Проектирование Ректификационной тарельчатой колонны непрерывного Действия для разделения бинарной смеси пропан-бутан

Клапанные тарелки имеют круглые или щелевые паровые патрубки, закрытые свободными клапанами. Степень открытия клапана зависит от паровой нагрузки. Движение клапанов ограничено направляющими в виде скоб и пальцев.

Клапанные тарелки обеспечивают повышенную производительность колонны по сравнению с другими конструкциями колпачковых тарелок. Колонны с ситчатыми тарелками не применимы в коррозионных условиях и для ректификации растворов, содержащих твердые примеси. Тепло- и массообмен между паром и жидкостью происходит на некотором расстоянии от дна тарелки в слое брызг и пены. Диаметры отверстия принимают 0,8- З мм. Ситчатые тарелки необходимо устанавливать строго горизонтально для равномерного прохождения пара через все отверстия тарелки. Ситчатые тарелки весьма чувствительны  к изменению давления пара и расходу флегмы, вызывающие исчезновение жидкости на тарелках. Ситчатые тарелки несложны в изготовлении, более дешевы и обладают меньшим гидравлическим сопротивлением по сравнению с колпачковымич тарелками.

Также применяют колонны с решетчатыми тарелками, так называемое провальные. Тарелки изготовляют в виде колосников различной формы. Пар и жидкость одновременно проходят между колосниками в любом направлении. Пар барбатирует в тех местах, где в данный момент меньшее гидравлическое сопротивление. Жидкость проваливается сквозь щели в местах наибольшего гидравлического сопротивления. По сравнению с ситчатыми тарелками тарелки провального типа обеспечивают большую производительность и менее чувствительны к загрязнениям и коррозии.

Значительное распространение получили насадочные ректификационные колонны. Они представляют собой цилиндрические аппараты .заполненные насадкой в виде различных колец или волнистей ленты ,свернутой в спираль и уложенной слоями.

Насадка насыпается навалом или упорядочно укладывается на колосниковую решетку. Для равномерного орошения насадки применяют оросительные устройства и распределители жидкости.

Если высота насадки больше 1-1,5 диаметра колонны, то по мере отекания жидкости вниз движущийся навстречу пар оттесняет ее к стенкам колонны. В результате часть насадки будет сухой, поверхность контакта уменьшится. Чтобы избежать этого недостатка, в насад очной колонне устраивают перераспределители жидкости на расстоянии до 1,5 диаметров по высот насадки, которые направляют жидкость от стенок к центру колонны. В зависимости от скорости потока в колонне возможны три варианта гидродинамических режима: ламинарный, промежуточный и турбулентный, при которых поток пара является сплошным, непрерывным и заполняет свободный объем насадки, не занятый жидкостью, в то время как жидкость стекает лишь по поверхности насадки. Дальнейшее развитие турбулентного режима может привести к преодолению сил поверхностного натяжения и нарушению граничной поверхности между жидкостью и паром .При этом газовые вихри проникают в жидкость. Происходит образование эмульсии и массообмен между фазами сильно возрастает. Такой режим называется эмульгационным.

Переход от турбулентного режима к эмугальционному соответствует оптимальным условиям работы колонны, при которых создается максимальная поверхность контакта пара с жидкостью, интенсивный массообмен и максимальная производительность. Дальнейшее повышение скорости пара приводит к «захлебыванию»насадки, когда пар увлекает жидкость, изменяет направление ее движения. Процесс ректификации при этом прекращается. Такой случай недопустим в работе колонны.

                                                 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Технологический расчет

2.1 Составление материального баланса колонны

 

Массовые расходы  дистиллята G_D и кубового остатка G_W определяем:

 

         

                   (1)

         

                  (2)

Проверка:

           ,                                                                                  (3)

         

Массовые расходы пропана и бутана в сырье, дистилляте и кубовом продукте определяем по формуле:

                                                 (4)

                                                   (5)

                   =                                (6)

                                    (7)

                                        (8)

                                   (9)

Проверка:

                                                                                  (10)

Мольные расходы пропана (N_НКК) и бутана (N_ВКК) в сырье, дистилляте и кубовом продукте определяем по формуле:

                                                        (11)

                                                         (12)

                                                          (13)

Проверка:

                                                                             (14)

 

                                                       (15)

                                                      (16)

                                                           (17)

Проверка:

                                                                         (18)

Мольные доли пропана(Х_НКК )и бутана (Х_ВКК )в сырье, дистилляте и кубовом продукте определяем по формуле:

                                             (19)

                                              (20)

                                               (21)

                                               (22)

                                                       (23)

                                                        (24)

Проверка:

                                                                         (25)

 

Материальный баланс колонны

                                                                                                                  Таблица 1

 

	Компоненты					Сумма
	пропан				бутан
Молекулярная масса,	44				58	-
Сырье
Массовый расход,		9990			8510			18500
Массовая доля,		0,54			0,46			1,0
Мольный расход,		227			172			399
Мольная доля,		0,57			0,43			1,0
Дистиллят
Массовый расход,				9853	100		9953
Массовая доля,				0,99	0,01		1,0
Мольный расход,				224	170		394
Мольная доля,				0,57	0,43		1,0
Кубовый остаток
Массовый расход,			137		8410				8547
Массовая доля,			0,016		0,984				1,0
Мольный расход,			3		2				5
Мольная доля,			0,6		0,4				1,0

 

 

 

 

2.2  Определение давления и температурного режима колонны

 

Основные параметры технологического режима колонне - температура и давление. Давление в процессе ректификации существенно влияет на работу колонны. С увеличением давления ужесточается температурный режим. С увеличением давления меняются и другие факторы, например, относительная летучесть компонентов, производительность и др.

Повышение давления в колонне необходимо при разделении низкими температурами кипения, например, как в нашем случае, при разделении углеводородных газов - пропана и бутана. При ректификации под давлением повышается температура паров дистиллята и становится возможным использование в конденсаторе доступного и дешевого хладоагента - промышленной воды. При  этом  необходимо значительно повышать давление в колонне по сравнению с атмосферном. В тоже время температура кипения смеси в кубе колонны не может значительно отличать от температуры кипения высококипящего компонента. Следовательно, температура в кубе колонны будет близкой к 100⁰С. Такая температура не вызовет затруднений при выборе теплоносителя для использования его в кипятильнике колонны.

Поскольку при давлении в колонне, близком к атмосферном, обеспечиваются приемлемые значения температур верха и куба колонны, целесообразно принять давление наверху колоны несколько больше атмосферного для преодоления гидравлических сопротивлений в шлемовой трубе и дефлегматоре.

Примем давление вверху колонны Р_в=112кПа, что составляет

Ориентировочное число тарелок в колонне примем равным 30 и рассчитаем число тарелок в верхней и нижней части колонны по уравнению, соответственно:

                                            

                              (26)

                                            

                             (27)

Примем:

- гидравлическое сопротивление тарелок в верхней части, ;

- гидравлическое сопротивление тарелок в нижней части, .

Тогда давление в зoне питания составит:

                                        

                                       (28)

Тогда давление в нижней части колонны составит:

                                     

                                        (29)

Для определения в колонне давления пара i-го компонента примем уравнение Антуана, которое имеет вид:

                                                                                    (30)

где Р- давление пара компонента, мм.рт.ст;

А,В,С- коэффициенты;

t-температура (⁰К).

Для пропана и бутана коэффициенты уравнения Антуана имеют следующие значения.

 

 

 

 

 

 

 

 

Температурный режим колонны (2,стр.545)

                                                                                                         Таблица 2

пропан
Коэффициенты уравнения Антуана:                              А=                                                                                             В=                                                                                             С=		15,726 1872,46 -25,16
бутан
Коэффициенты уравнения Антуана:                             А=                                                                                            В=                                                                                            С=	15,6782 2154,9 -34,42

 

Примем температуру  верха колонны , это позволит использовать в качестве хладоагента промышленную воду оборотного цикла водоснабжения.

По уравнению Антуанна рассчитываем давления каждой из паровых фаз:

                                                        (31)

                              

                                 (32)

Полученные значения подставляем в уравнение изотермы паровой фазы:

                     (33)

Примем температуру  низа колонны

По уравнению Антуанна находим давление паров пропана и бутана:

                                                        (34)

                                                                        (36)

                                                    (37)

                                                                        

Полученные значения подставляем в уравнение изотермы жидкой фазы:

      (38)

Из решения уравнения изотермы жидкой фазы видно, что все параметры подобраны верно.

Температура зоны питания находится как среднее между температурами верха и низа колонны: