Введение
Ректификационная колонна - это цилиндрический вертикальный сосуд постоянного или переменного сечения, оснащенный внутренними тепло- и массообменными устройствами и вспомогательными узлами, предназначенный для разделения жидких смесей на фракции, каждая из которых содержит вещества с близкой температурой кипения.
Классическая колонна представляет собой вертикальный цилиндр, внутри которого располагаются контактные устройства - тарелки или насадки.
Насадки и тарелки, являющиеся контактными устройствами, создают условия для более эффективного (за счет многократного увеличения площади поверхности контакта фаз) взаимодействия пара и жидкости. Контакт потоков газовой и жидкой фаз происходит при термодинамически неравновесных условиях. Процесс массообмена прекратится, в случае если будет достигнуто термодинамическое равновесие.
При эксплуатации колонн задача поддержания нормального режима их работы сводится к поддержанию регламентных значений параметров - температур, давлений, расходов, уровней - как системами автоматического регулирования, так и вручную [5].
1. Теоретическая часть
1.1 Основы процесса ректификации
Исходная смесь, нагретая до температуры питания tf в паровой, парожидкостной или жидкой фазе, поступает в колонну в качестве питания (Gf). Зону, в которую подаётся питание, называют эвапорационной, так как там происходит процесс эвапорации-- однократного отделения пара от жидкости. Пары поднимаются в верхнюю часть колонны, охлаждаются, конденсируются в холодильнике-конденсаторе и подаются обратно на верхнюю тарелку колонны в качестве орошения (флегма). Таким образом, в верхней части колонны (укрепляющей) противотоком движутся пары (снизу-вверх) и стекает жидкость (сверху вниз). Стекая вниз по тарелкам, жидкость обогащается высококипящими компонентами, а пары чем выше поднимаются в верх колонны, тем более обогащаются легкокипящими компонентами. Таким образом, отводимый с верха колонны продукт обогащен легкокипящим компонентом. Продукт, отводимый с верха колонны, называют дистиллятом. Часть дистиллята, сконденсированного в холодильнике и возвращённого обратно в колонну, называют орошением или флегмой. Отношение количества возвращаемой в колонну флегмы и количества отводимого дистиллята называется флегмовым числом.
Для создания восходящего потока паров в кубовой (нижней, отгонной) части ректификационной колонны часть кубовой жидкости направляют в теплообменник, образовавшиеся пары подают обратно под нижнюю тарелку колонны.
Таким образом, в кубе колонны создается 2 потока:
1 поток-- жидкость, стекающая с верха (из зоны питания+орошение).
2 поток-- пары, поднимающиеся с низа колонны.
Кубовая жидкость, стекая сверху вниз по тарелкам, обогащается высококипящим компонентом, а пары обогащаются легкокипящим компонентом.
В случае, если разгоняемый продукт состоит из двух компонентов, конечными продуктами являются дистиллят, выходящий из верхней части колонны, и кубовый остаток (менее летучий компонент в жидком виде, вытекающий из нижней части колонны). Ситуация усложняется, если необходимо разделить смесь, состоящую из большого количества фракций.
Рисунок 1 - Тарельчатая ректификационная колонна [2]
1.2 Классификация ректификационных колонн по назначению
1) Полная (питание в середине)
2) Отгонная (питание сверху вместо флегмы; высокая чистота ВКК)
3) Концентрационная (питание снизу; высокая чистота НКК)
4) Сложная (боковые погоны; возможно использование циркуляционного орошение по высоте колонны)
По способу подвода тепла в колонну:
1) Встроенный теплообменник
2) Выносной теплообменник (с естественной циркуляцией, с принудительной циркуляцией)
По способу отвода тепла из колонны:
1) С применением парциального конденсатора
2) Острого (холодного) орошения (исп. насос)
3) Циркуляционного орошения (исп. насос)
По давлению в колонне:
1) Атмосферные (фракции кипящие 30-150 °С)
2) Вакуумные (для разделения высококипящих)
3) Повышенного давления (применяют, когда разделяемая смесь при атмосферном давлении находится в газообразном состоянии)
По типу контактных устройств:
1) Тарельчатые
2) Насадочные
Основные типы колонн и их элементы
Насадочные аппараты, колонные аппараты, предназначенные для интенсификации тепло- и массообмена и обеспечения однородных гидродинамических условий. С этой целью часть объема насадочных аппаратов заполнена слоями твердых тел различных размеров и формы-неподвижными и подвижными насадками, которые служат для создания развитой поверхностей контакта между взаимодействующими потоками в гетерогенной системах, главным образом газ (пар)- жидкость. [3]
Для предотвращения пристеночного эффекта (растекание от центра к стенкам) и улучшения смачивания насадки ее зачастую укладывают не сплошь на всю высоту, а отдельными слоями (секциями) высотой 1,5-3,0 м и под каждым из них, кроме нижнего, размещают направляющие устройства.
1.2.1 Насадочные колонны
Для работы с загрязненными газами и жидкостями применяют аппараты с подвижной насадкой (фиксируемой опорной и ограничительной решетками), сравнительно легкие элементы которой поддерживаются потоком газа во взвешенном (псевдоожиженном) состоянии.
Аппараты с подвижной насадкой могут функционировать при больших скоростях газа без захлебывания и обеспечивают более высокий коэффициент массопередачи, однако характеризуются большим гидравлическим сопротивлением.
Для эффективной работы насадочных аппаратов насадки должны удовлетворять следующим основным требованиям: иметь большую поверхность, хорошо смачиваться орошающей жидкостью, оказывать малое гидравлическое сопротивление газовому потоку, равномерно распределять орошение, быть стойкими к химическому воздействию газа и жидкости, обладать малой материалоемкостью и высокой механической прочностью, иметь невысокую стоимость. Насадочные тела изготовляют обычно из металлов, стекла, керамики, пластмасс, дерева и загружают в аппараты навалом (нерегулярные насадки) либо укладывают или монтируют в определенном порядке, в частности в жесткую структуру (регулярные насадки).
Элементы нерегулярных насадок выполняют в виде колец, спиралей, роликов, шаров, полусфер, седел и др. Наиболее распространены кольца Рашига, Паля, Лесинга, седла Берля. [3]
Рисунок 2 - кольца Рашига
Регулярные насадки в отличие от нерегулярных характеризуются низким гидравлическим сопротивлением и более высокой пропускной способностью. Простейшая регулярная насадка-хордовая, представляющая собой ряд деревянных брусьев, закрепленных на некотором расстоянии друг от друга. Плоскопараллельная насадка изготовляется в виде набираемых из металлических листов пакетов, обычно устанавливаемых один на другой "крест-накрест".
1.2.2 Тарельчатые колонны
Тарельчатые аппараты, массообменные вертикальные колонные аппараты, снабженные расположенными одна над другой поперечными перегородками, или тарелками, с помощью которых по высоте колонны осуществляется многократный дискретный контакт газа (пара) с жидкостью. Организованное движение фаз на тарелках может быть прямо-, противо- или перекрестноточным, а также смешанным при общем противотоке фаз по колонне (газ либо пар поднимается вверх, жидкость стекает вниз). В зависимости от назначения массообменного в колонном аппарате устанавливают 1-100 тарелок и более.
Разнообразие применяемых тарелок обусловлено предъявляемыми к ним требованиями. К последним относят: обеспечение на их поверхности (плато) соответствующего запаса жидкой фазы (так называемая задержка жидкости); достижение необходимой разделительной способности при изменении нагрузок по газу или жидкости; малое гидравлическое сопротивление газовому потоку; уменьшение числа тарелок; возможность работы аппаратов в адиабатических условиях (например, при ректификации), а также подвода теплоты непосредственно в зону контакта фаз и отвода из нее теплоты (достигается установкой над плато тарелок специальных змеевиков); возможность проводить процесс в вакууме (до 8 Па).
Эффективность тарелок любых конструкций в значит. степени зависит от способов контактирования фаз на их повсти. Различают барботажный и струйный гидродинамич. режимы работы тарелок. В барботажном режиме на тарелках поддерживается слой жидкости (сплошная фаза), через к-рый барботирует восходящий поток газа (дисперсная фаза), распределяясь в жидкости пузырьками. С повышением нагрузок по газу происходит инверсия фаз, при которой в сплошной (газовой) фазе распределена в виде капель и струй дисперсная (жидкая) фаза; такой режим наз. струйным.
Аппараты с барботажными тарелками.
В барботажном режиме работают ситчатые, колпачковые, клапанные, а также провальные тарелки.
Ситчатые тарелки имеют перфорированное плато с диаметром отверстий (щелей) 0,8-20 мм. Для них характерно динамическое взаимодействие газа с жидкостью, при к-ром "провал" отсутствует и реализуется ее переток по плато.
Рисунок 3 - Ситчатая тарелка
Колпачковые тарелки имеют колпачки различной формы, снабженные прорезями в виде зубцов, проходя между которыми, газ (пар) диспергируется, что увеличивает скорость его контакта с жидкостью. Эти тарелки также работают в беспровальном режиме и характеризуются более широким по сравнению с ситчатыми тарелками диапазоном нагрузок по фазам [4].
Рисунок 4 - Колпачковые тарелки
Клапанные тарелки, высота их подъема увеличивается с ростом скорости газа и регулируется специальными ограничителями либо весом клапана.
Рисунок 5 - Подъемный клапан
Провальные тарелки не имеют переливных устройств, их плато перфорировано круглыми, квадратными и другой формы отверстиями диаметром 20-100 мм. Через эти отверстия периодически или одновременно проходит газ и стекает ("проваливается") жидкость.
Струйных тарелки. Прямоточный или перекрестно-прямоточный контакт фаз на них осуществляется путем направленного ввода газа при проходе через ситчатое плато с помощью находящихся на нем чешуек или клапанов, ориентированных в сторону слива, поэтому выходящий из отверстий с высокой скоростью газ дробит жидкость на капли и струи, и газо- жидкостной поток транспортируется над плато тарелок к переливному устройству [6].
Рисунок 6 - Струйная тарелка
2. Технологический расчет
Целью расчета ректификационной установки является определение геометрических размеров ректификационной колонны, ориентировочный расчет пяти теплообменников: куба-испарителя, подогревателя, дефлегматора и двух холодильников (дистиллята и кубового остатка).
Исходные данные: расход исходной смеси 11 кг/с; концентрации (мольные доли) ХD = 0,92, ХF = 0,52, ХW = 0,12; продукты разделения охладить до 21 єС.
Данные о равновесии между жидкостью и паром системы ацетон-уксусная кислота представлены в таблице, где x - мольная доля легколетучего компонента в жидкой фазе; y - мольная доля легколетучего компонента в паровой фазе; t - температура, °С.
Таблица 1. Данные о равновесии между жидкостью и паром
|
x |
y |
t, °С |
|
|
4,2 |
10,8 |
112,1 |
|
|
8,2 |
22,5 |
|
|
|
10,3 |
25,7 |
107,4 |
|
|
12,7 |
31 |
106,1 |
|
|
15,8 |
35,6 |
104,6 |
|
|
19,4 |
43,3 |
101,4 |
|
|
22,6 |
56,4 |
94,3 |
|
|
23,6 |
58 |
92,5 |
|
|
27,1 |
63 |
90,4 |
|
|
29,4 |
66 |
87 |
|
|
30,7 |
70,9 |
86 |
|
|
43,3 |
84,4 |
78,6 |
|
|
55 |
92 |
70,8 |
|
|
66,8 |
96,6 |
65,6 |
|
|
76,1 |
98,1 |
63,6 |
|
|
93,5 |
99,7 |
60,7 |
2.1 Материальный баланс ректификационной колонны
По известному расходу питания колонны исходной смесью и концентрациям, определяем недостающие данные, т. е. производительность по кубовому остатку и дистилляту (GW и GD), на основании уравнений материального баланса:
, (5)
где , , - массовая доля легколетучего компонента в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке соответственно; ?F, ?D, ?W - массовый расход исходной смеси, дистиллята и кубового остатка соответственно.