Mathcad - ситчатая изопропанол-вода

Введдение

Ректификация - один из самых распространенных технологических процессов в химической, нефтяной и других отраслях промышленности. Ректификация - процесс разделения бинарных или многокомпонентных паров, а также жидких смесей на чистые компоненты или их смеси.

Для разделения смесей используют ректификационные установки, представляющие собой ряд ступеней контакта, соединенный в противоточный разделительный каскад.

Наиболее простое конструкционное оформление противоточного каскада достигается при движении жидкости.

Внефтяной, химической, нефтехимической и газовой промышленности распространены тарельчатые колонны.

Современные ректификационные аппараты должны обладать высокими разделительными способностями и производительностью, характеризоваться достаточной надежностью и гибкостью в работе, обеспечивать низкие эксплуатационные расходы, иметь небольшую массу и, наконец, быть конструкционно-простыми и несложными в изготовлении. Последние требования не менее важны, чем первые, поскольку они не только определяют капитальные затраты, но и в значительной мере влияют на себестоимость продукции, монтаж, ремонт, контроль, испытание и безопасную эксплуатацию оборудования.

Особое значение имеет надежность работы ректификационных аппаратов, установок, производящих сырье для нефтехимической промышленности. Ректификационные колонны должны отвечать требованиям государственных стандартов.

Вкачестве контактных устройств применяют различные типы тарелок: колпачковые, ситчатые и клапанные.

Расчет аппаратов выполняется с целью определения технологического режима процесса, основных размеров аппарата и его внутренних устройств, обеспечивающих заданную четкость разделения исходного сырья при заданной производительности. Технологический режим определяется

рабочим давлением в аппарате, температурами всех внешних потоков, удельного расхода тепла и холода. Основными размерами аппарата являются его диаметр и высота.

1. Схема ректификационной установки

Исходную смесь изопропанол-вода из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подают в теплообменник 3, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси хf .

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильник 5.

Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка хw, т.е. обеднен легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состав хр, получаемой в дефлегматоре 6 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в промежуточную емкость 8.

Рис 1. Технологическая схема ректификационной установки.

1 емкость для исходной смеси; 2, 9 насосы; 3 теплообменник-подогреватель; 4 кипятильник; 5 ректификационная колонна; 6 дефлегматор; 7 холодильник дистиллята; 8 емкость для сбора дистиллята; 10 холодильник кубовой жидкости; 11 емкость для кубовой жидкости.

Из кубовой части колонны насосом 9 непрерывно выводится кубовая жидкость-продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 10 и направляется в емкость 11.

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

2.Выбор конструкционного материала

Требования к конструкционным материалам:

1.Должны быть химически и коррозионно-стойкими в данно среде при ее рабочих температурах и других параметрах.

2.Должны обладать хорошей свариваемостью и соответствующими прочностными и пластическими характеристиками в рабочих условиях.

3.Должны допускать холодную и горячую механическую обработку.

4.Должны иметь низкую стоимость и быть не дефицитными

Смесь изопропанол-вода агрессивная, коррозионная среда. Материал для обечайки ректификационной колонны легированная сталь 1 го класса стойкости для работы в средах повышенной агрессивности со скоростью коррозии от 0 до 0.3 мм. в год марки 08Х18Н10Т. Трубопроводы, по которым течет исходная смесь и продукты ректификации, изготавливаются из нержавеющей стали марки 08Х18Н10Т. Трубопроводы для подачи охлаждающей воды и греющего пара в теплообменники изготавливаются из стали Ст3сп. Теплообменники и испаритель

изготавливаются из стали марки 08Х18Н10Т.

3. Расчёт ректификационной колонны

3.1. Материальный баланс колонны и оптимальное флегмовое число

Легкокипящий компонент - изопропиловый спирт Труднокипящий коспонент - вода

Mrлк = 60

Mrтк = 18

Производительность колонны по сырью(кг/сек):

F = 7.33

Содержание легколетучего компонента(масс.доли):

Xfмасс = 0.28

Xdмасс = 0.85

Xwмасс = 0.02

Пересчёт концентраций в мольные доли:

Xfмасс

0.28

Mrлк

Xf =

=

60

= 0.104

1 − Xfмасс

0.28 + 1 −

Xfмасс

+

0.28

60

18

Mrлк

Mrтк

Xdмасс

0.85

Mrлк

Xd =

=

60

= 0.63

1 − Xdмасс

Xdмасс

+

0.85

+ 1 − 0.85

60

18

Mrлк

Mrтк

Xwмасс

0.02

Mrлк

´ 10− 3

Xw =

=

60

= 6.085

Xwмасс

+

1 - Xwмасс

0.02 + 1 - 0.02

60

18

Mrлк

Mrтк

(Xd

масс

- Xf

)

0.85

- 0.28

W = F×

масс

= 7.33×

= 5.034

Xdмасс

- Xwмасс

0.85

- 0.02

D = F - W = 7.33 - 5.034 = 2.296

Равновесные данные для смеси изопропанол-вода при 760 мм.рт.ст.

"X"	"Y"	"T"
"0,92"	"26,16"	"93,2"
"3,54"	"40,84"	"86,2"
"7,01"	"46,26"	"84,1"
"10,85"	"52,20"	"82,7"
"22,75"	52.00	"81,6"
"31,26"	"53,66"	"81,4"
"44,18"	"57,14"	"80,8"
"57,70"	"62,28"	"80,3"
"58,84"	"62,66"	"80,27"
"65,25"	"66,19"	"80,22"
"66,45"	"66,45"	"80,16"
"68,09"	"67,44"	"80,19"
"71,75"	69.00	"80,2"
"80,25"	"75,38"	"80,46"
"85,35"	"77,66"	"80,55"

Согласно диаграммы х-у(мольн.долей)

yfравн = 0.49

Xfравн = Xf = 0.104

Минимальное флегмовое число:

(Xd - yfравн) 0.63 - 0.49

Rmin = (yfравн - Xf) = 0.49 - 0.104 = 0.362

Задавшись различными значениями коэффициентов избытка

флегмы(β) , определим соответствующие флегмовые числа(R) и построим рабочие линии соответствующие данным флегмовым числам. Графическим построением найдем количество ступеней изменения концентраций(N) между равновесной и рабочими линиями на диаграмме у х

Рабочее флегмовое число соответствует минимальному произведению N(R + 1), построим график зависимости N(R + 1) от R и найдем рабочее флегмовое число.

:=

"β"

1.2

1.6

2

2.4

"R"

0.435

0.579

0.724

0.869

1.0

"N"

12

9

7

6

"N(R+1)"

17

14

12

11

12

Ropt := 0.855

Молярные массы потоков(г/моль):

Mrd = Mrлк×Xd + (1 - Xd)×Mrтк = 60×0.63 + (1 - 0.63)×18 = 44.444

Mrf = Mrлк×Xf + (1 - Xf)×Mrтк = 60×0.104 + (1 - 0.104)×18 = 22.388

Mrw = Mrлк×Xw + (1 - Xw)×Mrтк = 60×0.006 + (1 - 0.006)×18 = 18.256

Средние концентрации жидкости верха и низа колонны

(мольн.доли):

Xсрверха =

(Xd + Xf)

=

0.63 + 0.104

= 0.367

2

2

Xсрниза

=

(Xw + Xf)

=

6.085 ´ 10− 3 + 0.104

= 0.055

2

2

Молярные массы жидкостных потоков верха и низа

колонны(г/моль):

+ (1 - Xср

)×Mr

Mr

верха

= Mr

×Xср

верха

тк

= 60×0.367 + (1 - 0.367)×18 = 33.416

лк

верха

Mr

низа

= Mr ×Xср

низа

+ (1 - Xср

)×Mr

тк

= 60×0.055 + (1 - 0.055)×18 = 20.322

лк

низа

Доля пара в питании:

φ = 0

Плотности жидкости в верхней и нижней частях колонны(кг/м3):

ρxТК.верха = 956	ρxЛК.верха = 745
ρxТК.низа = 980	ρxЛК.низа = 754

(Xd

масс

+ Xf

)

0.85 + 0.28

Xсрверха.масс =

масс

=

= 0.565

2

2

(Xw

+ Xf

)

0.02 + 0.28

Xсрниза.масс

=

масс

масс

=

= 0.15

2

2

ρx

верха

= ρx

×Xср

верха.масс

+ (1 - Xср

)×ρx

ТК.верха

= 836.785

ЛК.верха

верха.масс

ρx

низа

= ρx

×Xср

низа.масс

+

(1 - Xср

)×ρx

ТК.низа

= 946.1

ЛК.низа

низа.масс

Среднемассовые расходы жидкости в верхней и нижней частях колонны(кг/сек):

Lверха

= D×Ropt×

Mrверха

= 2.3×0.9×

33.4

= 1.5

Mrd

44.4

Lниза

= F×(1 - φ)×

Mrниза

+ D×Ropt×

Mrниза

= 7.3×(1

- 0)×

20.3

+ 2.3×0.9×

20.3

= 7.6

Mrf

Mrd

22.4

44.4

Средние мольные доли легколетучего компонента в газовой фазе вверха и низа

колонны, по диаграмме х-у и t-x,y(мольн.доли):

Yсрверха = 0.6

Yсрниза = 0.39

Молярные массы паров в верхней и нижней частях колонны(г/моль):

Mry

верха

= Mr

×Yср

верха

+ (1 - Yср

)×Mr

тк

= 60×0.6 + (1 - 0.6)×18 = 43.2

лк

верха

Mry

низа

= Mr

×Yср

низа

+ (1 - Yср

)×Mr

тк

= 60×0.39 + (1 - 0.39)×18 = 34.38

лк

низа

Средние массовые потки пара в верхней и нижней

частях колонны(кг/сек):

G

= D×(Ropt + 1)×

Mryверха

= 2.296×(0.855

+

1)×

43.2

= 4.14

верха

Mrd

44.444

Mryниза

Mryниза

34.38

34.38

G

= D×(Ropt + 1)×

+ φ×F×

= 2.296×(0.855 + 1)×

+ 0×7.33×

= 3.295

низа

Mrd

Mrf

44.444

22.388

3.2. Скорость пара и диаметр колонны

Средние температуры верха и низа колонны(град.Цельсия):

tсрверха = 86 tсрниза = 80.75

Найдём плотности пара при средних температурах верха и низа

колонны(кг/м3):

ρyверха =

Mryверха×

273

=

43.2×

273

= 1.467

22.4×(273 + tср

)

22.4×(273

+ 86)

верха

ρyниза =

Mryниза×

273

=

34.38×

273

= 1.184

22.4×(273 + tср

)

22.4×(273 + 80.75)

низа

Скорость пара в нижней и верхней частях колонны(м/с):

w

= 0.05×

ρxверха

= 0.05×

836.785

= 1.194

верха

ρyверха

1.467

ρxниза

w

= 0.05×

= 0.05×

946.1

= 1.413

низа

ρyниза

1.184

Диаметр колонны(м):

Gверха

Dв =

4×

=

4×

4.14

= 1.735

3.14×wверха×ρyверха

3.14×1.194×1.467

Gниза

Dн =

4×

=

4×

3.295

= 1.584

3.14×wниза×ρyниза

3.14×1.413×

1.184

Выбираем стандартный диаметр обечайки(м):

Dколонны = 1.8

Выбираем ситчатую однопоточную тарелку типа ТС-Р со следующими конструкционными размерами:

Доля свободного сечения тарелки:

Fc = 0.138

Рабочее сечение тарелки(м2):

Sт = 2.294

Периметр слива(м):

Lc = 1.05

Cечение перелива(м2):

Sперелива = 0.123

Шаг

t = 7

Относительное рабочее сечение тарелки(%):

Sотн = 13.8

Расстояние между тарелками принимаем (м):

hт = 0.4

При этом диаметре рабочая скорость пара в верхней и нижней частях колонны(м/с):

		Dв	2			1.735		2
wраб.верха =	wверха×			=	1.194×			= 1.11
	Dколонны					1.8

		Dн	2			1.584		2
wраб.низа =	wниза×			=	1.413×			= 1.094
	Dколонны					1.8

Скорость паров в колонне с учётом рабочего сечения тарелки составит(м/сек):

2

1.82

wт.верха

= wраб.верха×0.785×

Dколонны

=

1.11×0.785×

= 1.231

Sт

2.294

Dколонны

2

1.82

wт.низа =

wраб.низа×0.785×

=

1.094×0.785×

= 1.213

Sт

2.294

3.3. Высота светлого слоя жидкости на тарелке и высота барботажного слоя

Ширина сливной перегородки(м):

b = Lc = 1.05

Высота переливной планки(м):

hпер = 0.03

m = 0.05 - 4.6×hпер = 0.05 - 4.6×0.03 = -0.088

Поверхностное натяжение жидкости в верхней и нижней частях колонны(Н/м)

σЛК.верха = 0.0185 σЛК.низа = 0.0177 σТК.верха = 0.019 σТК.низа = 0.0181

σxверха = Xсрверха×σЛК.верха + (1 - Xсрверха)×σТК.верха = 0.37×0.02 + (1 - 0.37)×0.02 = 0.02 σxниза = Xсрниза×σЛК.низа + (1 - Xсрниза)×σТК.низа = 0.055×0.018 + (1 - 0.055)×0.018 = 0.018

Поверхностное натяжение воды, при средних температурах