Уравнение материального баланса ректификационной колонны

Курсовая работа: Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия

Введение

Ректификация – это процесс разделения жидких смесей, который сводиться к одновременно протекающим и многократно повторяемым процессам частичного испарения и конденсации разделяемой смеси на поверхности контакта фаз. Ректификацию чаще всего проводят в колонных аппаратах.

Ректификационные колонны предназначены для проведения процессов массообмена в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности. Колонные аппараты изготавливают диаметром 400–4000 мм для работы под давлением до 1,6 МПа в царговом (на фланцах) исполнении корпуса, для работы под давлением до 4,0 МПа – в цельносварном исполнении корпуса.

В зависимости от диаметра, колонные аппараты изготавливают с тарелками различных типов. Колонные аппараты диаметром 400–4000 мм оснащают стандартными контактными и распределительными тарелками , опорами, люками, днищами и фланцами. На корпусе цельносваренного аппарата предусмотрены люки для обслуживания тарелок.

Большое разнообразие тарельчатых контактных устройств затрудняет выбор оптимальной конструкции тарелки. При этом наряду с общими требованиями (высокая интенсивность единицы объема аппарата, его стоимость и т.д.) ряд требований может определяться спецификой производства: большим интервалом устойчивой работы при изменении нагрузок по фазам, способность тарелки работать в среде загрязненных жидкостей, возможностью защиты от коррозии и т.п. Зачастую эти качества становятся превалирующими, определяющими пригодность той или иной конструкции для использования в каждом конкретном процессе.

Расчет ректификационной колонны сводиться к определению её основных геометрических размеров диаметр и высота. Оба параметра в значительной мере определяются нагрузками по пару и жидкости, типом тарелки, свойствами взаимодействующих фаз .

Разделяемая смесь (бензол — толуол) близка по свойствам к идеальной смеси, без образования азеотропных смесей и других осложнений. Поэтому ректификацию будем проводить при атмосферном давлении на колпачковых тарелках. На питание колонны будем подавать исходную смесь, подогретую до температуры кипения; флегму будем подавать в виде жидкости при температуре кипения; кубовый остаток будем испарять и подавать в виде насыщенного пара в низ колонны.

Данная смесь обладает токсичными, коррозийными свойствами. Выберем для изготовления аппарата качественную легированную сталь Х17Н13М2Т для деталей, сопряженных с органической смесью [4]. Для всех остальных элементов конструкции – саль Ст3. Выполним аппарат цельносварным с люками для обслуживания.

1. Технологическая схема процесса ректификации

Исходную смесь из промежуточной емкости-1 центробежным насосом-2 подают в теплообменник-3, где подогревают до температуры кипения и подают в колонну на ту тарелку, где кипит смесь того же состава х_F , т.е. на верхнюю тарелку нижней исчерпывающей части колонны. Верхняя часть колонны называется укрепляющей по легколетучему компоненту.

Внутри ректификационной колонны-4 расположены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Снизу вверх по колонне движется пар, поступающий из выносного куба – испарителя (кипятильника)-5 (куб – испаритель может размещаться и непосредственно под колонной). На каждой тарелки происходит частичная конденсация пара труднолетучего компонента и за счет конденсации – частичное испарение легколетучего компонента. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка х_W , т.е. обеднен легколетучим компонентом. Таким образом, пар, выходящий из куба – испарителя и представляющий собой почти чистый труднолетучий компонент, по мере движения вверх обогащается легколетучим компонентом и покидает колонну в виде почти чистого пара легколетучего компонента. Для полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава х_Р , получаемой в дефлегматоре-6 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Пар конденсируется в дефлегматоре, охлаждаемом водой. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения – дистиллята, который охлаждается в теплообменнике-7 и направляется в промежуточную емкость-8. Флегма, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, обогащается труднолетучим компонентом.

Из куба – испарителя отводят нижний продукт или кубовый остаток.

Из кубовой части колонны насосом-9 непрерывно выводится кубовая жидкость – продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике-10 и направляется в емкость-11.

Рисунок 1. Принципиальная схема ректификационной установки непр. действия:

Материальный баланс. При описании и расчетах процессов, осуществляемых в ректификационных аппаратах при противоточном взаимодействии потоков жидкости и пара (рис

При описании и расчетах процессов, осуществляемых в ректификационных аппаратах при противоточном взаимодействии потоков жидкости и пара (рис. 11.9), принимают следующие допущения.

1. Мольные теплоты испарения компонентов одинаковы, т. е. при конденсации каждого киломоля пара испаряется такое же ко-

личество киломолей жидкости. Отсюда следует важный вывод о том, что количество пара, движущегося в аппарате снизу вверх, выраженное в киломолях, одинаково в любом сечении ректификационной колонны.

2. При конденсации пара в дефлегматоре изменения его состава не происходит, т. е. состав пара, выходящего из верхней части колонны, равен составу получаемого дистиллята и флегмы (у_р = х_р).

3. При испарении кубовой жидкости в испарителе изменение ее состава также не происходит, т. е. состав жидкости, выгружаемой из нижней части колонны, равен составу возвращаемого в колонну пара (у_w = х_w).

4/ Теплоты смешения компонентов разделяемой смеси равны нулю.

Таким образом, легко видеть, что при расчетах ректификационных аппаратов количество и состав фаз удобно выражать в молярных величинах.

Обозначим: G_f— количество смеси, поступающей на ректификацию; G_p – количество получаемого дистиллята; G_w – количество получаемого кубового остатка; х_f, х_р, х_w – содержание легколетучего компонента соответственно в исходной смеси, дистилляте и в кубовом остатке. Количественная размерность потоков – кмоли или кг; качественная размерность (состав) – мольные или массовые доли (проценты).

Уравнение материального баланса при этом состоит из двух равенств:

по входящими выходящим потокам

по легколетучему компоненту в этих же потоках

При описании процесса ректификации часто используют безразмерные отношения G_f/G_p = F и G_w/G_p = W, показывающие количества исходной смеси и кубовой жидкости, приходящиеся на 1 кг получаемого дистиллята.

При использовании безразмерных отношений уравнения (11.5) и (11.6) запишутся в виде

Если количество паров, отбираемых из верхней части колонны 1 и направляемых в дефлегматор 2, составляет G_D, а количество флегмы, возвращаемой после него назад в колонну, — G_R, то материальный баланс узла дефлегмации запишется как

Поскольку легколетучий компонент, по которому обычно ведется расчет, переходит в процессе ректификации из жидкой фазы в паровую, дифференциальное уравнение материального баланса запишется в виде

Рассмотрим материальные балансы для верхней (укрепляющей) и нижней (исчерпывающей) частей ректификационной колонны. В этом случае все количественные расходы будут иметь размерность кмоль/с, а содержание в них компонентов – мольные доли.

В верхней части расход пара, постоянный по высоте колонны (см. допущение 1), будет равен расходу флегмы и дистиллята (11.7).

Поскольку мольный состав пара и флегмы будет меняться по высоте укрепляющей части, то

Подставим (11.7) в (11.9) и, записав потоки через отношение расходу дистиллята, получим

Выразив концентрацию легколетучего компонента в паре через концентрацию легколетучего компонента в жидкости в верхней части колонны, получим уравнение рабочей линии процесса ректификации в укрепляющей части колонны

В нижней (исчерпывающей) части при составлении уравнения баланса следует учитывать поток исходной смеси и отбор кубовой жидкости (кубового остатка)

Подставив G из уравнения (11.11) в (11.12) и записав потоки через отношение к расходу дистиллята, получим

Учитывая (11.8), получим выражение для рабочей линии процесса ректификации для исчерпывающей части колонны

Легко видеть, что рабочие линии процесса ректификации (11.10) и (11.13) при соблюдении допущений 1 – 4 являются прямыми линиями с различными углами наклона.

В то же время, положения рабочих линий в у – х-диаграмме зависят не только от состава исходной смеси и продуктов разделения, но также и от тепловых параметров исходной смеси.

Теоретически возможны следующие случаи тепловых характеристик исходной смеси, подаваемой в ректификационный аппарат:

· при температуре кипения;

· при температуре ниже температуры кипения;

· в виде смеси насыщенного пара и жидкости;

· в виде насыщенного пара;

· в виде перегретого пара.

Все приведенные варианты могут быть реализованы в промышленности, но наиболее часто на разделение подают исходную смесь при температуре кипения.

Для построения рабочих линий процесса ректификации для этого случая на оси абсцисс диаграммы у – х (рис. 11.10) откладывают заданные составы х_f, х_p, х_w. В соответствии со вторым допущением (у_p = х_р) и третьем допущением (у_w = х_w) точки 1 и 2, принадлежащие концам рабочих линий для верхней и нижней частей колонны, располагаются на диагонали диаграммы. Точка 3 характеризуется значением х_f, принадлежит обеим рабочим линиям и может перемещаться в диапазоне между точками 3′ (диагональ диаграммы) и 3″ (равновесная линия), в зависимости от значения флегмового числа R.

В случае расположения рабочих линий на линии 1 – 3′ – 2 они совпадут с диагональю и будут соответствовать уравнению у = х,что может произойти только в случае бесконечно большого флегмового числа (R → ∞). В этих условиях (уравнение (11.8)) ректификационный аппарат работает без отбора дистиллята (G_p = 0), что может происходить при испытаниях и запуске установки. Данному случаю соответствует максимальная движущая сила.

Второе предельное положение рабочих линий (1 – 3″ – 2) характеризуется размещением точки 3″ на равновесной линии. В этой точке движущая сила равна нулю, а, следовательно, для проведения процесса в ректификационном аппарате необходима бесконечно большая поверхность контакта фаз, что на практике неосуществимо.

С увеличением ординаты точки 3 значение флегмового числа уменьшается и становится минимальным в точке 3″. Значение минимального флегмового числа может быть найдено из уравнения (11.10) подстановкой у = у_fравн, х = х_f, где у_fравн – состав пара, находящегося в равновесии с жидкостью, поступающей на ректификацию:

Положение рабочей линии 1 – 3 – 2 соответствует проведению реального процесса ректификации при некотором значении R_min

Дата добавления: 2015-08-14 ; просмотров: 1940 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Материальный и тепловой балансы ректификационной колонны

5.1.3. Материальный и тепловой балансы ректификационной колонны

Пусть, согласно схеме на рис. (1.5.), в колонну поступает F кмоль исходной смеси, состав которой х_F мол. долей НК. Сверху из колонны удаляется G кмоль паров, образующих после конденсации флегму и ди­стиллят. Количество получаемого дистил­лята Р кмоль, его состав х_P мол. долей НК. На орошение колонны возвращается флегма в количестве Ф кмоль, причем ее состав равен составу дистиллята (х_ф= x_P мол. долей). Снизу из колонны удаля­ется W кмоль остатка состава x_w мол. до­лей НК.

Тогда уравнение материального баланса колоны будет:

Поскольку G=P+Ф, то

Соответственно по НК материальный баланс:

Рис. 1.5. К составлению материального баланса ректи­фикационной колонны:

/ — колонна; 2 — куб; 3 — дефлег­матор.

Для колонны непрерывного действия с учетом потерь тепла в окружающую среду имеем:

Приход тепла Расход тепла

С теплоносителем в кипя- С парами, поступающими из

тальнике .……… Q_КИП.. колонны в дефлегматор Q_G = GI

С флегмой . . Q_Ф = Фi_Ф Потери в окружающую среду Q_П

Кроме известных величин, в выражения для количеств тепла входят: I, i_F, i_ф и i_w — энтальпии соответственно паров, выходящих из колон­ны, исходной смеси, флегмы и остатка.

Таким образом, уравнение теплового баланса:

Подставляя вместо Q их значения и учитывая, что F=Р + W, G = P(R+ 1) и Ф = PR, получим

Решая уравнение (5.18.) относительно Qкип, находим расход тепла в кипятильнике

Из уравнения теплового баланса (5.18а.) видно, что тепло, подво­димое в кипятильник, затрачивается на испарение дистиллята [Р(I—i_F)],испарение флегмы [PR(I — i_ф)], нагревание остатка до температуры ки­пения [W(i_w — i_F)], а также на компенсацию потерь тепла в окружаю­щую среду.

Флегма из дефлегматора поступает в колонну при температуре ее ки­пения. Поэтому энтальпия выходящих из колонны паров I == i_Ф + r_ф, где r_ф — теплота испарения флегмы.

Потери тепла в окружающую среду обычно выражают в долях тепла, подводимого в кипятильник, т. е. принимают Q_П = a_ПQ_кип, где при нали­чии хорошей тепловой изоляции коэффи­циент а_П = 0,03—0,05.

Делая соответствующие подстановки в уравнение (1.18а.), окончательно получим

Энтальпии жидкостей, входящих в урав­нение (1.18.) и (1.19.), равны произве­дениям их мольных теплоемкостей с на тем­пературы t (в °С). Теплоемкости с и теплоты испарения для бинарных смесей вычисляют по правилу аддитивности исходя из свойств чистых компонентов А и В:

где х — мольная доля компонента А в смеси.

Количество тепла Q_ДЕФ, отнимаемого ох­лаждающей водой в дефлегматоре, зависит от количества конденсирующихся в нем паров. При полной конденсации паров, выходящих из колонны, находим

Уравнения рабочих линий. Для получе­ния уравнений рабочих линий воспользуем­ся общим для всех массообменных про­цессов уравнением ():

y=, (1.21)

где L и G — расходы жидкой и паровой фаз; у, х, у_а и х_к —соответственно текущие концентрации паровой и жидкой фаз и их концентрации на верхнем конце колонны .

Применяя это уравнение к процессу ректификации, выразим все вхо­дящие в него величины в мольных единицах.

Укрепляющая часть колонны. Количество жидкости (флегмы), стекаю­щей по этой части колонны

где R= -флегмовое число, представляющее собой отношение количества флегмы к количеству дистиллята.

Количество паров, поднимающихся по колонне

Для верхнего конца укрепляющей части колонны состав паров y_G=y_P и, согласно принятому выше допущению, у_р = х_р. Следовательно, в данном случае у_н = х_р.

В том же сечении колонны состав жидкости (флегмы), поступающей из дефлегматора, x_ф = х_р, т. е. х_к = х_р. Учитывая значения L, G, y_k и х_k получаем уравнение (1.24), получим

y= (1.24)

y= (1.25)

Зависимость (1.24) является уравнением рабочей ли­нии укреплящей части колонны. В этом уравнении = tg а = А — тангенс угла наклона рабочей линии к оси абсцисс, а =В — отрезок, отсекаемый рабочей линией на оси ординат диаграммы у — х (рис. 1.6).

Исчерпывающая часть колонны. Количество орошающей жидкости L’ в этом части колонны больше количества флегмы Ф, стекающей по укреп­ляющей части на количество исходной смеси, поступающей на питаю­щую тарелку. Если обозначить количество питания, приходящегося на 1 кмоль дистиллята через f= F/P, то F = Pf и количество жидкости, стекающей по исчерпывающей части колонны, составит:

L = Ф + F = PR + Pf = P (R + I) (1.26)

Количество пара, проходящего через нижнюю часть колонны, равно количеству пара, поднимающегося по верхней (укрепляющей) ее части. Следовательно

Для низа колонны состав удаляющейся жидкости (остатка) х’_к = x_wи, согласно допущению, состав поступающего сюда из кипятильника пара у’_н=y_w =x_w .Подставив значения L’, G’, х’_к и у’_н в общее уравнение , получим

(1.27)

После приведения к общему знаменателю и сокращения подобных чле­нов находим:

(1.28)

Зависимость (1.25) представляет собой уравнение рабо­чей линии исчерпывающей части колонны. В этом уравнении = tg a’ = А’ —тангенс угла наклона рабочей линии к оси ординат, а = В’ — отрезок, отсекаемый рабочей линией на оси абсцисс (см. рис.1.6).

Умножив числитель и знаменатель выражений для А’ и А (для укре­пляющей части колонны) на количество дистиллята Р, можно заметить, что они представляют собой отношения количеств жидкой и паровой фаз, или удельный расход жидкости, орошающей данную часть колонны.

Построение рабочих линий на диаграмме у — х. Для построения рабочих линиоткладывают на оси абсцисс диаграммы (см. рис. 1.6) за­данные составы жидкостей x_w, x_f и х_р. Учитывая принятые допущения о равенстве составов пара и жидкости на концах колонны, из точки х восстанавливают вертикаль до пересечения с диагональю диаграммы в точке а с координатами у_р = х_р.

Величину R считаем известной. Откладывая на оси ординат отрезок

В= , соединяют прямой конец отрезка (точку d) с точкой а. Из точки, отвечающей заданному составу х_f, прово­дят вертикаль до пересечения с линией ad в точке b. Прямая аb — рабо­чая линия укрепляющей части колонны. Согласно допущению y_w = x_w ,из точки, соответствующей составу x_w , восстанавливают вертикаль до пересечения с диагональю диаграммы и получают точку с — конечную точку рабочей линии исчерпывающей части колонны. Соединяют точку с прямой с точкой b, принадлежащей одновременно рабочим линиям укреп­ляющей и исчерпывающей частей колонны. Прямая bc представляет собой рабочую линию исчерпывающей части колонны.

Рис. 1.6 Построение рабочих линий ректификационной колонны на у—x диаграмме.

Рабочие линии ab и bc в отличие от рабочих линий процесса абсорбции располагаются под линией равновесия. В данном случае, как уже отме­чалось, НК переходит в паровую фазу, стремящуюся к равновесию с жидкой фазой, т. е. по существу десорбируется из жидкости.