Исходные данные для расчета

Введение

Процесс ректификации предназначен для разделения смесей на практически чистые компоненты или фракции, различающиеся температурой кипения.

Различают смеси из двух компонентов (бинарные), многокомпонентные и сложные (непрерывные). К сложным смесям относятся нефть и её фракции.

Физическая сущность процесса ректификации заключается в двустороннем массо- и теплообмене между неравновесными потоками пара и жидкости при высокой турбулизации поверхности контактирующих фаз. В результате массообмена пар обогащается низкокипящими, а жидкость – высококипящими компонентами. При определенном числе контактов можно получить пары, состоящие в основном из низкокипящих, а жидкость – из высоко кипящих компонентов.

На практике ректификация, как и всякий диффузионный процесс, осуществляется в противотоке пара и жидкости, что обеспечивает различие температур и неравновесность составов встречных потоков. Жидкое орошение при ректификации паров создаётся путем конденсации части парового потока в верхней части колонны, а паровое орошение при ректификации жидкости – путём испарения части жидкости в нижней части колонны.

Процесс ректификации проводят в аппаратах, технологическая схема которых зависит от назначения аппарата и давления в нём, а конструкция – от способа организации контакта фаз.

В зависимости от применяемого давления, аппараты подразделяются на вакуумные, атмосферные и работающие под давлением.

В зависимости от внутреннего устройства различают аппараты тарельчатые, насадочные, плёночные и роторные. В нефтяной, нефтехимической и газовой промышленностях в настоящее время наиболее широко распространены тарельчатые и насадочные колонны.

Наиболее простое конструктивное оформление ректификационных аппаратов достигается при движении жидкости от одной ступени контакта к другой под действием силы тяжести. В этом случае контактные устройства (тарелки) располагаются одно под другим, и разделительный аппарат выполняется в виде вертикальной колонны.

При ступенчатом осуществлении процесса ректификации в колонных аппаратах контакт пара и жидкости может происходить в противотоке (например, на тарелках провального типа), в перекрёстном токе (например, на колпачковых тарелках) и в прямотоке (например, на струйных тарелках). Разделительный эффект аналогичный многоступенчатому противоточному каскаду, достигается также путём непрерывного контакта фаз при движении их противотоком в слое насадки, т.е. насадочных ректификационных колоннах.

В настоящем методическом указании приведён пример расчёта полной ректификационной колонны для разделения бинарной смеси с тарельчатыми контактными устройствами.

Такая колонна имеет один сырьевой поток, два продуктовых потока, один теплоподвод и один теплосъём по концам аппарата.

Сырьё в виде пара, жидкости или парожидкостной смеси подаётся в среднюю часть колонны.

В работающей ректификационной колонне через каждую тарелку проходят четыре потока: жидкость – флегма, стекающая с вышележащей тарелки; пары, поступающие с нижележащей тарелки; жидкость – флегма, уходящая на нижележащую тарелку; пары, поднимающиеся на вышележащую тарелку.

Пары и жидкость, поступающие на тарелку, не находятся в состоянии равновесия, однако, вступая в соприкосновение, стремятся к этому состоянию. Жидкий поток с вышележащей тарелки поступает в зону более высокой температуры, и поэтому из него испаряется некоторое количество низкокипящего компонента, в результате чего концентрация последнего в жидкости уменьшается. С другой стороны, паровой поток, поступающий с нижележащей тарелки, попадает в зону более низкой температуры, и часть высококипящего компонента из этого потока конденсируется, переходя в жидкость. Концентрация высококипящего компонента в парах, таким образом, понижается, а низкокипящего – повышается. В результате таких процессов однократного испарения и конденсации, происходящих на каждой тарелке ректификационной колонны, фракционный состав паров и жидкости по высоте колонны непрерывно изменяется.

Часть ректификационной колонны, которая расположена выше ввода сырья, называется концентрационной или укрепляющей, а ниже – отгонной или исчерпывающей. В обеих частях колонны происходит один и тот же процесс ректификации. С верха концентрационной части в паровой фазе выводится целевой продукт необходимой чистоты – ректификат, а с низа – жидкость ещё в заметной степени обогащённая низкокипящим компонентом. В отгонной части из этой жидкости окончательно отпаривается низкокипящий компонент. В виде жидкости с низа этой части колонны выводится второй целевой продукт – остаток.

При подаче сырья в колонну в паровой или жидкой фазах нижняя тарелка концентрационной или соответственно верхняя тарелка отгонной части колонны называется тарелкой питания. При паро-жидкостном состоянии сырья обе указанные тарелки называются тарелками питания.

Для нормальной работы ректификационной колонны необходимо, чтобы с верха колонны на нижележащие тарелки непрерывно стекала жидкость – флегма. Поэтому часть готового продукта – ректификата после конденсации возвращается на верхнюю тарелку колонны в виде так называемого орошения. С другой стороны, для нормальной работы колонны необходимо также, чтобы с низа колонны вверх непрерывно поднимались пары. Для создания парового потока в колонне, часть уходящего из колонны остатка подогревается, испаряется и возвращается обратно в колонну.

Таким образом, технологическая схема установки с полной ректификационной колонной должна иметь для создания жидкостного и парового орошения конденсатор и кипятильник (рис.1).

 

2

 

3

 

 

1

 

 

 

Рис. 1. Технологическая схема установки с полной ректификационной колонной.

F – сырьё; D – дистиллят; R – остаток;

1 – ректификационная колонна; 2 – конденсатор – холодильник; 3 – ёмкость орошения; 4 – кипятильник.

 

 

Исходные данные для расчета

Выполнить расчёт тарельчатой ректификационной колонны непрерывного действия для разделения смеси бензол – толуол при следующих исходных данных:

- содержание бензола в исходном сырье 50% масс., в дистилляте – 95% масс., в остатке – 3% масс.;

- сырьё подаётся в колонну в паро-жидкостном состоянии при массовой доле отгона е = 0,3;

- производительность колонны 10000 кг/час;

- тип тарелки – клапанная.

Целью расчёта колонны при заданной производительности и чёткости разделения является определение технологического режима, основных размеров аппарата и его внутренних устройств. Технологический режим колонны определяется рабочим давлением в аппарате, температурами всех внешних потоков, удельным расходом тепла на частичное испарение остатка, холода на конденсацию паров в верхней части колонны и флегмовым числом. Основными размерами аппарата являются его диаметр и высота, зависящие главным образом от типа контактных устройств и расстояния между ними.

При проведении расчёта колонны его условно разделяют на две части: технологическую, основным содержанием которой является определение технологического режима разделения, и гидравлическую, поскольку основные размеры аппарата определяются на основе гидравлических зависимостей взаимодействия двухфазных потоков пар – жидкость.

 

1. Технологический расчёт

Основой технологического расчёта тарельчатых колонн является термодинамический расчёт процессов разделения, который выполняется на базе понятия о теоретической тарелке. Под теоретической тарелкой понимается такая ступень контакта, на которой осуществляется изменение концентраций фаз от рабочего до равновесного состояния. Термодинамический расчёт позволяет определить максимальную разделяющую способность колонны, поскольку теоретическая тарелка характеризует предельное состояние массообмена при контакте фаз.

Истинное распределение концентраций и потоков по высоте аппарата, оптимальное место ввода питания, количество реальных тарелок и другие показатели, характеризующие работу аппарата, могут быть найдены только при помощи кинетического расчёта, т.е. с учётом реально протекающего процесса массопередачи между газом и жидкостью.

При выполнении технологического расчёта процессов ректификации рекомендуется следующая последовательность расчёта: расчёт материального баланса колонны по внешнему контуру, выбор рабочего давления в колонне, определение флегмового числа и числа теоретических тарелок, составление теплового баланса колонны, определение внутренних материальных потоков в колонне.