Ректификационная колонна этиловый спирт вода

X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2018

РАСЧЕТ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬЮ 8,4 Т/Ч ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСИ ПАРОВ ЭТАНОЛ – ВОДА

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 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: колпачковые.

Материальный баланс

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

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 = 8400 – 7380,622 = 1012,378 кг/ч

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

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:

— 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 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:

— при у»_cp = 0,231 средняя температура в нижней части колонны:

4. Рассчитываем средние мольные массы и плотности пара.

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

— в нижней части колонны при Т»_cp. = 94 +273 = 367 K:

— средняя плотность пара в колонне:

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

где ρ₁, ρ₂ – плотности воды при температурах t₁ и t₂, кг/м 3 .

— 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:

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

где M_D — мольная масса дистиллята, равная:

9. Рассчитываем диаметр колонны:

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

10. Рассчитываем скорость пара в колонне.

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:

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:

2. Определяем поверхностное натяжение смеси жидкостей при температуре t’_cp.ж. = 80 о С:

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

3. Определяем сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

4. Определяем объемный расход жидкости в верхней части колонны:

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

5. Рассчитываем высоту парожидкостного слоя над сливной перегородкой тарелки:

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:

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:

где ω»₀ — скорость пара в отверстиях тарелки, равная:

10. Определяем поверхностное натяжение смеси жидкостей при температуре t»_cp.ж. = 94 о С:

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

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

11. Определяем сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

12. Определяем объемный расход жидкости в нижней части колонны:

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

13. Рассчитываем высоту парожидкостного слоя над сливной перегородкой тарелки:

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:

15. Рассчитываем сопротивление парожидкостного слоя:

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:

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

18. Рассчитываем минимальную скорость пара в отверстиях тарелки.

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;

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

3. Определяем динамический коэффициент вязкости смеси этанол – вода при температуре 87 о С.

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

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

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:

гдеv = 2·14,8+6·3,7+7,4 = 59,2 м/с 2

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:

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/см 2

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_э и r_в – удельные теплоты конденсации этанола и воды при 80 о С:

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

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)

3. Рассчитываем расход теплоты в паровом подогревателе исходной смеси:

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:

где c_D = 0,71·4190 = 2974,9 Дж/кг·К.

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

где c_W = 1·4190 = 4190 Дж/кг·К.

6. Определяем расход греющего пара с влажностью 5 %:

— в кубе испарителе:

— в подогревателе исходной смеси:

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 о С

— в водяном холодильнике дистиллята:

— в водяном холодильнике кубового остатка:

V_в = 0,0072 + 0,00055 + 0,0076 = 0,01535 м 3 /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 м 3 /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.

Источник