Разделение смеси жидкостей на составляющие компоненты

Содержание

Введение……………………………………………………………………………………….. 3

1. Технологическая схема  и ее описание……………………………………………………... 4

2. Технологический расчет……………………………………………………………………. 5

2.1. Материальный баланс  колонны…….…………………………………………….…….. 5

2.2.Определение минимального  флегмового числа…..………………………………...…... 5

2.3.Определение давления  в колонне…………………………………………………………10

2.4.Определение температурного  режима в колонне…………………………………………11

2.5.Средние массовые расходы по жидкости  и пару…………………………………...…... 12

2.6.Тепловой баланс колонны ………………………………………………………………… 13

3.Гидравлический расчет………………………………………………………..…………….. 14

4. Расчет штуцеров……………………………………………….…………………………….. 20

Заключение ………………………………………………………………….…………….……. 21

Список использованной литературы ……………………………….………………………..…22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Ректификация - массообменный  процесс разделения однородной смеси  летучих компонентов, осуществляемый путем противоточного многократного  взаимодействия паров, образующихся при  перегонке, с жидкостью, образующейся при конденсации этих паров.

Разделение жидкой смеси  основано на различной летучести  веществ. При ректификации исходная смесь делится на две части: дистиллят - смесь, обогащенную низкокипящим компонентом, и кубовый остаток - смесь, обогащенную  высококипящим компонентом.

Процесс ректификации осуществляется в ректификационной установке основным аппаратом которой является ректификационная колонна, в которой пары перегоняемой жидкости поднимаются снизу, а навстречу  парам стекает жидкость, подаваемая в виде флегмы в верхнею часть  аппарата.

Процесс ректификации может  протекать при атмосферном давлении, а также при давлениях выше или ниже атмосферного. Под вакуумом ректификацию проводят, когда разделению подлежат высококипящие жидкие смеси. Повышенное давление применяют для  разделения смесей, находящихся в  газообразном состоянии при более  низком давлении. Атмосферное давление принимают при разделении смесей, имеющих температуру кипения  от 30 до 150^°С.

Степень разделения смеси  жидкостей на составляющие компоненты и чистота получаемого дистиллята и кубового остатка зависят от того, насколько развита поверхность  контакта фаз, от количества подаваемой на орошение флегмы и устройства ректификационной колонны.

В промышленности применяют  тарельчатые, насадочные, пленочные  трубчатые и центробежные пленочные  аппараты. Они различаются в основном конструкцией внутреннего устройства аппарата.

Тарельчатые контактные устройства, в ректификационной колонне, подразделяются на: колпачковые, ситчатые, клапанные, решетчатые, провальные и т.п.

Преимущественное использование  тарельчатых колонн в процессах  ректификации объясняется их значительно  большей производительностью по сравнению с насадочными.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Технологическая схема и ее описание

 

Рис. 1 - Принципиальная схема ректификационной установки

1 – емкость для исходной смеси; 2 – подогреватель; 3 – колонна;

4 – кипятильник; 5 – дефлегматор; 6 – делитель флегмы; 7 – холодильник; 8 – сборник дистиллята; 9 – сборник кубового остатка.

 

Исходную смесь из емкости 1 центробежным насосом подают в теплообменник 2, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 3, где состав жидкости равен составу исходной смеси x_F . Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава х_Р, получаемой в дефлегматоре 5путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7и направляется в емкость 8. Из кубовой части колонны насосом непрерывно выводится кубовая жидкость – продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в емкость 9.

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

 

Технологический расчет

Материальный  баланс процесса

Составляем материальный баланс для определения количеств  и состава веществ, участвующих  в процессах ректификации.

Материальный баланс колонны, обогреваемой паром:

,

где L—производительность установки по исходной смеси, D –производительность установки по дистилляту, R— производительность установки по кубовому остатку.

Материальный баланс для  НК:

,

где  х_F,  x_Д,  х_W— массовая доля легколетучего компонента в исходной смеси, дистилляте, кубовом остатке соответственно.  Откуда

D=L(x_L-x_R)/(x_D-x_R)=15000(0,5-0,02)/(0,95-0,02)=7741,9 кг/час;

R=L(x_L-x_D)/(x_R-x_D)=15000(0,95-0,5)/(0,95-0,02)=7258,06 кг/час.

Для дальнейших расчётов выразим  концентрации исходной смеси, дистиллята и кубового остатка в мольных  долях:

1),

где - молекулярная масса метанола кг/кмоль), - молекулярная масса воды (М_воды=18 кг/кмоль).

 

2)

3)

 

Определение минимального флегмового числа

Для определения минимального флегмового числа строим кривую равновесия, предварительно выполнив расчет равновесного состава жидкости и пара смеси  метанол—вода.

Таблица 1.  Равновесный  состав жидкости и пара смеси метиловый  спирт—вода.

По данным табл. 1 построим диаграмму равновесия x,y:

Рис. 2  Диаграмма равновесия между паром (у) и жидкостью (х) при постоянном давлении.

Минимальное флегмовое число

 

Рабочее флегмовое число  R

,

где β – коэффициент  избытка флегмы (берем произвольно)

;  ;

;  .

                  

Рассчитаем число B:

;                   ;

;                 .

                 

Построим диаграммы равновесия x,y. На диаграммах отложим значения В, затем построим рабочие линии укрепляющей и исчерпывающей части колонны и нанесем линии обозначающие теоретические тарелки. По количеству пиков, определим число теоретических тарелок (N_т).

Рис. 3 - Диаграмма равновесия между  паром (х) и жидкостью (у) при флегмовом числе R₁=0,9.

 

Рис. 4 - Диаграмма равновесия между  паром (х) и жидкостью (у) при флегмовом числе R₂=1,07.

 

Рис. 5 - Диаграмма равновесия между  паром (х) и жидкостью (у) при флегмовом числеR₃=1,25.

 

Рис. 6 - Диаграмма равновесия между  паром (х) и жидкостью (у) при флегмовом числеR₄=1,29.

Рис. 7 - Диаграмма равновесия между паром (х) и жидкостью (у) при флегмовом числе R₅=1,36.

 

Рис. 8 - Диаграмма равновесия между паром (х) и жидкостью (у) при флегмовом числе R6=1,44.

 

 

Полученное количество теоретических  тарелок занесем в табл. 2:

Таб. 2 – Данные для нахождения R_опт

B 1,25 1,5 1,75 1,8 1,9 2 R 0,9 1,07 1,25 1,29 1,36 1,44 Nm 12 10 8 9 9 9 Nm*(R+1) 22,78 20,78 18,06 20,64 21,29 21,93 OB 0,48 0,43 0,4 0,39 0,38 0,37

где – минимальное произведение, пропорциональное объему ректификационной колонны (– число ступеней изменения концентраций или теоретических тарелок, а – расход паров).

По данным табл. 2 построим график зависимости:

 

 

 

 

 

Рис. 9 – График зависимости N_тот N_т·(R-1)

 

Из рис. 7 находим, что R_опт=1,25. Итак, число теоретических тарелок в верху колонны n=2, внизу m=6.

Определение давления в колонне

          В данной работе в верхнем  продукте содержится 97,4% (мольных)  метанола, поэтому температура кипения  такой смеси будет незначительно  отличаться от температуры кипения  чистого метанола, которая при  атмосферном давлении составляет 64,8⁰С. В этом случае в дефлегматоре для конденсации паров, поступающих с верха колонны, можно использовать воду. При этом нет необходимости значительно повышать давление в колонне по сравнению с атмосферным. В то же время температура кипения смеси в кубе колонны не может значительно отличаться от температуры кипения высококипящего  компонента – воды, так как содержание воды в кубовом продукте составляет 99,15%  (мольных). 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 атмосферному, обеспечиваются  приемлемые значения температур  верха и куба колонны, целесообразно  принять давление наверху колонны  π_в несколько больше атмосферного для преодоления гидравлических сопротивлений в шлемовой трубе и дефлегматоре.

          Принимаем давление верха колонны   π_Д=112 кПа; число реальных тарелок в верхней части колонны n=8, в нижней части колонны m=8;  гидравлическое сопротивление тарелок в верхней части ΔР_в=350 Па, в нижней части ΔР_в=520 Па. Тогда давление в зоне питания π_з.п. и нижней части колонны π_н :

π_з.п= 112 + 9∙0,35 = 115,1 кПа;

π_н = 115,1 + 9∙0,52 = 119,78 кПа.

Средние давленияв верхней  и нижней частях колонны:

π_ср.^в=(π_з.п+π_Д)/2=(115,1+112)/2=113,55 кПа;

π_ср.^н=(π_з.п+π_н)/2=(115,1+119,78)/2=117,44 кПа.

Определение температурного режима в колонне

          Давления вверху и внизу колонны  отличаются от давления в зоне  питания незначительно, поэтому  по изобарным температурным кривым  кипения и конденсации с достаточной  точностью можно определить температуры  в зоне питания t_L, наверху t_Dи в кубе t_Rколонны (см. рис. 8).

Рис.8. Изобарные температурные  кривые кипения и конденсации  смеси метанол-вода

          Так как сырье поступает при  температуре кипения (е=0), для  нахождения температуры t_Lдостаточно из точки с абциссойx_L=0,36, соответствующей мольной доле НКК в сырье, восстановить перпендикуляр до пересечения с изобарной температурной кривой кипения. Температура в зоне питания составляет t_L=81,7⁰С. Аналогично определяется температура в кубе колонны t_R=99,2⁰С. Для определения температуры паров наверху колонны t_D из точки с абциссойx_D, соответствующей мольной доле НКК в дистилляте, восстанавливается перпендикуляр до пересечения с изобарной температурной кривой конденсации. Температура наверху колонны составляет t_D = 70,9⁰С.

          Средние температуры низа и  верха колонны составляют:

t_в= (t_D+t_L)/2 = (70,9+81,7)/2=76,3⁰С;

t_н= (t_R+t_L)/2 = (99,2+81,7)/2=90,45⁰С.

Средние массовые расходы по жидкости и пару

Т.к доля отгона е=0,паровой поток G0,вносимый с сырьем равен 0.

Жидкий поток, вносимый в  колонну с сырьем g0=GF=15000(кг/ч)

Массовый расход пара Gв в верху колонны:

 

Т.к сырье поступает в жидкой фазе,Gm=G=Gв=17419(кг/ч)

Массовый расход флегмы, поступающей в зону питания:

 

_{Массовый расход  флегмы, поступающей  в нижнюю часть колонны:}

 

_{Массовая концентрация нкк, поступающего на нижнюю тарелку, определяется соотношением:}

 

_{где ,}

_{Массовая  концентрация нкк  в паровом потоке, поднимающемся с  последней тарелки  нижней части колонны  в зоне питания:}

 

_{Массовая  концентрация нкк  в паровом потоке, покидающем зону питания:}

 

 

 

 

 

 

Тепловой баланс колонны

          Принимаем температуру холодного  испаряющего орошения t_x=40⁰С. Теплофизические свойства воды и метилового спирта представлены в табл.3.

Тепловой поток, отводимый  водой в дефлегматоре, рассчитывается по уравнению 

Q_Д=G_B[r_D+ c_D(t_D– t_x)],

где r_D - теплота конденсации паров, поступающих в дефлегматор;c_D – теплоемкость жидкого дистиллята (флегмы);t_D,t_x – температуры верха колонны и флегмы, поступающей на орошение.

          При этом средние значения  удельной теплоты испарения r_Dи удельной теплоемкости c_Dнаходятся по правилу аддитивности:

r_D=0,05∙2345,2+0,95∙1097,9 =1159,73кДж/кг;

c_D=0,05∙4,18+0,95∙2,719 = 2,79 кДж/(кг∙К);

Q_Д=17419,28[1159,73+ 2,79(70,9– 40)]/3600 = 6029,03 кВт.

          Энтальпии сырья i_L, дистиллята i_D, кубовой жидкости i_R определяются по правилу аддитивности при соответствующей температуре: