Расчет насадочной ректификационной колонны непрерывного действия для разделения бинарных смесей

ВСТУПЛЕНИЕ

Одним из найпоширеніших методов разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или большего числа компонентов, является перегонка (дистиляция и ректификация).

Ректификация представляет собой процесс многоразового частичного испарения жидкости и конденсации пара. Процесс осуществляется путем контакта потоков пара и жидкости, имеющих различную температуру, и обычно производится  в колонных апаратах. При каждом контакте из жидкости испаряется переважно НК, которым обогащаются пары, а из пара конденсируется переважно ВK, переходящий в жидкость. Такой двухсторонний обмен компонентами, повторюваний багаторазово, позволяет получить в конечном итоге почти чистый НК. Процессы ректификации осуществляют непрерывно или периодиччески.

В настоящем проекте выполнен расчет насадочной ректификационной колонны непрерывного действия  для разделения бинарных смесей.

1 ТЕХНОЛОГІЧНА СХЕМА ПРОЦЕСУ РЕКТИФІКАЦІЇ

Ректификация – массообменный процесс, осуществляющийся путем многоразового контакта между неравновесными жидкой и паровой фазами, движущимися одна относительно другой. В большинстве случаев ректификацию осуществляют в противоточних колонных аппаратах с разными контактными элементами (насадки, тарелки). Ряд особенностей процесса ректификации (различное соотношение нагрузок по жидкости и пару в нижней и верхней частях колонны, переменные по высоте колонны физические свойства фаз и коэффициент распределения, совместное протекание процессов масо- и теплопереноса) делает расчет процесса достаточно сложным.

Одной из трудностей проектирования ректификационных установок является в отсутствии обобщенных закономерностей для расчета кинетических коэффициентов процесса ректификации.  В наибольшей мере это относится к колоннам диаметром более 800 мм с насадками и тарелками, широко используемым в химических производствах. Большинство рекомендаций сводится к использованию для рассчета ректификационных колонн кинетических зависимостей полученных при исследовании абсорбционных процессов.

Ниже приведены примеры расчетов насадочной (с кольцами Рашига) колонны с использованием модифицированных уравнений массопередачи (метод числа единиц переноса и высоты единицы переноса) и тарельчастой (с ситчатими тарелками) колонны с определением числа тарелок графоаналитическим методом (построение кинетической линии).  Другие методы рассчета, которые могут быть использованы при проектировании ректификационной колонны, приведены в специальной литературе.

На рис. 1.1 представлена схема ректификационной установки, пример рассчета которой представлен ниже.

Рис. 1.1. Принципиальная схема ректификационной установки:

1 — ёмкость для исходной смеси; 2, 9 – насосы; 3 – теплообменник-подогреватель; 4 – кипятильник; 5 – ректификационная колонна; 6 – дефлегматор; 7 – холодильник дистилята; 8 – ёмкость для сбора дистилята; 10 – холодильник кубовой жидкости; 11 – ёмкость для кубовой жидкости

Исходную смесь из промежуточной ёмкости 1 центробежным насосом 2 подають в теплообменник 3, где она подогревается до температури кипения.  Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси x.

Стекая, вниз по колонне, жидкость взаимодействует с паром, который поднимается вверх, который образуется при кипеннии кубовой жидкости в кипятильнике 4.  Начальный состав пара приблизительно равен составу кубового остатка x_w, то есть обедненный легколетучим компонентом.  В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для создания противоточного движения жидкости в верхней части колонны и больше полного насыщения пара низкокипящим компонентом верхнюю часть колонны орошают соответственно к заданому флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава х_Р, полученной в дефлегматоре 6 путем конденсации пара, выходящего из колонны.  Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения (дистилята), который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в промежуточную ёмкость 8.

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

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистилят (с высоким содержанием легколетучего компонента) и кубовый остаток (обагащенный низколетучим компонентом).

2 РОЗРАХУНОК НАСАДКОВОЇ РЕКТИФІКАЦІЙНОЇ КОЛОНИ БЕЗПЕРЕРВНОЇ ДІЇ

Завдання на проектування. Розрахувати ректифікаційну колону безперервної дії для поділу бінарної суміші ацетон-бензол, якщо продуктивність по вихідній суміші F = 2 кг/з; зміст легколетючого компонента [% (мас.)]: у вихідній суміші _F = 25; у дистиляті _Р = 95; у кубовому залишку _W =5; тиск у паровому просторі дефлегматора
Р = 0,2 МПа.

Розрахунок ректифікаційної колони зводиться до визначення основних геометричних розмірів – діаметра й висоти колони.  Обидва параметри значною мірою визначаються гідродинамічним режимом, роботи колони, що, у свою чергу, залежить, від швидкостей і фізичних властивостей фаз, а також від типу й розмірів насадок.