Процесс ректификации, классификация ректификационных колонн

а) производительностью;

б) гидравлическим сопротивлением;

в) коэффициентом полезного действия;

г) диапазоном рабочих нагрузок;

д) возможностью работы на средах, склонных к образованию смолистых или других отложений;

е) материалоемкостью;

Ситчатые тарелки с  отбойниками имеют относительно низкое гидравлическое сопротивление, повышенную производительность, но более  узкий рабочий диапазон по сравнению  с колпачковыми тарелками. Применяются  преимущественно в вакуумных колоннах.

Лучшими показателями по гидравлическому сопротивлению обладают тарелки ситчатые и S-образные с клапанами, а по КПД — клапанная балластная и S-образная с клапаном.

Следует отметить, что  универсальных конструкций тарелок, эффективно работающих «всегда и везде», не существует. При выборе конкретного типа тарелок из множества вариантов следует отдать предпочтение той конструкции, основные (не обязательно все) показатели эффективности которой в наибольшей степени удовлетворяют предъявляемым требованиям. Предпочтительно применение контактных устройств, имеющих как можно меньшее гидравлическое сопротивление.

 

2.5 Колонны с ситчатыми тарелками для разделения смеси «этиловый спирт-вода»

 

Колонны с ситчатыми  тарелками (Приложение А) гораздо проще по устройству и дешевле, чем, например, колонны с колпачковыми тарелками. Колонны с ситчатыми тарелками (рис 3) состоят из вертикального цилиндрического корпуса 1 с горизонтальными тарелками 2, в которых равномерно по всей поверхности просверлено значительное число мелких отверстий. Для слива жидкости и регулирования её уровня на тарелке есть переливные трубки 3. нижние концы трубок погружены в стаканы 4, находящиеся на лежащих ниже тарелках, и образуют гидравлические затворы.

 

Рис 3 — Схема устройства ситчатой колонны

1 – корпус; 2 – ситчатая  тарелка; 3 – переливная трубка; 4- стакан

 

 

Газ (пар) проходит в отверстия тарелки (рис 4) и распределяется в жидкости в виде мелких струек; лишь на некотором расстоянии от дна тарелки образуется слой пены и брызг – основная область массообмена и теплообмена на тарелке.

 

Рис 4 — Схема работы ситчатой тарелки

 

В определенном диапазоне  нагрузок ситчатые тарелки обладают довольно большой эффективностью. Для  того, чтобы КПД тарелки не уменьшалось  резко, давление и скорость газа (пара), проходящего через отверстия тарелки, должны быть достаточными для того, чтобы преодолеть давление слоя жидкости на тарелке и предотвратить тем самым стекание жидкости через отверстия.

Кроме того, протекание жидкости через отверстия увеличивается с увеличением диаметра тарелки и при отклонении от строго горизонтального положения. Поэтому диаметр и число отверстий следует подбирать такими, чтобы жидкость удерживалась на тарелках и не увлекалась механически паром. Обычно принимают диаметр отверстий ситчатых тарелок 0,8-3 мм.

Очистка, промывка и ремонт ситчатых тарелок проводятся относительно удобно и легко.

Но есть и минусы. Ситчатые колонны эффективно работают только при определенных скоростях ректификации, и регулирование режима их работы. При значительных нагрузках потеря напора довольно большая. Кроме того, как указывалось ранее, тарелки должны быть расположены строго горизонтально, т.к. иначе газ (пар) будет проходить через часть отверстий, не соприкасаясь с жидкостью. А в случае внезапного прекращения поступления газа (пара) или значительно снижения его давления тарелки ситчатой колонны полностью опоражниваются от жидкости, и для достижения заданного режима процесса требуется вновь пустить колонну.

Чувствительность к  колебаниям нагрузки, а также загрязнениям и осадкам, которые быстро забивают отверстия тарелки, ограничивают область использования ситчатых колонн. Но для ректификации спирта и жидкого воздуха (кислородные установки), главным образом применяют именно их.

Для повышения эффективности ситчатых тарелок увеличивают длительность контакта между жидкостью и газом (паром), например, принудительным круговым движением жидкости на тарелке при одинаковом направлении её движения на всех тарелках колонны.

 

2.6 Выбор вспомогательного оборудования

 

Размеры и конструкции  перегонного куба, дефлегматора и концевого холодильника зависят от производительности установки, физических свойств перегоняемой смеси и режима процесса (периодический или непрерывный).

Дефлегматор обычно представляет собой кожухотрубчатый теплообменник. В ряде случаев в дефлегматоре происходит конденсация всех паров, вышедших из колонны. В концевом холодильнике дистиллят охлаждается до заданной температуры.

Иногда в дефлегматоре конденсируется лишь часть паров  для получения флегмы, а полная конденсация и охлаждение происходят в холодильнике.

Ректификационные установки  снабжают также приборами для  регулирования и контроля режима работы и нередко аппаратами для  утилизации тепла.

 

2.7 Выбор конструкционного материала

Этанол и  вода не являются коррозионно-активными  веществами, рабочая температура в колонне не выше 100°С, поэтому в качестве конструкционного материала для основных деталей аппарата выбираем сталь Ст 3 ГОСТ 380 – 2005: которая используется для изготовления деталей химической аппаратуры при работе с неагрессивными средами при температурах от 10 до 200 °С.

 

 

3 Материальный расчет колонны

3.1 Производительность колонны по дистилляту и кубовому остатку

Таблица 1 – Температуры кипения и молекулярные массы разделяемых компонентов

параметр вещество	tк, °С	М, кг/кмоль
этанол	78,30	46,10
вода	100,00	18,00

 

Молекулярные массы  исходной смеси, дистиллята и кубового остатка:

     (7)

MF = 0,10×46,10 + 0,746×18,00 = 49,00 кг/кмоль

Аналогично для MР и MW:

MР = 0,75×46,1 + 0,099×18,00 = 56,80 кг/кмоль

MW = 0,01×46,1 + 0,968×18,0 = 46,40 кг/кмоль

Уравнение материального  баланса

F = P + W;         (8)

F F = P + W ,       (9)

где F, , – массовые концентрации НКК,

F = 5000,00 кг/ч – расход исходной смеси,

Р – расход дистиллята,

W – расход кубового остатка,

Прежде, чем находить расход дистиллята и кубовой жидкости, переведем мольные доли компонентов смеси в массовые:

xF= 0,1 F = 0,22

xР= 0,75 = 0,82

xW= 0,01 = 0,025

 

 

 

 

 

Тогда

 

W = F( – )/( – ) (10)

W = 5000,00×(0,82 – 0,22)/(0,82 – 0,025) = 3773,58 кг/ч

Р = F – W = 5000,00 – 3773,58 = 1226,42 кг/ч

3.2 Расчет оптимального флегмового числа и определение числа теоретических тарелок

Строим диаграмму равновесия между паром и жидкостью в  системе этиловый спирт-вода (рис 5), используя данные по равновесию (таблица 2).

Таблица 2 – Равновесные  данные системы этиловый спирт-вода

х, %мол.	0,00	1,90	9,66	16,61	26,08	39,65	50,79	57,32	67,63	74,72	89,43
у, %мол.	0,00	17,00	43,75	50,69	55,80	61,22	65,64	68,41	73,85	78,15	89,43
T, ºС	100,0	95,50	86,70	84,10	82,30	80,70	79,80	79,3	78,64	78,41	78,15

 

Находим значение *= 0,44

Тогда минимальное флегмовое  число:

Rmin = (xp – yF*)/(yF* - xF)      (11)

Rmin = (0,75 – 0,44)/(0,44 – 0,1) = 0,91

Рабочее число флегмы:

R = 1,3·Rmin+0.3       (12)

R=1,3·0,91+0.3=1,48

Уравнения рабочих линий:

• верхняя часть

y = [R/(R+1)]x + xp / (R+1) (13)

у = 0,597x + 0,302

хF =0,1 уF*= 0,597·0,1+0,302=0,362

 

 

Отложим по оси ординат 0,362 и нанесем рабочую линию  АВ для верхней части колонны. Через точки А и С проводим рабочую линию АС для нижней части колонны.

• нижняя часть

y = [(R+f)/(R+1)]x – [(f – 1)/(R + 1)]xW   (14)

f = F / P        (15)

f = 5000,00/1226,42 = 4,08

y = 2,24x – 0,012

 

Рис 5 – Х-Y-диаграмма. Зависимость между равновесными и рабочими составами фаз для смеси этиловый спирт-вода

 

Выполнив на диаграмме (рис 5) построение ломанной линии (начиная от т.В), находим необходимое число ступеней изменения концентрации: в верхней части оно составляет ~ 6, в нижней ~ 3; всего – 9.

 

3.3 Массовый поток пара в верхней и нижней частях колонны

 

Средние концентрации паров  и их температуры (по t-x, y диаграмме):

yF = 0,362; yp = 0,738; yW = 0,011 (рис 5)

уср.в = 0,5(yF + yp)        (16)

уср.в = 0,5×(0,362 + 0,738) = 0,55 tср.в = 79,0° С

уср.н = 0,5(yF + yW)        (17)

уср.н = 0,5×(0,362 + 0,011) = 0,19 tср.н = 82,5° С

Средние молярные массы  паров:

     (18)

Мср.в = 0,55×46,10 + 0,45×18,00 = 33,46 кг/кмоль

Аналогично для Мср.н:

Мср.н = 0,19×46,10 + 0,77×18,00 = 23,34 кг/кмоль

Расход пара:

Gв = Р(R + 1)Мср.в /Мр       (19)

Gв = 1226,42×(1,48+1)×33,46/39,10 = 2604,13 кг/ч

Gн = Р(R + 1)Мср.н /Мр       (20)

Gн = 1226,42×(1,48+1)×23,34/39,10 = 1816,51 кг/ч

 

3.4 Массовые расходы жидкости в верхней и нижней части колонны

Средние концентрации жидкости:

хср.в = (хF + xр) / 2       (21)

хср.в = (0,1 + 0,75)/2 = 0,425

хср.н. = (хF + xW) / 2       (22)

хср.н = (0,1 + 0,01)/2 = 0,055

Средние молярные массы  жидкости:

     (23)

Мср.в = 0,425×46,1 + 0,575×18,0 = 29,943 кг/кмоль

     (24)

Мср.н = 0,055×46,1 + 0,945×18,0 = 19,546 кг/кмоль

Расход жидкости:

Lв = PRMcр.в / Мр       (25)

Lв = 1226,42×1,48×29,943/39,08 = 1390,73 кг/ч

Lн = PRMcр.н/Мр+FMcр.н /МF     (26)

Lн = 1226,42×1,48×19,546/39,08 +5000,00×19,546/20,81 = 5604,13 кг/ч

 

4 Расчет диаметра колонны

4.1 Плотности компонентов

По диаграмме t - x, y* (рис 6), находим температуры исходной смеси, дистиллята и кубового остатка: tF = 86,80° C; tp = 77,50° C: tW = 96,0° C

 

Рис 6 – t-x,y диаграмма системы этиловый спирт – вода

 

Таблица 3 - Плотности  компонентов при различных температурах, кг/м3

t, ºC вещество	86,80	77,50	96,0
этанол	739	732	727
вода	975	968	962

 

Плотность жидкости:

      (27)

1/(0,22/732+0,78/968) = 903,34 кг/м3

      (28)

= 1/(0,82/739+0,18/975) = 772,20 кг/м3

      (29)

= 1/(0,025/727+0,975/962) = 954,20 кг/м3

Средняя плотность жидкости в верхней и нижней части:

rвж = 0,5(rжF + rжр)       (30)

rвж = 0,5×(903,34 + 772,20) = 837,77 кг/м3

rнж = 0,5(rжF + rжW)       (31)

rнж = 0,5×(903,34 + 954,20) = 928,77 кг/м3

Плотность паров на питающей тарелке:

        (32)

 28,136×273/[22,4×(273+82,5)] = 0,964 кг/м3

МпF = 0,362×46,1 + 0,638×18,0 = 28,136 кг/моль

Плотность паров в  верхней части:

        (33)

rпв = 29,94×273/[22,4×(273+79)] = 1,037 кг/м3

Плотность паров в  нижней части:

        (34)

rпн = 28,68×273/[22,4×(273+82,5)] = 0,983 кг/м3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.2 Скорость пара в колонне

Скорость пара в верхней  части колонны:

 

,      (35)

 

где С = 0,059 (при расстоянии между тарелками 400 мм) – коэффициент, зависящий от конструкции тарелок, расстояния между тарелками, рабочего давления в колонне, нагрузке колонны по жидкости (рис 7).

 

wпв = 0,059×[(837,70 – 1,037)/1,037]1/2 = 1,68 м/с

 

Рис 7 – Значение коэффициента С

А, Б – для колпачковых  тарелок с круглыми колпачками; В – для ситчатых тарелок

Скорость пара в нижней части колонны:

, (36)

wпн = 0,059×[(928,77 – 0,983)/0,983]1/2 = 1,81 м/с

 

 

 

 

4.3 Диаметр колонны

• в верхней части:

       (37)

D_B= [0,723 /(1,037×0,785×1,68)]1/2 = 0,73 м

Gв= 2604,13/3600 = 0,723 кг/с

• в нижней части:

 

       (38)

DH= [0,505/(0,983×0,785×1,81)]1/2 = 0,61 м

Gн= 1816,5/3600 = 0,505 кг/с

После определения диаметра колонны  по уравнениям (37)-(38) уточним его  в соответствии с имеющимися нормалями. Принимаем диаметр колонны 600 мм, тогда действительная скорость пара составит:

• в верхней части

w_пв = 1,68×(0,73/0,6)2 = 1,044 м/с;

• в нижней части

w_пн = 1,81×(0,61/0,6)2 = 1,84 м/с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.4 Характеристика тарелки (рис 8,9)