Расчет ректификационной колонны (ацетон-бензол)

Подождите немного. Документ загружается.

Изм. Лист № докум. Подпис

Дата

Лист

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 5

1 Материальный баланс внешних потоков колонны 11

2 Построение кривой равновесия фаз в координатах х-у 15

3 Построение изобарных температурных кривых в координатах t –x,y 18

4 Построение рабочих линий для верхней и нижней части колонны, линии

сырья на диаграмме х-у 19

5 Расчет однократного испарения сырья при вводе его в колонну 22

6 Расчет внутренних материальных потоков 23

7 Схема блока колонны с указанием внешних и внутренних потоков 25

8 Определение скорости пара и диаметра колонны 26

9 Определение и сравнение КПД колпачковых и ситчатых тарелок для

выбранного диаметра колонны. Выбор типа тарелки 29

10 Определение действительного числа тарелок и высоты колонны 31

11 Принципиальная схема колонны с указанием габаритных размеров 33

12 Расчет диаметра штуцеров для ввода сырья и вывода дистиллята и

кубового остатка 34

13 Построение энтальпийной диаграммы 39

14 Представление материально-теплового баланса колонны на

энтальпийной диаграмме 41

15 Тепловой расчет блока графическим и численным методом 42

16 Определение расхода греющего пара в кипятильнике 44

17 Определение расхода охлаждающей воды в дефлегматоре 45

Вывод 47

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 48

Приложения 49

Изм. Лист № докум. Подпис

Дата

Лист

Введение

Ректификация – диффузионный процесс разделения жидких смесей

взаимно растворимых компонентов, различающихся по температурам кипения,

который осуществляется путем противоточного, многократного

контактирования неравновесных паровой и жидкой фаз.

При ректификации взаимодействуют две фазы — жидкая и паро-

газовая, между которыми осуществляется многократный противоточный

тесный контакт на специальных устройствах (тарелках или насадке) различной

конструкции. Благодаря тесному контакту между жидкой и парогазовой

фазами молекулы из одной фазы переходят в другую.

Может наступить такой момент, когда количество молекул, переходящих

из одной фазы в другую за единицу времени, станет равным числу молекул,

возвращающихся в данную фазу. Тогда состав фаз останется неизменным.

Такое состояние фаз называется равновесным и устанавливается оно только

при условии равенства температур и давлений жидкости и пара. Для

нарушения состояния равновесия необходимо изменить в системе либо

давление, либо температуру, либо состав фаз.

Совокупность веществ, находящихся в каждом отдельном аппарате,

называется системой. Различают системы гомогенные (однородные) и

гетерогенные (разнородные).

Гомогенной называется такая система, которая на всем своем протяжении

(во всем объеме) не имеет поверхностей раздела и в каждой своей части

обладает идентичными физическими свойствами и химическим составом.

Гетерогенной называется система, состоящая из частей, обладающих

различными физическими и, возможно, различными химическими свойствами,

причем эти части отделены друг от друга ограничивающими поверхностями.

Гетерогенная система состоит из частей, каждая из которых является

гомогенной и отделена от остальных частей ограничивающими

Изм. Лист № докум. Подпис

Дата

Лист

поверхностями. Эти гомогенные физически различные и механически

отделимые части называются фазами.

В ректификационной колонне имеются две фазы — жидкие

нефтепродукты и их пары (иногда вместе с водяным паром). Фаза должна быть

физически и химически гомогенной, но не обязательно химически простой.

Компоненты — химически индивидуальные вещества, входящие в состав

системы.

Процесс ректификации осуществляется в аппаратах колонного типа, где

на тарелках различной конструкции или насадке происходит многократный

контакт между противоточно движущимися парами, выделяющимися при

испарении перерабатываемого сырья, и жидкостью, получающейся при

конденсации паров.

Интенсивное взаимодействие на тарелке колонны между восходящими

парами и нисходящей жидкостью, которые неравновесны, приводит к тому,

что потоки обмениваются веществом и теплом. В результате этого

взаимодействия в системе происходит перераспределение компонентов между

фазами, пары частично конденсируются, а жидкость частично испаряется,

причем из паров конденсируются преимущественно ВКК, а из жидкости

испаряется в основном НКК, таким образом, стекающая жидкость обогащается

ВКК, а восходящие пары обогащаются НКК.

Такой контакт между фазами может привести парожидкую систему в

состояние равновесия, т. е. установятся равновесные значения составов фаз и

прекратится процесс их взаимодействия (идеальный контакт; теоретическая

тарелка). Фактически система не достигает равновесного состояния. Пары и

жидкость отделяются друг от друга и далее снова контактируются на

последующих тарелках с другими неравновесными жидкими и паровыми

потоками.

Повторяя многократно контактирование восходящего потока паров в

колонне с нисходящей жидкостью непрерывно на насадке, либо ступенчато на

тарелках, можно достичь существенного изменения составов

Изм. Лист № докум. Подпис

Дата

Лист

взаимодействующих фаз, в результате выходящие из колонны пары доводятся

до желаемой концентрации НКК (почти чистый НКК), а жидкость, отводимая

из нижней части колонны, состоит преимущественно из ВКК.

Пары с верха колонны поступают в конденсатор, где они конденсируются;

часть конденсата возвращается на верх колонны в качестве орошения для

создания нисходящего потока жидкости в колонне Такое орошение колонны

называется холодным или острым.

Нисходящий поток жидкости в колонне можно создать также путем

отнятия определенного количества тепла на верху колонны и конденсации

части паров над первой тарелкой колонны в специальном (парциальном)

конденсаторе: такое орошение колонны называется горячим.

Насадочные колонны, т. е. ректификационные колонны, заполненные

насадкой, эффективны в тех случаях, когда скорость паров в колонне относи-

тельно постоянна, а объемы разделяемых сред невелики. На НПЗ они часто

применяются в качестве абсорберов для очистки газа.

Тарельчатые ректификационные колонны широко распространены на

НПЗ. Существуют ректификационные тарелки барботажного и струнного типа.

В свою очередь, барботажные тарелки делятся на тарелки с переливами

(желобчатые, туннельные, колпачковые, с S-образными элементами,

клапанные) и без переливов (решетчатые, ситчатые с отбойными элементами).

Все контактные устройства подразделяются на три типа: насадочные,

роторные и тарельчатые. По направлению движения контактирующих фаз

тарельчатые контактные устройства разделяются на противоточные

(решетчатые, ситчатые, волнистые), перекрестноточные (колпачковые, S-

образные, клапанные и т.д.), перекрестно-прямоточные (струйные, клапанные

прямоточные, клапанные балластные) и прямоточные (пленочные, вихревые,

центробежные ит.д).

Желобчатые тарелки просты по конструкции, легко монтируются, однако

имеют малую площадь барботажа (до 30% от площади тарелки), что

способствует увеличению скорости паров и уносу флегмы.

Изм. Лист № докум. Подпис

Дата

Лист

Тарелки с S-образными элементами применяются в колоннах, рабо-

тающих при атмосферном и повышенном давлениях; для них характерна

устойчивая работа при изменении нагрузок.

Достоинством клапанных тарелок является динамический, переменный

режим работы. Подвижные клапаны в зависимости от паровой нагрузки под-

нимаются и опускаются, регулируя площадь свободного сечения тарелки.

Вследствие этого в широком пределе нагрузок скорость паров е отверстиях

тарелки существенно не меняется.

У решетчатых тарелок контакт между паром и жидкостью происходит на

поверхности полотна тарелки; эти тарелки очень чувствительны к колебаниям

нагрузок по пару и жидкости.

Ситчатые с отбойными элементами тарелки используются в вакуумных

колоннах, для которых характерны большие нагрузки по пару и малые — по

жидкости. Достоинство ситчатых тарелок с отбойными элементами — низкое

гидравлическое сопротивление.

Изм. Лист № докум. Подпис

Дата

Лист

Исходные данные:

Бинарная смесь (НКК-ВКК) – ацетон-бензол;

Давление в колонне – 1 ата;

Расход исходной смеси – 6 т/ч;

Массовая доля НКК:

- в сырье

=0,444;

- в дистилляте

=0,93;

- в остатке

=0,033;

Массовая доля отгона при вводе сырья в колонну е=0,38;

Давление насыщенного водяного пара в кипятильнике – 0,4 МПа;

Температура охлажденной воды:

= 15°C;

= 35°C;

Формула

Ацетон - СН

СОСН

Бензол - C

Молекулярный вес:

Ацетон – 58,05

Бензол – 78,05

Удельный вес :

Ацетон – 0,7908

Бензол – 0,87901

Плотность , г/см

Ацетон - 0,789

Бензол – 0,879

Температура кипения:

Ацетон - 56,24 C°

Бензол – 80,103 C°

Коэффициенты Антуана:

Свойства вещества взяты из источника [9].

Изм. Лист № докум. Подпис

Дата

Лист

Ацетон:

А – 7,2506

В – 1281,7

С - 237,088

Бензол:

А – 6,9121

В – 1214,645

С – 221,205

Изм. Лист № докум. Подпис

Дата

Лист

1 Материальный баланс внешних потоков колонны

Схема полной ректификационной колонны приведена на рисунке 1

Рисунок 1 – Схема полой ректификационной колонны

Материальный баланс для ректификационной колонны можно выразить

следующим образом для всей системы для низкокипящего компонента

(ацетона):

F = D + W,

F · x

= D · y

+ W · x

= G

+ G

· x

= G

· y

+ G

· x

где G

и F – производительность колонны соответственно в кг/ч и кмоль/ч,

Изм. Лист № докум. Подпис

Дата

Лист

и D – массовые расходы дистиллята соответственно в кг/ч и кмоль/ч,

и W – массовые расходы остатка в кг/ч и кмоль/ч,

и x

– концентрация НКК в сырье мольные и массовые доли,

и y

– концентрация НКК в дистиляте мольные и массовые доли,

и x

– концентрация НКК в остатке мольные и массовые доли,

Произведем перевод в мольные доли

452.0

05,78/)38.01(05,58/38.0

05,58/38.0

/)1(/











ВККFHKKF

HKKF

МxMx

947.0

05,78/)93.01(05,58/93.0

05,58/93.0

/)1(/











ВККDHKKD

HKKD

МyMy

044.0

05,78/)033.01(05,58/033.0

05,58/033.0

/)1(/











ВККWHKKW

HKKW

МxMx

где

WWDDF

yxxyx  ,,

- массовые доли (даны в задании).

Для перевода единицы измерения кг/ч в кмоль/ч рассчитаем средние

молярные массы сырья M

, дистиллята M

и остатка M

= M

нкк

· x

+ M

вкк

· (1 - x

) = 58,05 · 0,452 + 78,05 · (1 – 0,452) = 69,01

кг/кмоль,

= M

нкк

· y

+ M

вкк

· (1 - y

) = 58,05 · 0,947 + 78,05 · (1 – 0,947) = 59,11 кг/

кмоль,

= M

нкк

· x

+ M

вкк

· (1 - x

) =58,05 · 0,044 + 78,05 · (1 – 0,044) = 77,17

кг/кмоль.

Рассчитаем производительность ректификационной колонны в кмоль/ч

F = G

/ M

= 6000 / 69,01 = 86,944 кмоль/ч.

Найдем массовые и мольные расходы ацетона F'

, F

и бензола F'

, F

сырье

Изм. Лист № докум. Подпис

Дата

Лист

FА

= G

= 6000 · 0,38 = 2280 кг/ч,

= F · x

= 86,944 · 0,452 = 39,3 кмоль/ч,

FБ

= G

· (1-

) =6000 · (1- 0,38)= 3720 кг/ч,

= F·(1-x

)= 86,944 · (1- 0,452)= 47,65 кмоль/ч.

Составим систему уравнений:

F = G

+ G

= G

+ G

6 = G

+ G

6 · 0,38 = 2,28 = G

· 0,93

+ G

· 0,033.

Выразим D через первое уравнение и подставим во второе:

= 6 – G

2,28 = (6 – G

) · 0,93

+ G

· 0,033,

2,28 = 5,58 – 0,93 · G

+ G

· 0,033 ,

3,3 = 0,897· G

= 3,679 т/ч,

= 6 – 3,679 = 2,321 т/ч.

Произведем перевод в мольные доли:

D = G

= 2321 / 59,11= 39,266 кмоль/ч,

DА

= G

∙

= 2321 ∙ 0,93 = 2158,53 кг/ч,

= D ∙ y

= 39,266 ∙ 0,947 = 37,2 кмоль/ч,

DБ

= G

– G

DА

= 2321 – 2158,53 = 162,47 кг/ч,

= D - D

= 39,266 – 37,2 = 2,066 кмоль/ч,

W = G

/ M

= 3679 / 77,17 = 47,674 кмоль/ч,