Расчет ректификационной колонны метил вода

X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2018

РАСЧЕТ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬЮ 9 Т/Ч ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСИ ПАРОВ МЕТАНОЛ-ВОДА

В ректификационном аппарате снизу-вверх движутся пары, а сверху подается жидкость, представляющая собой почти чистый НК. При соприкосновении поднимающихся паров со стекающей жидкостью происходит частичная конденсация паров и частичное испарение жидкости. При этом из паров конденсируется преимущественно ВК, а из жидкости испаряется преимущественно НК. Таким образом, стекающая жидкость обогащается ВК, а поднимающиеся пары обогащаются НК, в результате чего выходящие из аппарата пары представляют собой почти чистый НК. Эти пары поступают в конденсатор, называемый дефлегматором, и конденсируются. Часть конденсата, возвращаемая на орошение аппарата, называется флегмой, а другая его часть отводится в качестве дистиллята. Как и для всех массообменных процессов эффективность ректификации зависит от поверхности контакта фаз. Для увеличения поверхности массообмена 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.

Технологическая схема ректификационной установки приведена на рисунке 1. Исходная смесь подается из емкости Е1 с помощью центробежного насоса Н1 в подогреватель П, где ее температура повышается до температуры кипения за счет тепла греющего водяного пара, после чего смесь входит в питающую часть ректификационной колонны КР. Для проведения многократного испарения жидкости используют куб-испаритель К, где за счет водяного пара жидкость, насыщенная высококипящим компонентом, начинает испаряться и поступает обратно в колонну КР. В дефлегматоре Д происходит полная конденсация паров за счет охлаждения водой, после чего дистиллят попадает в делитель флегмы Р, после которого часть флегмы возвращается в колонну КР, а остальная его часть проходит через холодильник дистиллята Х1 и попадает в сборник Е3. Низколетучий компонент из нижней части колонны охлаждается в холодильнике кубового остатка Х2 и попадает в сборник Е2.

Рисунок 1. Схема ректификационной установки непрерывного действия.

Целью данной работы был расчет основных параметров ректификации смеси метанол – вода и основных размеров колонны для проведения этого процессы при следующих исходных данных:

— производительность по исходной смеси G_F = 9т/ч = 9000 кг/ч;

— Концентрация по летучему компоненту, мас.%:

— исходная смесь x_F = 0,42масс. долей;

— дистиллят x_D = 0,931 масс. долей;

— кубовый остаток x_W = 0,027 масс. долей;

— начальная температура исходной смеси t_нач = 18 о С;

— конечная температура дистиллята и кубового остатка t_кон = 25 о С;

— начальная температура охлаждающей воды t_н.в. = 20 о С;

— конечная температура охлаждающей воды t_к.в. = 40 о С;

— тип тарелок: ситчатые.

Материальный баланс

1. Рассчитываем материальный баланс ректификационной колонны непрерывного действия:

где G_F, G_D, G_W — массовые расходы питания (исходной смеси), дистиллята и кубового остатка соответственно, кг/с.

Подставляя известные величины, определяем массовые расходы дистиллята и кубового остатка:

G_D = 9000 – 5323,111 = 3676,89 кг/с

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

где М_м — мольная масса метанола, равная 32 г/моль; М_в — мольная масса воды, равная 18 г/моль.

3. Рассчитываем относительный мольный расход питания:

4. Определяем минимальное число флегмы:

где Y*_F — мольная доля метанола в паре, равновесном с жидкостью питания, определенная по диаграмме равновесия между жидкостью и паром для смеси метанол-вода при X_F = 0,289, и равная 0,65.

5. Рассчитываем рабочее число флегмы:

R = 1,3∙R_мин + 0,3 = 1,3∙0,778 + 0,3 = 1,311

6. Составляем уравнения рабочих линий.

— для верхней части колонны:

— для нижней части колонны:

Определение скорости пара и диаметра колонны

1. Рассчитываем средние концентрации жидкости.

— для верхней части колонны:

— для нижней части колонны:

2. Определяем концентрацию пара по уравнениям рабочих линий:

— для верхней части колонны:

Y’_cp = 0,567∙X’_cp + 0,403 = 0,567∙0,61 + 0,403 = 0,749

— для нижней части колонны:

Y»_cp = 2,06∙X»_cp — 0,0286 = 2,06∙0,158 — 0,0286 = 0,297

3. Определяем среднюю температуру жидкости по диаграмме [1]:

— при X’_cp = 0,749 средняя температура в верхней части колонны:

— при X»_cp = 0,297 средняя температура в нижней части колонны:

4.Рассчитываем плотность смеси жидкостей метанол — вода при средних температурах.

— в верхней части колонны:

где ρ₁, ρ₂ — плотность метанола при концентрации 100 % и температурах t₁ и t₂ соответственно, кг/м 3 [1].

где ρ₁, ρ₂ — плотность воды при температурах t₁ и t₂ соответственно, кг/м 3 [1].

— в нижней части колонны:

где ρ₁, ρ₂ — плотность метанола при концентрации 100 % и температурах t₁ и t₂ соответственно, кг/м 3 [1].

где ρ₁, ρ₂ — плотность воды при температурах t₁ и t₂ соответственно, кг/м 3 [1].

5. Определяем среднюю температуру пара по диаграмме [1]:

— при Y’_cp = 0,738 средняя температура в верхней части колонны:

— при Y»_cp = 0,253 средняя температура в нижней части колонны:

6. Рассчитываем среднюю мольную масса и плотность пара.

— в верхней части колонны при температуре Т’_cp.п. = 75+273= 348 K:

— в нижней части колонны при Т»_cp.п. = 92+273 = 365 K:

— средняя плотность пара в колонне:

7. По справочным данным [1] принимаем расстояние между тарелками h = 300 мм.

8. Рассчитываем скорость пара в колонне.

где С — коэффициент, определяемый по справочным данным [1] и равный 0,03 для ситчатых тарелок с расстоянием между тарелками h = 300 мм в аппарате, работающем при атмосферном давлении при средней нагрузке по жидкости.

9. Определяем объемный расход проходящего через колонну пара:

— в верхней части при температуре Т’_cp.п. = 356,5K:

где M_D — мольная масса дистиллята, равная:

10. Рассчитываем диаметр колонны.

По справочным данным [2] выбираем для нижней и верхней частей колонны диаметр D = 2200 мм.

11. Рассчитываем скорость пара в колонне:

Гидравлический расчет тарелок

По справочным данным [2] для колонны диаметром D = 2200 мм выбираем ситчатые тарелки ТС-Р со следующими основными характеристиками:

— диаметр отверстий d₀ = 3 мм;

— высота сливной перегородки h_п = 40 мм;

— свободное сечение тарелки (суммарная площадь отверстий) F_с= 7,9 %;

— периметр слива L_с = 1,85 м.

Рассчитываем гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части колонны:

1. Определяем гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

где ξ — коэффициент сопротивления неорошаемых ситчатых тарелок со свободным сечением F_с = 7 — 10 %, равный 1,82 [1].

2. Определяем поверхностное натяжение смеси жидкостей при температуре t’_cp.ж.:

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

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

3. Определяем сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

4. Определяем объемный расход жидкости в верхней части колонны:

где М’_ср.ж. — средняя мольная масса жидкости, равная:

5. Рассчитываем высоту парожидкостного слоя (пены) над сливной перегородкой тарелки:

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

6. Определяем общую высоту парожидкостного слоя:

h’_пж = h_п + Δ’h = 0,0175 +0,04 = 0,0575 м

7. Рассчитываем сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:

8. Тогда общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части колонны составит:

ΔР’ = ΔР’_сух + ΔР’_σ + ΔР’_пж = 232,77 + 47,68 + 161,997= 442,447 Па

Рассчитываем гидравлическое сопротивление тарелки в нижней части колонны.

9. Определяем гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

10. Определяем поверхностное натяжение смеси жидкостей при температуре t»_cp.ж.:

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

11. Определяем сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

12. Определяем мольную массу исходной смеси:

13. Определяем объемный расход жидкости в верхней части колонны:

где М»‘_ср.ж. — средняя мольная масса жидкости, равная:

14. Рассчитываем высоту парожидкостного слоя (пены) над сливной перегородкой тарелки:

15. Определяем высоту парожидкостного слоя:

h»_пж = h_п + Δ»h = 0,04 +0,0341 = 0,0741 м

16. Рассчитываем сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:

17. Тогда общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части колонны составит:

ΔР» = ΔР»_сух + ΔР»_σ + ΔР»_пж = 173,993 + 71,25 + 208,765 = 454,008Па

18. Проверим, соблюдается ли при расстоянии между тарелками h=0,3 м необходимое для нормальной работы тарелок:

Таким образом, выбранное расстояние между тарелками h = 300 мм обеспечивает нормальную работу аппарата.

19. Рассчитываем минимальную скорость пара в отверстиях тарелки.

Рассчитанная скорость пара ω’_0,мин = 9,655м/с) меньше ω’₀ = 12м/с ,а значит тарелка будет работать всеми отверстиями, то есть равномерно.

Определение числа тарелок и высоты колонны

По диаграмме равновесия для смеси метанол — вода определяем число ступеней изменения концентрации:

— для нижней части колонны n’_т ≈ 7;

— для верхней части колонны n»_т ≈ 3;

1. Определяем давление насыщенного пара метанола и воды:

где Р₁, Р₂ — давление насыщенных паров метанола при температурах t₁ и t₂ соответственно, мм.рт.ст. [1].

где Р₁, Р₂ — давление насыщенных паров воды при температурах t₁ и t₂ соответственно, мм.рт.ст. [1].

2. Рассчитываем коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов.

3. Определяем динамический коэффициент вязкости смеси метанол – вода:

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

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

4. По диаграмме [1] определяем значение среднего к.п.д. тарелок при α’∙μ’_см. = 3,76∙0,31 = 1,166:

5. Определяем длину пути жидкости на тарелке:

l = D — 2∙b = 2,2 — 2∙0,46 = 1,28 м,

где b — расстояние от края тарелки до площади, занимаемой отверстиями, равное:

где R_т — радиус тарелки, равный половине диаметра аппарата, м.

По справочным данным [1] определяем значение поправки на длину пути: Δ = 0,12.

6. Рассчитываем средний к.п.д. тарелок.

7. Для сравнения рассчитаем средний к.п.д. тарелки по критериальной формуле для ситчатых тарелок [1]:

где К₁, К₂ — безразмерные комплексы, определяемые:

где D_ж — коэффициент диффузии легколетучего компонента в исходной смеси, определяемый:

где β — коэффициент, учитывающий ассоциацию молекул растворителя, равный 1 [1]; υ — мольный объем диффундирующего вещества, равный:

υ = 18,9 м 3 /моль.

— в верхней части колонны при температуре Т’_cp.ж. = 71,4 +273 = 344,4 K:

Таким образом, значения среднего к.п.д. тарелок, найденные по критериальному уравнению удовлетворительно близки к рассчитанным ранее (η’ = 0,56; η» = 0,52).

8. Определяем количество тарелок.

— в верхней части колонны:

— в нижней части колонны:

Тогда общее число тарелок n = 20, с запасом n_з = 24, из них в верхней части колонны n’_з = 16 и в нижней части колонны n»_з = 8.

9. Рассчитываем высоту тарельчатой части колонны:

10. Определяем общее гидравлическое сопротивление тарелок:

ΔР = ΔР’∙ n’_з + ΔР»∙ n»_з = 442,447∙16 + 454,008∙8 = 10711,216 Па

ΔР ≈ 0,107 кгс/см 2

Тепловой расчет установки

1. По диаграмме [1] определяем распределение температур по высоте колонны:

— температура вверху колонны при X_D = 0,931: t_в = 66 о C

— температура внизу колонны при X_W = 0,027: t_н = 98,4 о C

— температура на уровне тарелки питания при X_F = 0,209: t_см = 82,7 о C

2. Определяем удельную теплоту дистиллята при температуре t_в:

где r₁, r₂ — удельная теплота метанола при температурах t₁ и t₂ соответственно, кДж/кг [1].

где r₁, r₂ — удельная теплота воды при температурах t₁ и t₂ соответственно, кДж/кг [1].

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

4. Определяем теплоемкость дистиллята в верхней части колонны:

с_D = с_м∙4190 = 0,89∙4190 = 3733,48693 Вт

5. Определяем теплоемкость кубового остатка в нижней части колонны:

с_W = с_в∙4190 = 0,897405∙4190 = 3760,12695 Дж/(кг∙К)

6. Определяем теплоемкость исходной смеси на уровне тарелки питания, учитывая, что теплоёмкость воды с_в при температурах от 70 до 90 о С равна 4190 Дж/(кг∙К):

7. Рассчитываем расход теплоты, получаемой в кубе — испарителе от греющего пара:

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

8. Принимаем среднюю температуру исходной смеси метанол — вода:

9. Определяем теплоемкость исходной смеси в паровом подогревателе, учитывая, что теплоёмкость воды с_в при температурах от 30 до 60 о С равна 4190 Дж/(кг∙К), тогда

10. Рассчитываем расход теплоты в паровом подогревателе исходной смеси:

11. Принимаем среднюю температуру дистиллята:

12. Определяем теплоемкость дистиллята, поступающего в холодильник:

c’_D = 0,627∙4190 = 2627,13 Дж/(кг∙К)

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

14. Принимаем среднюю температуру кубового остатка:

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

16. Рассчитываем расход греющего пара с влажностью 5 %:

— в кубе испарителе:

— в подогревателе исходной смеси:

G_г.п. = 1,54 + 0,29 = 1,83 кг/с или 6,588 т/ч

17. Рассчитываем расход охлаждающей воды:

— в водяном холодильнике дистиллята:

— в водяном холодильнике кубового остатка:

V_в = 0,0339 м 3 /с или 143,9 м 3 /ч

Заключение

В результате проведенных расчетов были определены массовые расходы питания (G_F = 9000 кг/с), дистиллята (G_D = 3676,89 кг/с) и кубового остатка (G_W = 5323,111 кг/с), а также рабочее число флегмы (R= 1,311).

Был рассчитан расход пара в верхней (V’= 8,748 м 3 /с) и нижней (V»= 9,198 м 3 /с) частях колонны, в соответствии с которым был определен диаметр аппарата D = 2200 мм.

В ходе расчета определено число ситчатых тарелок ТС — Р в верхней (n’ = 16) и нижней (n» = 8) частях колонны, что позволило определить высоту укрепляющей (Н_У = 4,8 м) и исчерпывающей (Н_И = 2,4 м), и тарельчатой (Н_Т = 6,9 м) частей аппарата при расстоянии между тарелками h = 300 мм. Также было рассчитано общее гидравлическое сопротивление тарелок ΔР = 10711,216 Па. Также был проведен тепловой расчет ректификационной 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. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия. – 1973. 754 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.

Источник