Расчет ректификационной установки для разделения смеси вода – уксусная кислота

Расчет ректификационной установки для разделения смеси вода – уксусная кислота

Содержание

Перечень условных обозначений

Введение

Теоретическая часть

1.1Технологическая схема ректификационной установки

.2Физико-химические характеристики продукта

1.2.1 Физические свойства воды

.2.2.Физические свойства уксусной кислоты

1.3 Технологический расчет аппарата

.3.1 Материальный баланс

.3.2 Определение скорости пара и диаметра колонны

.3.3 Гидравлический расчет тарелок

.3.4 Определение числа тарелок и высоты колонны

1.3.5 Тепловой расчет установки

Заключение

Список литературы

Перечень условных обозначений

b - ширина сливной перегородки, м; - удельная теплоемкость, Дж/(кг*К);

сD - удельная теплоемкость дистиллята, Дж/(кг*К);- удельная теплоемкость исходной смеси, Дж/(кг*К);- удельная теплоемкость кубового остатка, Дж/(кг*К);- коэффициент диффузии, м2/с;- диаметр, м;э - эквивалентный диаметр, м;- поверхность теплоотдачи, м2;-расход паровой фазы, кг/с;-расход дистиллята, кг/с;- расход исходной смеси, кг/с;- расход флегмы, кг/с;- расход кубового остатка, кг/с;- расход паров дистиллята, кг/с;- расход кубового остатка, кг/с;ГП - расход греющего пара, кг/с;- ускорение свободного падения, м/с2;

НК - общая высота ректификационной колонны, м;-общая высота единицы переноса, м;пер - высота переливной перегородки, м;

К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2*К);т - расстояние между переливными устройствами, м;- расход жидкой фазы, кг/с;

М - мольная масса, кг/кмоль;

МD - мольная масса дистиллята, кг/кмоль;

МF - мольная масса исходной смеси, кг/кмоль;- мольная масса кубового остатка, кг/кмоль;- коэффициент распределения;-число теоретических ступеней разделения;общее число единиц переноса;

Р - абсолютное давление в колонне, кгс/см2;- удельный расход жидкости на 1 м ширины сливной перегородки,м2/с;- расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде, Вт;- расход теплоты в паровом подогревателе исходной смеси, Вт;- расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном

холодильнике кубового остатка, Вт;К - расход теплоты, получаемой в кубе-испарителе от греющего пара, Вт;ПОТ - тепловые потери колонны в окружающую среду, Вт;- флегмовое число;

R_MIN - минимальное флегмовое число;

r - удельная теплота конденсации, Дж/кг;

r_D - удельная теплота конденсации паров в дефлегматоре, Дж/кг;

S - площадь, м²;

T - температура, К;

t - температура, ⁰С;

t_D - температура кипения дистиллята, ⁰С;

t_F - температура кипения исходной смеси, ⁰С;

t_W - температура кипения кубового остатка, ⁰С;

U - плотность орошения, м³/(м²*с);

υ - мольный объем, м³/кмоль;

V_В - объемный расход охлаждающей воды, м³/с;

w - рабочая скорость, м/с;

w_Ж - скорость жидкости, м/с;

w_П - скорость пара, м/с;

w_П - предельная скорость паров, м/с;

х - влагосодержание воздуха, кг/кг;

х_D - мольная доля хлороформа в дистилляте, кмоль/кмоль смеси;

х_F -мольная доля хлороформа в исходной смеси, кмоль/кмоль смеси;

х_W - мольная доля хлороформа в кубовом остатке, кмоль/кмоль смеси;

 - массовая доля хлороформа в дистилляте, кг/кг смеси;

 - массовая доля хлороформа в исходной смеси, кг/кг смеси;

 - массовая доля хлороформа в кубовом остатке, кг/кг смеси;

х_ОБ - объемная доля компонента в смеси;

х_СР - средний мольный состав жидкости, кмоль/кмоль смеси;

y_СР - средний мольный состав пара, кмоль/кмоль смеси;

y_F* - мольная доля хлороформа в паре, равновесном с исходной

смесью, кмоль/кмоль смеси;

β - коэффициент избытка флегмы;

μ - вязкость, Па*с;

ρ- плотность, кг/м³;

ρ_ПD - плотность паров дистиллята, кг/м³;

ρ_СМ - плотность физической смеси жидкостей, кг/м³;

σ - поверхностное натяжение, Н/м;

λ - коэффициент трения;

в - температурный коэффициент;

 - гидравлическое сопротивление тарелок, Па;

- гидравлическое сопротивление сухой тарелки, Па;

 - средняя разность температур горячего и холодного носителей;

θ - доля байпасирующей жидкости;

ε - паросодержание барботажного слоя;- критерий Фруда;

Н_С - высота сеперационного пространства

Введение

Ректификация - массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаев в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными используемыми в процессе абсорбции. Поэтому методы подхода к расчету и проектированию ректификационных и абсорбционных установок имеют много общего.

Целью расчета массообменного аппарата является определение конструктивных размеров, т.е. высоты и диаметра колонны, гидромеханических и экономических показателей ее работы.

При расчете процессов ректификации составы жидкостей обычно задаются в массовых долях или процентах, а для практического расчета удобнее пользоваться составами жидкостей и пара, выраженными в мольных долях или процентах.

Перегонку проводят путем постепенного испарения жидкости, находящейся в перегонном кубе. Образующиеся пары отводятся и конденсируются. Процесс осуществляют периодическим или непрерывным способом.

Если простая перегонка проводится периодически, то в ходе отгонки НК содержание его в кубовой жидкости уменьшается. Вместе с тем, изменяется во времени и состав дистиллята, который обедняется НК по мере протекания процесса. В связи с этим отбирают несколько фракций дистиллята, имеющих различный состав. Простая перегонка, проводимая с получением конечного продукта разного состава, называется фракционной, или дробной, перегонкой.

Процессы ректификации осуществляются периодически или непрерывно при различных давлениях: при атмосферном давлении, под вакуумом (для разделения смесей высококипящих веществ), а также под давлением больше атмосферного (для разделения смесей, являющихся газообразными при нормальных температурах).

Ректификационная колонна имеет цилиндрический корпус, внутри которого установлены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Снизу вверх по колонне движутся пары, поступающие в нижнюю часть аппарата из кипятильника, который находится вне колонны, т. е. является выносным, либо размещается непосредственно под колонной. Следовательно, с помощью кипятильника создается восходящий поток пара.

При выборе оптимальных условий работы ректификационной установки необходимо учитывать расход тепла и основные параметры (температуру и давление) теплоносителей - греющего пара и охлаждающей воды, а также требуемые размеры, как самой колонны, так и соединенных с ней теплообменных аппаратов (кипятильника, нагревателя исходной смеси, дефлегматора и холодильника паров). Все эти факторы взаимосвязаны и зависят, в частности, от температуры и агрегатного состояния подаваемой на разделение смеси.

Исходная смесь может поступать в колонну не только в жидком, но и в парообразном состоянии или в виде смеси жидкости и пара. При прочих равных условиях: заданных составах дистиллята у_D и остатка x_W, давлении Р в колонне - подвод тепла в колонну минимален в случае подачи в нее жидкой исходной смеси, предварительно нагретой до температуры кипения t_K на питающей тарелке.

Кипятильник или куб предназначен для превращения в пар части жидкости, стекающей из колонны, и подвода пара в ее нижнюю часть (под насадку или нижнюю тарелку). Кипятильники имеют поверхность нагрева в виде змеевика или представляют собой кожухотрубчатый теплообменник, встроенный в нижнюю часть колонны. Более удобны для ремонта и замены выносные кипятильники, которые устанавливают ниже колонны с тем, чтобы обеспечить естественную циркуляцию жидкости.

В периодически действующих колоннах куб является не только испарителем, но и емкостью для исходной смеси. Поэтому объем куба должен быть в 1,3-1,6 раза больше его единовременной загрузки (на одну операцию). Обогрев кипятильников наиболее часто производится водяным насыщенным паром.

Дефлегматор, предназначенный для конденсации паров и подачи орошения (флегмы) в колонну, представляет собой кожухотрубчатый теплообменник, в межтрубном пространстве которого обычно конденсируются пары, а в трубах движется охлаждающий агент (вода). Однако вопрос о направлении конденсирующихся паров и охлаждающего агента внутрь или снаружи труб следует решать в каждом конкретном случае, учитывая желательность повышения коэффициента теплопередачи и удобство очистки поверхности теплообмена. [11]

1. Теоретическая часть

1.1 Технологическая схема ректификационной установки

Технологическая схема установки представлена на рисунке 1.

- емкость для исходной смеси; 2,9- насосы; 3- теплообменник-подогреватель; 4- кипятильник; 5- ректификационная колона; 6- дефлегматор; 7- холодильник дистиллята; 8- емкость для сбора дистиллята; 10- холодильник кубовой жидкости; 11- емкость для кубовой жидкости.

Рисунок 1 - Принципиальная схема ректификационной установки

В установке для непрерывной ректификации колона состоит из двух частей: верхней - укрепляющей и нижней - исчерпывающей части колоны, для того, чтобы поступающая на разделение смесь соприкасалась со встречным потоком пара с большим содержанием высококипящего компонента в исходной смеси. В исчерпывающей части колоны происходит удаление низкокипящего компонента из стекающей вниз жидкости, в верхней части обогащение низкокипящим компонентом поднимающихся паров. Исходную смесь из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подают в теплообменник 3 , где она подогревается до температуры кипения.

Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси X_F . На питательной тарелке жидкость смешивается с флегмой из укрепляющей части колонны и, стекая вниз, взаимодействует с поднимающимися навстречу паром, более богатым высококипящим компонентом, при этом из жидкости происходит удаление низкокипящего компонента. В нижнюю часть колонны стекает жидкость, состоящая почти целиком из высококипящего компонента, часть её называется кубовым остатком и непрерывно отводится через холодильник кубовой жидкости 10 в емкость для кубовой жидкости 11. Пар поднимается по всей колонне снизу вверх, обогащаясь при этом низкокипящим компонентом. Пар, выходя из колонны, поступает в дефлегматор 6 , где он конденсируется. При этом часть конденсата возвращается в колонну в виде флегмы, другая часть выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в промежуточную емкость 8. Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят и кубовый остаток.

1.2 Физико-химические характеристики продукта

1.2.1 Физические свойства воды

Вода в нормальных условиях сохраняет жидкое агрегатное состояние.

Плотность: 0,9982 г/куб.см

Динамическая вязкость (ст.усл.): 0,00101 Па•с (при 20°C)

Кинематическая вязкость (ст.усл.): 0,01012 кв.см/с (при 20°C)

Термические свойства воды:

Температура плавления: 0°C

Температура кипения: 99,974°C

Тройная точка: 0,01 °C, 611,73 Па

Критическая точка: 374°C, 22,064 MПа

Молярная теплоёмкость(ст.усл.): 75,37 Дж/(моль•К)

Теплопроводность(ст.усл.): 0,56 Вт/(м•K)

1.2.2 Физические свойства уксусной кислоты

Уксусная кислота представляет собой бесцветную жидкость с характерным резким запахом и кислым вкусом. Гигроскопична. Неограниченно растворима в воде. Смешивается со многими растворителями; в уксусной кислоте хорошо растворимы неорганические соединения и газы, такие как HF, HCl, HBr, HI и другие. Существует в виде циклических и линейных димеров.

Абсолютная уксусная кислота называется ледяной, ибо при замерзании образует льдовидную массу (см. изображение справа).

Давление паров (в мм. рт. ст.) при определенных температурах:

(17,1 °C)

(42,4 °C)

(62,2 °C)

(98,1 °C)

(109 °C)

(143,5 °C)

(180,3 °C)

Относительная диэлектрическая проницаемость: 6,15 (20 °C)

Динамическая вязкость жидкостей и газов (в мПа·с): 1,155 (25,2 °C); 0,79 (50 °C)

Поверхностное натяжение: 27,8 мН/м (20 °C)

Удельная теплоёмкость при постоянном давлении: 2,01 Дж/г·K (17 °C)

Стандартная энергия Гиббса образования G₀ (298 К, кДж/моль): −392,5 (ж)

Стандартная энтропия образования S₀ (298 К, Дж/моль·K): 159,8 (ж)

Энтальпия плавления ΔH_пл: 11,53 кДж/моль

Температура вспышки в воздухе: 38 °C

Температура самовоспламенения на воздухе: 454 °C

Теплота сгорания: 876,1 кДж/моль

1.3 Технологический расчет аппарата [10]

1.3.1 Материальный баланс

Материальный баланс всей ректификационной колонны может быть представлен двумя уравнениями:

по всему продукту:

;

по легколетучему компоненту:

 ,

где х_f, х_D, х_w - молярные составы (мольные доли) низкокипящего компонента (НК) соответственно в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке.

Для дальнейших расчетов необходимо концентрации исходной смеси, дистиллята и кубового остатка выразить в мольных долях.

Питание:

Дистилят:

Кубовый остаток:

где х_А - мольная доля низкокипящего компонента в жидкости;

М_А - молекулярная масса низкокипящего компонента, кг/кмоль;

М_Н2О=18 кг/кмоль

М_В - молекулярная масса высококипящего компонента, кг/кмоль;

М_УК=60 кг/кмоль

Определим минимальное число флегмы по уравнению:

 ;

где =0,82 - мольная доля воды в паре, равновесном с жидкостью питания, определяем по рисунку 2.

Рабочее число флегмы определяем по уравнению:

R=1,3*

 =; =

Кривая равновесия для системы вода-уксусная кислота была построена по значениям, указанным в таблице 1.

Таблица 1 - Равновесный состав системы вода-уксусная кислота.[5]

Уравнение рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части колонны

;

y =

б) нижней (исчерпывающей) части колонны

y= ;

Относительный мольный расход питания:

F= ;

F==

Рисунок 2 -Кривая равновесия вода-уксусная кислота

1.3.2 Определение скорости пара и диаметра колонны

Рассчитываем средние концентрации низкокипящего компонента в жидкости: ректификационный установка уксусная кислота

а) верхней (укрепляющей) части колонны:

;

==0,86

б) нижней (исчерпывающей) части колонны:

;

==0,37

Средние концентрации пара находим по уравнениям рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части колонны:

б) нижней (исчерпывающей) части колонны:

Средние температуры пара определяем по диаграмме равновесия в координатах t-x,у для системы воды-уксусная кислота ( рис. 3).

При

При = 109

Средние мольные массы и плотности пара:

Рисунок 3 - Диаграмма равновесия в координатах t-x,у для системы вода-уксусная кислота

Средние мольные массы и плотности пара:

Средняя плотность пара в колонне

Температура в верхней части колонны при  , равняется 100а в кубе - испарителе при = 0,007 она равна 115.( рис 3)

Плотность воды при 100 , а уксусной кислоты при 115 равна  * 5 = 949

Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне

=  

 ;

Для ситчатых тарелок по рисунку 4 определяем значение С.

А, Б - колпачковые тарелки с круглыми колпачками; В - ситчатые тарелки.

Рисунок 4 - Значение коэффициента С

С=0,032

Объемный расход проходящего через колонну пара при средней температуре в колонне

где

Диаметр колонны :

 м

По справочнику принимаем , тогда скорость пара в колонне будет:

1.3.3 Гидравлический расчет тарелок

Принимаем следующие размеры ситчатой тарелки: диаметр отверстий

= 4 мм, высота сливной перегородки  Свободное сечение тарелки ( суммарная площадь отверстий) 8 % от общей площади тарелки. Площадь, занимаемая двумя сегментными переливными стаканами, составляет 20 % от общей площади тарелки.

Рассчитаем гидравлическое сопротивление тарелки по уравнению:

;

где  - гидравлическое сопротивление сухой тарелки;

- сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения;

- сопротивление парожидкостного слоя на тарелке.

а) верхняя часть колонны

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

где  коэффициент сопротивления неорошаемых ситчатых тарелок со свободным сечением 7-10 %, - скорость пара в отверстиях тарелки,

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения

,

где  - поверхностное натяжение жидкости при средней температуре,

- диаметр отверстий тарелки (рис 5) .

Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:

,

где

Величину  рассчитываем по формуле:

 ;

где V-объемный расход жидкости,

П-периметр сливной перегородки, м

К-отношение плотности парожидкостного слоя к плотности жидкости.

К=

Объемный расход жидкости в верхней части колонны:

где - средняя мольная масса жидкости,

Рисунок 5- Схема ситчатой тарелки

Периметр сливной перегородки находим, решая систему уравнений:

0.1*

где R=0,9 м- радиус тарелки;- приближенное значение площади сегмента.

Решение дает: П= 1,32 м; b = 0,289 м

= 0,0024 м

Высота парожидкостного слоя на тарелке:

 = 0,04+0,0024=0,0424 м

Сопротивление парожидкостного слоя

Общее гидравлическое сопротивление тарелки

 = 40,44+20,5+257,4=318,35 Па

б) нижняя часть колонны:

м

Общее гидравлическое сопротивление тарелки:

Проверим, соблюдается ли при расстоянии между тарелками h=0,3 м, необходимое для нормальной работы тарелок условие h > 1.8

Для тарелок нижней части колонны, у которых гидравлическое сопротивление

.8 =

Следовательно, вышеуказанное условие выполняется

Минимальная скорость пара в отверстиях достаточная для работы ситчатой тарелки:

1.3.4 Определение числа тарелок и высоты колонны

В верхней части колонны , в нижней части , всего 27 ступеней (рис 2).

Число тарелок рассчитываем по уравнению:

Для определения среднего КПД тарелок находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов  и динамический коэффициент вязкости исходной смеси при средней температуре в колонне.

находим из уравнения:

lgP=A-;

где А=8,502; В=2177,4 =8,502-

Р=532,59 мм.рт.ст

Для определения  строим график зависимости lgP от -  по стандартным данным Р=760мм. рт.ст, Т=100 [8]

Р=100мм. рт. ст, Т=51,7[8]

Рисунок 6- График зависимости lgP от -

Динамический коэффициент вязкости:

= 0,46 мПа * с

Динамический коэффициент вязкости исходной смеси находим из уравнения:

lg

 мол.доли

мол.доли

lg=-0,599

 мПа*с

Тогда:  

По графику ( рис. 7) находим

Рисунок 7-Диаграмма для приближенного определения среднего КПД тарелок.

Длина пути жидкости на тарелке

l = D-2b

l = 1.86-2*0.289=1.282 м

По графику ( рис 8) находим значение поправки на длину пути

Рисунок 8- Зависимость поправки  от длины пути жидкости на тарелке l.

Для сравнения рассчитываем средний КПД тарелки по критериальной формуле , полученной путем статической обработки многочисленных опытных данных для ситчатых тарелок:

Безразмерные комплексы:

где - скорость пара в колонне,  ;

-относительная площадь свободного сечения тарелки;

=высота сливной перегородки, м;

 и - плотности пара и жидкости ,кг/;

-коэффициент диффузии легколетучего компонента в исходной смеси,/с;

- поверхностное натяжение жидкости питания, Н/м.

Физико-химические константы отнесены к средней температуре в колонне. Коэффициент диффузии

где ;; ;  Т=378К.

Безразмерные комплексы:

Средний КПД тарелки:

что близко к найденному значению

а) в верхней части колонны

 /

б) в нижней части колонны

/

Общее число тарелок n= 46, с запасом 50, из них в верхней части колонны 26 и в нижней 24. Высота тарельчатой части колонны:

Общая высота колонны находим по формуле:

=27,5 м

Общее гидравлическое сопротивление тарелок

1.3.5 Тепловой расчет установки

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воды в дефлегматоре-конденсаторе, находим по уравнению:

где  и - удельные теплоты конденсации бензола и толуола при 105

+(1-0,96)*405,1*

Расход теплоты, получаемой в кубе-испарителе от греющего пара, находим по уравнению

  * к

 * к

 * к

Расход теплоты в паровом подогревателе исходной смеси:

Q=,=1.05*0.83*3.68*

Расход греющего пара, имеющего давление  и влажностью 5 % а) в кубе-испарителе

где  удельная теплота конденсации греющего пара

б) в подогревателе исходной смеси

Всего:0,34+0,156=0,496

Расход охлаждённой воды при нагреве ее на 20

а) в дефлегматоре

б) в водяном холодильнике дистиллята

в) в водяном холодильнике кубового остатка

Всего: 0,0081+0,0038+0,0014= 0,0139

Заключение

В процессе проделанной работы была рассчитана ректификационная установка для разделения смеси вода - уксусная кислота. Были подобраны и рассчитаны параметры дополнительных аппаратов, выбран тип колонны - тарельчатая и в соответствии с этим ситчатый тип тарелки.

Список литературы

1.   Александров И.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. 3-е изд.-М.:Химия, 1978.-280с.

2.      Александров И.А. Массопередача при ректификации многокомпонентных смесей.- Л.:Химия, 1975.-320 с.

.        Анисимов И.В., Бодров В.И., Покровский В.Б. Математическое моделирование и оптимизация ректификационных установок.- М.:Химия, 1975.-215 с.

.        Багатуров С.А. Основы теории и расчета перегонки и ректификации.-М.:Химия. 1975.-440с.

.        Коган В.Б., Фридман В.М.. Кафаров В.В. Равновесие между жидкостью и паром. Кн. 1-2.-М.-Л.:Наука,1966.-640-786 с.

.        Колонные аппараты. Каталог.-М.:ЦИНТИхимнефтемаш,1987.-27 с.

.        Рид Р., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей: Пер с англ./Под ред. А.Н.Плановского.- М:Гостоптехиздат, 1964.-334 с.

.        Справочник химика. Т.1.М.-Л.:Гохимиздат, 1963.-1071 с.

.        Стабников В.Н. Ректификационные аппараты. - М.:Машиностроение, 1965.-356 с.

.        Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. 10-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1987. - 576 с.

.        Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. 9-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1973. - 754 с.

.        Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. 2-е изд. /Под ред. Ю.И.Дытнерского. - М.: Химия, 1991. 494 с.