Рудов Г.Я., Баранов Д.А. - Расчет тарельчатой ректификационной колонны

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ

РАСЧЕТ ТАРЕЛЬЧАТОЙ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ

Москва-1998

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНОЙ ЭКОЛОГИИ

Кафедра «Процессы и аппараты химической технологии»

РАСЧЕТ ТАРЕЛЬЧАТОЙ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ

Методические указания

Допущено редакционно-издательским советом Составители: Г.Я.Рудов, ДА.Баранов

У ДК 66.011

Расчет тарельчатой ректификационной колонны:

Методические указания/Сост.: Г.Я.Рудов, Д.А.Баранов; М.:

МГУИЭ.- 1998. - 52 с., ил. 18.

Рассмотрены процесс непрерывной ректификации бинарной смеси и графоаналитический метод расчета тарельчатой ректификационной колонны.

Методические указания предназначены студентам, обучающимся по курсу «Процессы и аппараты химической технологии» дневных и вечернего факультетов, для выполнения домашних заданий и курсовых проектов.

Рецензенты:

кафедра «Машины и аппараты химических и пищевых производств» Дзержинского филиала . Нижегородского государственного технического университета;

д.т.н., проф. ЛЛ.Холпанов, ИНХП РАН

© Г.Я.Рудов, ДА.Баранов, 1998. ©МГУИЭ, 1998.

1. ВВЕДЕНИЕ

Процесс ректификации в тарельчатой колонне описывает система нелинейных алгебраических уравнений, включающая в себя потарельчатые и покомпонентные уравнения материальных и тепловых балансов, равновесия и массопередачи. Решение такой системы уравнений при выполнении расчета ректификационной колонны возможно только аналитическим путем на основе метода постепенных приближений и, вследствие большого объема вычислений, может быть реализовано только на ЭВМ.

Машинные методы расчета многокомпонентных и бинарных смесей являются основными методами, которые используют в настоящее время в расчетной практике.

Для бинарной смеси аналитический метод расчета при введении ряда допущений может быть существенно упрощен и трансформирован в графоаналитический, который значительно уступает в точности методам машинного расчета, но имеет большое познавательное значение. Этот метод позволяет представить промежуточные результаты расчета на наглядных диаграммах и графиках, что помогает глубже понять закономерности процесса ректификации.

Целью настоящих методических указаний является ознакомление студентов с основами процесса ректификации и его аппаратурного оформления применительно к графоаналитическому методу кинетического расчета тарельчатого ректификационного аппарата для разделения бинарной смеси.

2. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Ректификацией называется процесс разделения однородных смесей на составляющие вещества или группы составляющих веществ путем взаимодействия пара и жидкости, не находящихся в термодинамическом равновесии. При взаимодействии пара и жидкости одна группа веществ, составляющих смесь, переходит преимущественно в пар (легколетучие компоненты), а другая - в жидкость (высококипящие компоненты). Таким образом, в процессе ректификации происходит перенос вещества из фазы в фазу, что позволяет относить процесс ректификации к группе массообменных процессов. Создание парового и жидкостного потоков, контактирующих между собой, осуществляется в ректификационных установках. Одна из возможных схем ректификационных установок непрерывного действия приведена на рис.1.

Исходная смесь в виде жидкости при температуре кипения подается в среднюю часть (питающую секцию) ректификационной колонны 3 и стекает в нижнюю часть, называемую кубом, откуда частично отводится в виде готового продукта, называемого (кубовый остаток), и поступает в испаритель 1. Образовавшиеся в испарителе пары возвращаются в колонну и движутся навстречу жидкостному потоку вверх по колонне. Из верхней части колонны пары поступают в дефлегматор 2, где полностью конденсируются. Образовавшаяся жидкость частично в виде готового продукта, называемого дистиллятом, отводится из установки и возвращается в ректификационную колонну. Возвращаемая в колонну жидкость называется флегмой. Флегма подается на орошение колонны и стекает вниз, навстречу паровому потоку, в питающей секции смешивается с исходной смесью и сливается в куб колонны.

Место ввода исходной смеси в ректификационную колонну делит колонну на две части: верхнюю (укрепляющую) и нижнюю (исчерпывающую).

Исходную смесь можно подавать в колонну в виде жидкости при температуре кипения или ниже, а также в виде влажного, насыщенного или перегретого пара.

В зависимости от состояния исходной смеси и ее состава, составов получаемых продуктов, способа конденсации паров и числа вводов и выводов продуктов по высоте колонны схема ректификационной установки может существенно изменяться. Так существуют ректификационные установки, в состав которых входят ректификационные колонны, не имеющие либо укрепляющей, либо исчерпывающей части, колонны, позволяющие производить отбор нескольких продуктов по высоте колонны (сложные колонны), а также многоколонные ректификационные установки.

Рис 1. Схема ректификационной колонны непрерывного действия

Обычно в состав ректификационных установок включают дополнительное оборудование, предназначенное для хранения исходной смеси, дистиллята и кубового остатка, перекачки ЭТИХ продуктов, нагревания или охлаждения.

Ректификационная колонна представляет собой цилиндрический аппарат, внутри которого смонтированы контактные устройства той или иной конструкции. В зависимости от типа контактных устройств ректификационные колонны делят на пленочные, насадочные и тарельчатые.

Тарельчатые ректификационные колонны наиболее широко применяют в заводской практике. Они имеют высокую разделительную способность, устойчиво работают при значительных колебаниях нагрузок по жидкости и пару, допускают создание аппаратов большого диаметра.

Смеси, разделяемые ректификацией, состоят из нескольких веществ (многокомпонентные смеси), в простейшем случае из двух (бинарные смеси).

Анализ процесса ректификации и расчеты ректификационных колонн многокомпонентных и бинарных смесей базируются на общих физико-химических закономерностях, однако в простейшем случае (бинарные смеси) анализ и расчет существенно упрощаются и могут быть выполнены на основе наглядных графоаналитических методов.

Обычно при анализе и расчете процесса ректификации применяют следующие допущения:

1. Молярные потоки жидкости и пара на участке колонны между вводом и выводами продукта остаются неизменными.

2. Состав жидкости, стекающей в куб колонны, равен составу пара, поднимающегося из куба.

3. Состав пара, поступающего из колонны в дефлегматор, равен составу жидкости, стекающей из дефлегматора в колонну.

Целью проектного расчета ректификационной колонны для разделения бинарной смеси является определение диаметра колонны, числа контактных устройств в укрепляющей и исчерпывающей частях колонны, высоты колонны, гидравлического сопротивления тарелки и колонны в целом при заданных составах исходной смеси, дистиллята и кубового остатка, расхода исходной смеси и давления в колонне [1,2].

3. РАВНОВЕСИЕ В СИСТЕМАХ ПАР-ЖИДКОСТЬ [3]

Связь между равновесными концентрациями жидкости и пара для правильных (идеальных) растворов устанавливается на основании законов Рауля и Дальтона. Для бинарной смеси, состоящей из компонентов А и В, по закону Рауля можно записать:

ра = РдХ для компонента А (1)

Рв ⁼ Рв(1-х) для компонента В (2)

По закону Дальтона:

ра = Ру для компонента А, (3)

где ра и рв - парциальное давление компонента А и В соответственно в паровой фазе над раствором;

ра и Рв - давление (упругость) паров чистого компонента А и В соответственно при температуре смеси;

Р - общее давление;

х, у - молярная доля компонента А в жидкой и паровой

фазе соответственно. Из уравнений (1) и (3) получим

Р х

^T^

Р

так как Р-рд + рв ⁼ pax + РвОО ⁼ Рв + (ра + Рв)х, то Р^х

^у- Р,+(Р^Р,)Х'

Если ввести обозначение Рд/Рв ⁼⁼ ос, где а - коэффициент относительной летучести, то

ах

(4)

1 + (а - 1)х В уравнении (4) у и х - содержание компонента в паровой и жидкой фазах при равновесии. В дальнейшем изложении концентрацию в паровой фазе, удовлетворяющую уравнению (4), будем обозначать через у*.

* Дополнительная литература, рекомендуемая при работе с данным разделом.

В практике ректификации идеальные растворы встречаются редко. Большинство смесей в значительной степени отклоняются от "идеальности", поэтому данные по равновесию получают экспериментальным путем. Как правило, в справочной литературе данные по равновесию приводят в виде таблиц, в которых указывают попарные значения концентраций жидкости и пара в состоянии равновесия и температуру кипения смеси. На основании этих данных по равновесию могут быть построены графики:

1. Изобары равновесных составов, называемой кривой равновесия, (рис.2) (уравнение (4), которая позволяет определить состав пара у*, равновесный данному составу жидкости х.

2. Изобары температур кипения и конденсации (рис.3), которые позволяют определить температуру кипения жидкости заданного состава и температуру конденсации пара заданного состава. По этой диаграмме также можно найти равновесные составы пара и жидкости по схеме, указанной на рис.3.

4. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС [1,2,5,9]

Материальный баланс для всей ректификационной установки может быть представлен двумя уравнениями:

по всему продукту Gf= Gp+Gw (5) по легколетучему компоненту GfXf == GpXp + G^x^, (6) где Gf - молярный расход исходной смеси, подаваемой на разделение в колонну, (кг-моль)/ч;

Gw - молярный расход кубового остатка, отбираемого из колонны, (кг-моль)/ч;

Xf, Xp, Xw - содержание легколетучего компонента в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке соответственно в мольных долях.

По уравнениям (5) и (6) определяют расход дистиллята и кубового остатка при известном расходе исходной смеси и содержании легколетучего компонента в исходной смеси,

8

9

Рис.2. График зависимости равновесных концентраций

Рис.3. Изобары температур кипения (1) и конденсации (2)

дистилляте и остатке

(7)

(8)

G^G^——^f~

Уравнения (5)-(8) не изменятся, если вместо молярных расходов использовать массовые расходы, а вместо молярных составов - массовые составы.

Материальный баланс может быть составлен также для укрепляющей и исчерпывающей частей колонны. При составлении этих материальных балансов в силу допущения 1 удобнее пользоваться молярными расходами и молярными составами.

Пересчет массового состава в молярный проводят по формуле

Q

м.

(9)

х =

Q ^-Q'

М, М„

—"•А '"•* В

где х, Q - молярный и массовый состав смеси соответственно;

ма, Мв - молекулярная масса легколетучего и

тяжелокипящего компонентов соответственно. Уравнение рабочей линии для укрепляющей части колонны> Выделим участок укрепляющей части колонны, ограниченный двумя произвольными сечениями 1-1 и Г-Г (см. рис.1) и для этого участка составим материальный баланс. С учетом допущения о постоянстве молярных потоков жидкости и пара по высоте укрепляющей части колонны уравнение материального баланса по легколетучему компоненту для выделенного участка будет

Gy+Lx^Gy'+Lx, (10) где G - молярный расход пара по высоте колонны, (кг'моль)/ч;

L - молярный расход жидкости (флегмы) по высоте укрепляющей части колонны, (кг'моль)/ч;

у, у' - содержание легколетучего компонента в паре в сечениях 1-1 и Г-Г соответственно в мольных долях;

10

х, х' - содержание легколетучего компонента в жидкости в

сечениях 1-1 и Г-Г соответственно в мольных долях. При составлении уравнения (10) в качестве сечения Г-Г удобно выбрать верхнее сечение колонны, для которого в соответствии с исходными допущениями справедливо

/-Ур-Хр-х', (11) где Ур - содержание легколетучего компонента в паре, выходящем

из колонны, в мольных долях.