Уравнение фенске число теоретических тарелок

Курсовая работа: Расчет ректификационной колонны для разделения бинарной смеси бензолтолуол

Министерство высшего образования Российской Федерации

Уфимский Государственный Нефтяной Технический Университет

Кафедра нефтехимии и химической технологии

« РАСЧЕТ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ ДЛЯ

РАЗДЕЛЕНИЯ БИНАРНОЙ СМЕСИ БЕНЗОЛ – ТОЛУОЛ»

Выполнила: Гареев М.

Проверил: Чуракова С.К.

УФА – 2009 г.

Содержание

2. Цель. Исходные данные для расчета

3. Расчетная часть

3.1. Построение зависимости давления насыщенных паров от температуры.

Построение изобары. Энтальпийная диаграмма. X-Y диаграмма

3.2. Расчет однократного испарения бинарной смеси

3.3. Расчет материального баланса ректификационной колонны

3.4. Расчет теплового баланса ректификационной колонны

3.5. Расчет режима полного орошения

3.6. Расчет числа теоретических тарелок на комбинированной и X-Y диаграмме

3.7. Расчет профиля концентраций и нагрузок по высоте колонны

3.8. Расчет фактического числа тарелок

3.9. Расчет диаметра колонны

3.10. Расчет высоты ректификационной колонны

3.11. Расчет конденсатора – холодильника

3.12. Расчет кипятильника

3.13. Расчет диаметров штуцеров

3.14. Графическая схема колонны

5. Список использованной литературы

1. Введение

При проведении процессов ОИ и ОК получают пар, более богатый НКК, а жидкость более богатую ВКК, чем исходная система. Однако достаточно хорошая степень разделения таким образом не достигается.

Для получения продуктов с любой желаемой концентрацией компонентов и с высокими выходами служит процесс ректификации, заключающийся в многократно повторяющемся контактировании неравновесных паровой и жидкой фаз.

Образованные в результате контакта паровая и жидкая фазы будут отличаться по составу от вступивших в контакт встречных неравновесных потоков паровой и жидкой фаз. В итоге такого контакта пар обогатится низкокипящим компонентом, а жидкость – высококипящим. Если исходные пары и жидкость находились при одинаковом давлении, то для обеспечения этих условий требуется, чтобы температура вступающей в контакт жидкости была ниже температуры паров. После контактирования температуры пара и жидкости выравниваются, так как система стремится к состоянию равновесия.

Производя многократное контактирование неравновесных потоков паровой и жидкой фаз, направляя после каждой ступени пары на смешение с жидкостью, а жидкость на контакт с парами, более бедными НКК, можно изменить составы фаз желаемым образом.

Подобное контактирование фаз по схеме противотока в целом по аппарату осуществляется в специальных аппаратах – ректификационных колоннах, заполненных различными контактными устройствами: тарелками, насадками ит.д.

Таким образом, процесс ректификации есть диффузионный процесс разделения жидких смесей, компоненты которых различаются по температурам кипения, осуществляемый путем противоточного контактирования неравновесных паров и жидкости.

Расчет ректификационной колонны сводится к определению ее основных геометрических размеров – диаметра и высоты. Оба параметра определяются гидродинамическим режимом работы колонны, который, в свою очередь, зависит от скоростей и физических свойств взаимодействующих фаз, а также от типа контактного устройства.

2. Цель. Исходные данные для расчета

Цель. Рассчитать основные показатели работы и размеры ректификационной колонны для разделения бинарной смеси бензол-толуол.

Исходные данные. Расчет основных показателей работы и размеров ректификационной колонны производим по следующим исходным данным:

― давление в середине колонны π =1,35 ата;

― мольная доля бензола в сырье x’_F =0,48;

― мольная доля отгона е’=0,58;

― мольная доля бензола в дистилляте y’_D =0,977;

― мольная доля бензола в остатке x’_W =0,025;

― коэффициент избытка теплоподвода n’=1,23;

― производительность колонны F=18,5 т/ч.

3. Расчетная часть

3.1 Построение зависимости давления насыщенных паров от температуры. Построение изобары. Энтальпийная диаграмма. X — Y диаграмма

Зависимость между температурой t и давлением насыщенных паров компонента Р_i , описывается эмпирическим уравнением Антуана:

(1)

(1*)

где А_i , В_i , С_i – эмпирические величины, постоянные для каждого компонента.

Расчет числа тарелок и составов дистиллята и остатка

Расчет проводится с использованием метода температурной границы деления.

Минимальное число теоретических тарелок определяется по уравнению Фенске:

, (8)

где ψ_m – коэффициент распределения суммарной фракции, состоящей из компонентов, отбираемых в дистилляте (с этана по пропан),

;

ψ_к – коэффициент распределения суммарной фракции, состоящей из компонентов, отбираемых в остатке (с пропана по гексан),

;

α_m и α_k – относительные летучести компонентов, коэффициенты распределения которых равны соответственно ψ_m и ψ_к: т.к. значения α_m и α_k пока неизвестны в первом приближении принимаем α_m=α₁=K₁/K₇ ; α_к = α₇ = 1

K₁ и К₇ – константы фазового равновесия 1-го и 7-го компонентов при температуре ввода сырья.

,

аналогично для остальных компонентов , (9).

1,646

Относительная летучесть компонента, лежащего на границе деления, для которого ψ_ε = 1, определится в первом приближении по уравнению:

4,782

Составы дистиллята и остатка в первом приближении определяются по уравнениям:

Аналогично рассчитанные концентрации остальных компонентов приведены в таблице 6.

Таблица 6 – Содержание компонентов в дистилляте и остатке

Компонент	Относительная летучесть,	Содержание компонента x’Fi	Содержание компонента в дистилляте	Содержание компонента в остатке
С2Н6	21,227	0,0002	0,0005	0,0000
С3Н8	13,614	0,4099	0,9295	0,0800
и-С4Н10	8,476	0,0768	0,0398	0,1004
С4Н10	6,580	0,2939	0,0301	0,4614
и-С5Н12	3,056	0,0711	0,0000	0,1162
С5Н12	2,502	0,0899	0,0000	0,1470
С6Н14	1,000	0,0581	0,0000	0,0950
1,0000	1,0000	1,0000

Используя результаты расчета, представленные в таблице 3, определим коэффициенты распределения:

Относительные летучести и , значения которых будут использованы для расчета для второго приближения, определяются по уравнениям:

Минимальное число тарелок во втором приближении

Результаты последовательных приближений представлены в таблицах 7, 8 и 9.

Таблица 7 – Приближения: 2,3,4

Таблица 8 — Приближения: 5,6,7

Таблица 9 — Приближения: 8,9,10

Число теоретических тарелок в колонне находится как оптимальное по формуле:

Число реальных тарелок определяется с учетом эффективности выбранного типа тарелок

где η коэффициент полезного действия тарелки, в данном случае ведется расчет для клапанной тарелки η = 0,35

Для определения количества тарелок в концентрационной части колонны используем уравнение Фенске:

, (10)

В качестве i-го и (i +1) –го компонентов следует принимать распределенные компоненты, т.е. х ¢ _i,D> 0, х ¢ _i+1,D> 0, х ¢ _I,W > 0, х ¢ _i+1,W >0. Для расчёта используем концентрации н-бутана и изо-пентана.

Следовательно, концентрационная секция колонны должна иметь 8 тарелок, а отгонная – 21.

Ректификационные колонны

Ректификационные колонны широко применяются на техноло­гических установках НПЗ и НХЗ для разделения смесей. Схема ти­повой ректификационной колонны приведена на рис. 8.3. Целью расчета ректификационных колонн является определение парамет­ров технологического режима и размеров аппарата. К параметрам режима относятся: рабочее давление в аппарате, температуры входа и выхода различных материальных потоков, расход теплоты на ис­парение остатка и расход холода на конденсацию дистиллята.

Рис. 22. Схема ректификаци­онной колонны:

/— сырье; //— ректификат; III — циркулирующая горячая струя; IV — остаток; V — холодное оро­шение

Прежде, чем приступить к опреде­лению параметров режима, составляют материальный баланс колонны, бази-// руясь на данных об исходном сырье

и четкости разделения. Затем опреде­ляют давление в колонне. Критерием для выбора давления, как правило, яв­ляются соображения технологического характера. Так, повышенное давление применяется при разделении компонентов с низкими температурами кипения, например сжиженных газов. При ректификации под давлением повыша­ется температура конденсации паров iv дистиллятов, что позволяет использовать для конденсации недорогие хлад­агенты — воду и воздух. Понижение давления необходимо, когда разделе­нию подлежат высококипящие и тер­мически нестабильные компоненты (тяжелые фракции нефти, синтетиче­ские жирные кислоты и т. п.). В осталь­ных случаях ректификация проводится при давлении, близком к атмосферному: в рефлюксной емкости давление равно 0,1 МПа, а на верху колонны — на 0,015—0,03 МПа выше. Часто выбор давле­ния определяется требуемым фазовым состоянием в емкости.

Температурный режим колонны устанавливают на основании данных о составе внешних потоков. При ректификации многоком­понентных смесей, которая осуществляется на многих технологи­ческих установках НПЗ и НХЗ, температуры находят в результате подбора таких значений температур, при которых удовлетворяются следующие уравнения:

1) для жидкого потока

2) для парового потока

3) для парожидкостного потока с заданной мольной долей отгона е:

Здесь и далее х, у — мольные концентрации компонентов жидкого и парового потока соответственно; к — константа равновесия.

При ректификации сложных смесей (нефть, продукты ее пере­работки) температуры потоков можно определять по аналогии с многокомпонентными смесями (например, разбивая нефть или широкую углеводородную фракцию на узкие фракции, которые затем приравниваются к индивидуальным соединениям) или по кривым однократного испарения (ОИ).

Линии ОИ можно построить на основании экспериментальных • данных. Для приближенных вычислений используют методы расче­та кривых ОИ по линиям истинных температур кипения (ИТК) или разгонки по ГОСТ. Существуют методы построения ОИ, предло­женные российскими учеными С. Н. Обрядчиковым, Е. В. Смидович, Н. А. Пирумовым, американскими специалистами В. Л. Нель­соном и Д. Харви.

Температуру верха колонны определяют, используя уравнение (8.3), или как температуру 100%-го отгона на кривой ОИ ректифи­ката. При расчете температуры верха колонны, работающей с пода­чей водяного пара и острого испаряющегося орошения, следует учитывать парциальное давление паров воды и орошения. Темпера­туру низа колонны определяют, используя уравнение (8.2), или как температуру нулевого отгона на кривой ОИ остатка. В колоннах, работающих с подачей водяного пара, температуру низа находят на основании опытных данных или по уравнению теплового баланса отгонной части, задаваясь количеством фракции, которое необхо­димо отпарить из остатка. В последнем случае рекомендуется, что­бы количество образовавшихся паров не превышало 25—30 % от остатка.

При определении температуры сырья необходимо знать, в ка­ком состоянии оно должно поступать в колонну. Если сырье будет поступать в жидком виде, то при расчете используют уравнение (8.2), если в парообразном — уравнение (8.3), а если в парожидко-стном состоянии — уравнение (8.4).

При использовании для расчета линий ОИ температура ввода сырья может соответствовать точке нулевого и 100%-го отгона или некоторой точке на кривой, зависящей от доли отгона. В случае сложных колонн приходится определять также температуру вывода боковых погонов. Эту температуру рекомендуется находить, приме­няя уравнение (8.2), или как температуру начала ОИ при нулевой доле отгона и парциальном давлении паров выводимой фракции. Для продуктов, у которых температура выкипания 50 % (t₅₀) нахо­дится в пределах от 175 до 345 °С, можно воспользоваться эмпири­ческим уравнением

Основными параметрами, определяющими заданное разделе­ние в процессе ректификации, являются флегмовое число (крат­ность орошения) и число ректификационных тарелок. Флегмовое число представляет собой отношение количества горячего ороше­ния, вводимого в колонну, к количеству дистиллята. Увеличение флегмового числа позволяет уменьшить число тарелок, и наоборот. При минимальном флегмовом числе Я_мин необходимое число тарелок будет бесконечным. Реальные условия работы колонны соот­ветствуют оптимальному флегмовому числу R_om и оптимальному числу тарелок.

Для бинарных смесей

где — мольные концентрации низкокипящего компонента в дистилля­те, паровой фазе сырья и жидкой фазе сырья соответственно.

Для многокомпонентных смесей R_Mm можно определить с по­мощью метода Андервуда. Расчет ведут, применяя следующие урав­нения:

где a,- — коэффициент относительной летучести компонента / смеси; x_DJ, x_FJ — мольные концентрации компонента / в дистилляте и жидкой фазе сырья соответ­ственно; 0 — корень уравнения, который определяется методом последователь­ных приближений; ё — мольная доля отгона сырья на входе в колонну.

Коэффициент относительной летучести а представляет собой отношение константы равновесия компонента смеси к константе равновесия самого тяжелого ключевого компонента сырья, рассчи­тываемое для средней температуры в колонне. Ключевыми называ­ются пограничные компоненты, между которыми проводится за­данное разделение: наименее летучий компонент дистиллята будет легким ключевым, а наиболее летучий компонент остатка — тяже­лым ключевым.

Оптимальное флегмовое число находится по выражению

где К= 1,15—1,55 — для колонн, работающих при атмосферном и повышенном давлении, К= 1,3—2,6 — для вакуумных колонн.

Для оценки оптимального флегмового числа можно также ис­пользовать формулу, рекомендованную Гиллилендом:

Располагая материальным балансом и сведениями о темпера­турном режиме и кратности орошения, составляют тепловой баланс колонны. Тепловой баланс простой ректификационной колонны имеет вид:

где F, R, D — количество сырья, остатка и дистиллята соответственно; /— мас­совая доля отгона сырья на входе в колонну; q_lF, q’f_F, q»_D, q’f_R — энтальпия паровой и жидкой фаз сырья, паров дистиллята, жидкого остатка соответствен-, но; Q_D — количество теплоты, отводимой орошением; Q_R — количество теплоты, вносимой в низ колонны из печи или из кипятильника [Q_R = R_om D(q»_D — 3 /с; w — допу­стимая скорость паров в колонне, м/с.

Величину w рассчитывают по формуле

Здесь р_ж, р_п — плотность жидкости и паров соответственно, кг/м 3 ; С_шкс — коэф­фициент, зависящий от типа применяемой тарелки, расстояния между тарелка­ми, нагрузки по жидкости, поверхностного натяжения жидкости.

Значение С_шкс находят по графику, приведенному на рис. 24. Детальный гидравлический расчет ректификационных тарелок проводится по специальным методикам, приведенным в литерату­ре. В процессе расчета находят допустимую скорость жидкости в сливном стакане, гидравлическое сопротивление орошаемой та­релки, величину межтарельчатого уноса жидкости, размер наиболее узкого сечения перелива, высоту слоя жидкости в сливном устрой­стве, величину вылета ниспадающей струи жидкости, время пребы­вания жидкости на тарелке, диапазон устойчивой работы тарелки.

Рис. 24. График для определения допустимой скорости паров в ректификационных колоннах:

7 — ситчатые, каскадные и решетчатые тарелки (при максимально допустимой производительно­сти); 2 — ситчатые, каскадные и решетчатые тарелки (при нормальной производительности), тарелки с круглыми колпачками; 3 — тарелки с S-образны-ми элементами и желобчатыми колпачками при жидкостной нагрузке 20-40 м 3 /(м • ч); За —• то же для условий, когда нагрузка меньше 20 м 3 /(м • ч); 36 — то же для условий, когда нагрузка больше 40 м 3 /(м • ч); 4 — вакуумные колонны с брызгоулав-ливающими устройствами; 5 — отпарные колонны абсорбционных установок; 6 — абсорбционные ко­лонны; 7 — вакуумные колонны; С_мш. — коэффи­циент, зависящий от типа применяемой тарелки, м/с; Я — расстояние между тарелками, мм

Для гидравлического расчета ректификационных колонн с уче­том внутренних устройств (различной конфигурации тарелки или насадки) также используются программы Hysys и Pro II.

Корпуса ректификационных колонн изготавливаются машино­строительными заводами в Дзержинске (Нижегородская область), Волгограде, Подольске, Туймазах (Татарстан), на Ижорском заводе. Изготовителями ректификационных тарелок являются заводы в Туймазах, Алексине (Тульская область), Дзержинске, Черновцах (Украина).

Дата добавления: 2015-08-11 ; просмотров: 6872 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ