_P. Из полученных точек проводим вертикальные прямые до пересечении с кривой температур кипения (соответственно точки А, В и С). Из этих точек проводят горизонтальные прямые до пересечения с осью ординат. Ординаты точек пересечения записывают в таблицу 3.

2. находят при трех температурах (при температуре кипения дистиллята t_w, t_p, t_F, исходной смеси и кубового остатка) теплоемкости компонентов бинарной системы.

Для определения точного  значения теплоемкости для каждого  компонента бинарной жидкой смеси строят график зависимости теплоемкости от температуры в интервале температур, который включает три температуры – t_p, t_F  и t_w. На ось абсцисс наносят температуры t_p, t_F  и t_w, на ось ординат – теплоемкости. При работе с построенным графиком восстанавливают перпендикуляр из точек t_p, t_F  и t_w до пересечения с линией зависимости с = f(τ) и затем от точек пересечения опускают перпендикуляр на ось ординат. Данные представляют в виде таблицы.