Ректификационная колонна — аппарат, предназначенный для разделения жидких смесей, составляющие которых имеют различную температуру кипения. Классическая колонна представляет собой вертикальный цилиндр с контактными устройствами внутри.
В ректификационную колонну подаются пары перегоняемой жидкости. Они поднимаются снизу, а в режиме противотока навстречу парам идёт жидкость, сконденсировавшаяся наверху в холодильнике. 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. В этом случае используются аппараты, подобные изображенному на картинке.
1.1 Конструкции ректификационных колонн
а) тарельчатая колпачковая; б) ситчатые; в) насадочная
Рисунок 1.1 — Конструкции ректификационных колонн
Тарельчатые колпачковые колонны
Пары с предыдущей тарелки попадают в паровые патрубки колпачков и барботируют через слой жидкости, в которую частично погружены колпачки. Колпачки имеют отверстия или зубчатые прорези, расчленяющие пар на мелкие струйки для увеличения поверхности соприкосновения его с жидкостью. Переливные трубки служат для подвода и отвода жидкости и регулирования ее уровня на тарелке. Основной областью массообмена и теплообмена между парами и жидкостью, как показали исследования, является слой пены и брызг над тарелкой, создающийся в результате барботажа пара. Высота этого слоя зависит от размеров колпачков, глубины их погружения, скорости пара, толщины слоя жидкости на тарелке, физических свойств жидкости и др. Расчет основных размеров колпачков и некоторые рекомендации изложены в методике расчета тарельчатых колпачковых колонн.
Следует отметить, что, кроме колпачковых тарелок, применяют также клапанные, желобчатые, S-образные, чешуйчатые, провальные и другие конструкции тарелок. В расчетах необходимо учитывать особенности конструкций тарелок.
Ситчатые колонны
Обычно диаметр отверстий ситчатой тарелки принимают в пределах 0,8—3,0 мм.
Насадочные колонны
Массо- и теплообмен в колоннах с насадкой характеризуются не только явлениями молекулярной диффузии, определяющимися физическими свойствами фаз, но и гидродинамическими условиями работы колонны, которые определяют турбулентность потоков. В зависимости от скорости потока в колонне возможны три гидродинамических режима: ламинарный, промежуточный и турбулентный,— при которых поток пара является сплошным, непрерывным и заполняет свободный объем насадки, не занятый жидкостью, в то время как жидкость стекает лишь по поверхности насадки. Дальнейшее развитие турбулентного движения может привести к преодолению сил поверхностного натяжения и нарушению граничной поверхности между потоками жидкости и пара. При этом газовые вихри проникают в поток жидкости, происходит эмульгирование жидкости паром, и массообмен между фазами резко возрастает. В случае эмульгирования жидкость распределяется не по насадке, а заполняет весь ее свободный объем, не занятый паром; жидкость образует сплошную фазу, а газ — дисперсную фазу, распределенную в жидкости, т. е. происходит инверсия фаз.
Проектирование ректификационной тарельчатой колонны с ситчатыми ...
... колонны. Пары конденсируются в дефлегматоре, охлаждаясь водой, и получаемая жидкость разделяется в делителе на дистиллят и флегму, которая направляется на верхнюю тарелку колонны. Жидкость, поступающая на орошение колонны ... периодической ректификации содержание НК в смеси, кипящей в кубе, уменьшается во времени. Поэтому при возврате постоянного количества флегмы в колонну, т.е. в случае работы ...
Исследования показали, что переход от турбулентного режима к режиму эмульгирования (точка инверсии или точка начала эмулыирования) соответствует оптимальным условиям работы колонны и оптимальной скорости пара, при которой на насадке задерживается максимальное количество жидкости, брызг и пены, достигаются интенсивный массообмен и максимальная производительность при минимальной высоте насадки. Насадочную колонну следует рассчитывать, исходя из оптимальной скорости. При превышении оптимальной скорости начинается обращенное движение жидкости снизу вверх, происходит так называемое “захлебывание” колонны и нарушение режима ее работы.
Трубчатые пленочные ректификационные колонны состоят из пучка вертикальных труб, по внутренней поверхности которых тонкой пленкой стекает жидкость, взаимодействуя с поднимающимся по трубам паром.
Пар поступает из куба в трубки. Флегма образуется в дефлегматоре непосредственно на внутренней поверхности трубок, охлаждаемых водой в верхней их части. Диаметр применяемых трубок-5—20 мм. Эффект работы пленочного аппарата возрастает с уменьшением диаметра трубок.
Трубчатые колонны характеризуются простотой изготовления, высокими коэффициентами массопередачи и весьма малыми гидравлическими сопротивлениями движению пара. Многотрубные (и длиннотрубные) колонны с искусственным орошением имеют значительно меньшие габаритные размеры и массу, чем тарельчатые.
Все ректификационные установки, независимо от типа и конструкции колонн, классифицируют на установки периодического и непрерывного действия.
В ректификационных установках периодического действия начальную смесь заливают в перегонный куб, где поддерживается непрерывное кипение с образованием паров. Пар поступает на укрепление в колонну, орошаемую частью дистиллята. Другая часть дистиллята из дефлегматора или концевого холодильника, охлажденная до определенной температуры, через контрольный фонарь поступает в сборник готового продукта. В колоннах периодического действия ректификацию проводят до тех пор, пока жидкость в кубе не достигает заданного состава. Затем обогрев куба прекращают, остаток сливают в сборник, а в куб вновь загружают на перегонку начальную смесь. Установки периодической ректификации успешно применяют для разделения небольших количеств смесей. Большим недостатком ректификационных установок периодического действия является ухудшение качества готового продукта (дистиллята) по мере протекания процесса, а также потери тепла при периодической разгрузке и загрузке куба. Эти недостатки устраняются при непрерывной ректификации.
Реконструкция ректификационной колонны К-301 с целью
... установки стабилизации конденсата УСК-2 с целью перевода ее в режим переработки деэтанизированного конденсата и производство нефтепродуктов. Суть этой реконструкции заключается в переводе деэтанизиционной колонны ... октановой характеристики выделенных бензиновых фракций введением высокооктановых добавок. Газовый конденсат - ценное сырье для нефтехимической промышленности, по ряду показателей он ...
Колонны непрерывного действия состоят из нижней (исчерпывающей) части, в которой происходит удаление легколетучего компонента из стекающей вниз жидкости, и верхней (укрепляющей) части, назначение которой—обогащение поднимающихся паров легколетучего компонента. Схема установки непрерывной ректификации отличается от периодической тем, что питание колонны начальной смесью определенного состава происходит непрерывно с постоянной скоростью; готовый продукт постоянного качества также непрерывно отводится.
При ректификации смесей, состоящих более чем из двух компонентов, схема установки значительно усложняется. При этом для каждого добавочного компонента требуется колонна с дефлегматором.
Размеры и конструкции перегонного куба, дефлегматора и концевого холодильника зависят от производительности установки, физических свойств перегоняемой смеси и режима процесса (периодический или непрерывный).
Дефлегматор обычно представляет собой кожухотрубчатый теплообменник. В ряде случаев в дефлегматоре происходит конденсация всех паров, вышедших из колонны. В концевом холодильнике дистиллят охлаждается до заданной температуры.
Иногда в дефлегматоре конденсируется лишь часть паров для получения флегмы, а полная конденсация и охлаждение происходят в холодильнике. Ректификационные установки снабжают также приборами для регулирования и контроля режима работы и нередко аппаратами для утилизации тепла.
1.2 Узел ввода сырья
При подаче сырья в колонну только в паровой или жидкостной фазе конструктивное выполнение узла ввода не вызывает особых затруднений. При подаче сырья в колонну в паро-жидкостном виде узел ввода имеет некоторые конструктивные особенности.
Конструкция ввода паро-жидкостного сырья в колонну должна обеспечить хорошую сепарацию фаз и равномерное распределение паров по сечению колонны. С этой целью в колоннах с однопоточными тарелками ввод сырья осуществляется через один тангенциальный штуцер. Далее паро-жидкостная по спирали направляется к центру колонны при помощи вертикально установленного отбойного листа, который одновременно защищает корпус колонны от эрозии. В колоннах большого диаметра с двухпоточными тарелками сырье вводиться двумя потоками через тангенциально расположенные штуцера. Далее при помощи отбойных пластин потоки направляются к центру колонны навстречу друг другу ( см. рисунок 1.3 ).
Для улучшения сепарации жидкости к верхней части вертикального отбойного листа можно приваривать также и горизонтальный отбойник, изготовленный из просечно-вытяжного листа, с направлением просечки по ходу движения потока. Установка сплошных отбойных листов нежелательна, так как при этом нарушается равномерность распределения пара по сечению колонны.
а Рисунок 1.3 — Узел ввода сырья в колонну — однопоточные тарелки; б — двухпоточные тарелки.
1.3 Узел отбора и подвода жидкости
Конструкция узла отбора циркуляционного орошения или боковых погонов должна предусматривать достаточную емкость, чтобы обеспечивать нормальную работу насоса, и не должна допускать пропуск паров при больших отборах жидкости.
Расчет ректификационной колонны для разделения бинарной смеси бензол-толуол
... тарелках ректификационной колонны, могущих иметь самую различную конструкцию, осуществляется интенсивное взаимодействие между восходящим паровым и нисходящим жидким потоками. В предельном случае работы тарелки энергообмен между соприкасающимися парами и жидкостью ... масса вещества, кг/кмоль. КомпонентM, кг/кмоль?204 Найдем энтальпии бензола h Б, HБ и толуола hТ, HТ при различных температурах по ...
Жидкость отводиться из сливного кармана, заглубленного по сравнению с уровнем тарелки на 300 мм и более. При применении двух- и четырехпоточных тарелок жидкость отбирается из карманов центральных сливов.
Рис.а ,б
Рис.1 в а — однопоточные тарелки; б — двухпоточные тарелки; в — четырехпоточные.
Рисунок 1.4 — Узел отбора жидкости из колонны
При больших расходах боковых погонов над местом отбора полезно устанавливать перегородку, которая обеспечивает гашение энергии струи падающей жидкости и способствует тем самым поступлению на прием насоса чистой дегазированной жидкости (рисунок 1.4 ,,б”, ,,в”).
В этом случае переливные планки сливного устройства лучше делать наклонными.
Жидкость, отбираемая в виде бокового погона, обычно поступает в отпарные колонны самотеком через гидрозатвор, образованный трубопроводом (см. рисунок 1.4 ,,б”).
Как правило, боковой отбор жидкости должен составлять не более 60 % от общего количества жидкости в колонне, с тем чтобы колебания отборов не вызывали резкого нарушения работы колонны. Для того чтобы обеспечить гарантированное количество флегмы в колонне с боковыми погонами, можно также отбирать жидкость со специальной тарелки, имеющей регулятор уровня, что возможно при отсутствии на этой тарелки барботажа.
Узел ввода жидкости на промежуточные тарелки может быть таким же, как узел вывода. При подаче жидкости на верхнюю тарелку конструкция ввода должна обеспечивать гашение энергии струи жидкости, для чего в переливе устанавливают отражательную пластину.
1.4 Распределительные устройства для жидкости и пара
Весьма важным узлом в колоннах с тарелками провального типа и с насадкой является распределительное устройство для жидкости.
Наиболее часто применяют следующие конструкции распределительных устройств, обеспечивающие неплохое распределение жидкости по сечению аппаратов различного диаметра: распределительные тарелки, желоба, коллекторы, отражатели и центробежные устройства.
Распределительные тарелки имеют патрубки для прохода паров и ниппели для стока жидкости. Для того чтобы пар проходил только через патрубки, их делают выше, чем ниппели, и сверху защищают от стекающей жидкости козырьками. При небольших расходах жидкости ниппели имеют боковой срез или прорези. Такая конструкция менее чувствительна к отклонению тарелки от горизонтального положения. Распределительные тарелки применяют для орошения в основном насадочных колонн, но так же применяют, как перераспределительные тарелки, в колоннах с тарелками провального типа и с насадкой.
Распределители из желобов довольно просты по конструкции, но требуют особо тщательной установки в колоннах большого диаметра.
Часто в качестве распределителей пара и жидкости применяют перфорированные трубы, конструктивно выполненные либо в виде паука, либо в виде коллектора. Основным их недостатком является то, что они склонны к засорению, и поэтому применяются только на чистых продуктах. Кроме того, трубчатые распределители работают лишь тогда, когда для заданного расхода и напора пара или жидкости правильно выбрана площадь перфорации. В частности, для распределителей пара, находящихся в жидкости, рекомендуется принимать площадь отверстий, равную 25 % от площади поперечного сечения трубы, а отверстия для выхода пара располагать вдоль нижней образующей трубы. Для жидкости распределители из труб применяют в случае, если необходимо иметь около распределителей большое свободное сечение для прохода пара ( до 50% ).
Аппарат колонного типа установки четкой ректификации ксилолов
... 1.3 Основное оборудование установок фракционирования ксилолов Данная установка предназначена четкой ректификации производства мономеров. Она состоит из колонны ... анализаторов, анализирующих состав потока на 130-х тарелках колонн К-1. Точки отбора анализов состава ... есть установка фракционирования ксилолов. Краткая характеристика оборудования представлена в таблице 1.3 [2]. (тип, наименование аппарата, ...
Отражательные распределители могут с успехом применяться как для парового, так и для жидкостного потоков. Они отличаются простотой конструкции и высокой производительностью, мало засоряются и обеспечивают равномерное распределение потока даже в аппаратах сравнительно большого диаметра.
Ширина кольцевых каналов в распределителе должна быть равна от 8 до 10 мм.
1.5 Систематизация конструкций контактных устройств тарельчатой колонны
В ректификационных колоннах применяются тарелки различных конструкций, существенно различающиеся по своим рабочим характеристикам и технико-экономическим данным. При этом, наряду с самыми современными конструкциями, в эксплуатации находятся тарелки таких типов (желобчатые и др.), которые, хотя и обеспечивают получение необходимых продуктов, но не могут быть рекомендованы для современных производств.
При оценке конструкций тарелок обычно принимают во внимание следующие показатели:
- а) производительность;
- б) гидравлическое сопротивление;
- в) эффективность при разных рабочих нагрузках;
- г) диапазон рабочих нагрузок в условиях достаточно высокой эффективности;
- д) сопротивление одной теоретической тарелки ?р/з при разных рабочих нагрузках;
- е) возможность работы на средах, склонных к образованию инкрустаций, к полимеризации и т.п.;
- ж) простоту конструкции, проявляющуюся в трудоемкости изготовления, монтажа, ремонтов;
- з) металлоемкость.
Для пропуска потоков паров пара и жидкости тарелки должны иметь каналы соответствующих размеров.
По способу передачи жидкости с тарелки на тарелку различают тарелки со специальными переточными устройствами и тарелки провального типа. У тарелок первого типа жидкость перетекает с тарелки на тарелку через специальные каналы, которые не предназначены для потока паров. В зависимости от нагрузки по жидкости, её переток с тарелки на тарелку может осуществляться одним, двумя, тремя и более потоками.
У тарелок провального типа пар и жидкость проходят через одни и те же отверстия (каналы), при этом места стока жидкости и прохода паров перемещаются по площади тарелки случайным образом.
Различают также тарелки барботажного и струйного типов. У барботажных тарелок элементы контактных устройств (колпачки, клапаны, отверстия) создают в слое жидкости движение пара в почти вертикальном направлении, т.е. контакт фаз осуществляется по схеме перекрестного тока, тогда как у струйных тарелок создается прямоточное движение фаз в пределах всей тарелки или отдельных её участков.
Тарелки барботажного типа могут иметь стесненное или свободное зеркало барботажа. У тарелок со стесненным зеркалом барботажа часть поверхности жидкости (примерно от 50 до 75 %) занято устройствами для ввода пара в жидкость (колпачками).
Расчет тарельчатого абсорбера для поглощения паров ацетона водой
... данном курсовом проекте был рассчитан тарельчатый абсорбер для поглощения паров ацетона ... условиям в абсорбере Производительность абсорбера по поглощаемому компоненту: ... тарелки f: принимаем 34 тарелки Определение высоты абсорбера Расстояние между тарелками предварительно зададимся[3]: Проверим брызгоунос: Где коэффициенты, зависящие от типа тарелки. - поверхностное натяжение. Высота подпора жидкости ...
У тарелок со свободным зеркалом барботажа устройства для ввода пара в жидкость размещены практически на одном уровне с полотном тарелки (отверстия в полотне тарелки, клапаны, язычки и т.п.), вследствие чего площадь для выхода пара из жидкости составляет около 70-90 % рабочей площади тарелки.
В зависимости от конструкций устройств для ввода пара в жидкость различают ситчатые ( дырчатые ), колпачковые, язычковые ( чешуйчатые ), клапанные и другие виды тарелок.
Направление ввода пара в жидкость оказывает существенное влияние как на производительность, так и на эффективность работы тарелки, а также на характер зависимости эффективности от нагрузки по пару.
Для увеличения производительности тарелки следует использовать контактирование фаз в прямотоке. Однако чистый прямоток не обеспечивает высокой эффективности контакта фаз. Поэтому стремятся задержать развитие прямоточного движения, устанавливая отбойники или вертикальные перегородки в направлении, поперечном потоку жидкости, изменяя специальные конструктивные модификации клапанов, комбинируя различные контактные элементы в пределах контактной зоны и т.п.
Колпачковые желобчатые тарелки. Тарелки этого типа применяются в колоннах диаметром от 1000 мм и более при расстоянии между тарелками 450 мм и более. Рабочая часть тарелки укомплектована съёмными желобами и колпачками. Для перетока жидкости служат переливные устройства ( одно- и двухпоточные).
Основные размеры тарелок регламентированы отраслевой нормалью Н 439. Вплоть до настоящего времени тарелки этого типа находятся в эксплуатации в колоннах различного технологического назначения. Единственным их практическим преимуществом является относительно небольшое число желобов и колпачков, которые требуется устанавливать при монтажных и ремонтных работах. В, остальном, все показатели этих тарелок низки, поэтому тарелки желобчатого типа повсеместно заменяют более современными.
Колпачковые тарелки с капсульными колпачками. Тарелки этого типа могут быть установлены в колоннах диаметром 400 мм и более, расстояние между тарелками от 200 мм и более. Тарелки могут иметь неразборную и разборную конструкции. Тарелки неразборной конструкции уплотнены в корпусе колонны периферийным сальником с набивкой из асбестового шнура.
В горизонтальном положении тарелки диаметром до 1000 мм устанавливают с помощью трех регулировочных винтов, опирающихся на кронштейны, приваренные к корпусу. Тарелки диаметром от 1200 до 1800 мм имеют опорное разъёмное кольцо, прикрепляемое к корпусу колонны на которое сверху крепиться основание тарелки. Тарелки большого диаметра снабжены опорными балками, воспринимающими нагрузки от масс тарелки и жидкости. Основные размеры тарелок регламентированы ГОСТ 26-01-282 и ГОСТ 26-808.
Рисунок 1.5 — Колпачковая тарелка 1 — переливная перегородка; 2 — полотно тарелки; 3 — сливная перегородка; 4 — сливная планка; 5 — колпачок; 6 — паровой патрубок
Для комплектации тарелок служат стандартные круглые колпачки диаметром 60, 80 и 100 мм по ГОСТ 9634.
По сравнению с желобчатыми колпачковые капсульные тарелки имеют примерно на 20 % большую производительность, высокую эффективность, широкий рабочий диапазон и меньшую металлоемкость (от 60 до 90 кг/м2 против 120 кг/м2).
Тарелки колпачковые из S-образных элементов. Колпачковые тарелки этого типа изготавливают в соответствии с ГОСТ 26-536. Их диаметр от 1000 до 8000 мм. Расстояние между тарелками составляет 450 мм и более. Полотно тарелки набрано из элементов S-образного профиля, при сборке которых образуются каналы для прохода пара. Жидкость движется единым потоком и частично направляется паром в сторону слива, вследствие чего уменьшается градиент уровня жидкости на тарелке. Благодаря жесткости S-образных элементов, металлоемкость тарелок этого типа относительно невелика ( от 55 до 90 кг/м2).
По эффективности они находятся на одном уровне с колпачковой капсульной тарелкой, но производительность их на 20 — 30 % выше.
1 — S-образный элемент; 2 — пластина
Рисунок 1.6 — Тарелка с S- образными элементами
Клапанные прямоточные тарелки применяются в колоннах диаметром 1000 мм и более при расстоянии между тарелками не менее 450 мм. Размеры тарелок регламентированы ОСТ 26-02-1401 и ОСТ 26-02-1402. По сравнению с s-образными тарелками они позволяют повысить производительность колонн примерно на 20 — 25 %. В области саморегулируемой работы клапанов тарелки обладают относительно небольшим сопротивлением. Металлоемкость составляет от 55 до 80 кг/м2.
Жалюзийно-клапанные тарелки. Размеры регламентированы ОСТ 21-01-417. Тарелки применяются в колоннах диаметром 1000 мм и более при расстоянии между тарелками, составляющем не менее 450 мм.
Рисунок 1.7 — Клапанно-прямоточная тарелка
Ситчатые тарелки с отбойными элементами из просечного листа. Полотно тарелки и наклонные отбойники изготовлены из просечно-вытяжного листа. Свободное сечение полотна тарелки следует выбирать исходя из отсутствия провала жидкости; свободное сечение отбойников должно быть достаточно большим (не менее 30 %), чтобы обеспечить пропуск текущей по тарелке жидкости. Контакт фаз происходит в прямотоке и частично в перекрестном токе на отбойниках. Благодаря относительно низкому сопротивлению эти тарелки применяются в вакуумных колоннах. Металлоемкость составляет от 50 до 60 кг/м2.
Решетчатые тарелки провального типа. Стандартные решетчатые тарелки применяются в колоннах диаметром 400 мм и более при расстоянии между тарелками не менее 200 мм.
Рисунок 1.8 — Жалюзийно-клапанная тарелка
1 — полотно тарелки; 2 — рамка; 3 — клапана-жалюзи
Тарелки этого типа не имеют специальных переливных устройств для жидкости, поэтому конструкция их предельно проста. Производительность тарелок провального типа примерно в 1,8 — 2 раза больше, чем колпачковых, металлоемкость не превышает 40 — 50 кг/м2.
Ситчатые тарелки. Основные характеристики стандартных ситчатых тарелок регламентированы ГОСТ 26-805 для колонн диаметром от 400 до 3600 мм при расстоянии между тарелками 200 мм и более. Производительность этих тарелок от 30 до 50 % выше колпачковых. Тарелки весьма чувствительны к точности горизонтальной установки и не рекомендуются для загрязненных сред.
Повышение производительности тарелок может быть достигнуто за счет струйно-прямоточного принципа взаимодействия фаз, а повышение эффективности — за счет более интенсивного межфазового контакта при минимальном перемешивании жидкости на тарелке. Ниже даны характеристики некоторых новых конструкций тарелок, реализующих указанные принципы. Элементы этих тарелок представлены на рисунках
Рисунок 1.9 — Элемент ситчатой тарелки
Струйные тарелки с вертикальными перегородками. Её основанием служит стальной лист, на котором в шахматном порядке выштампованы полукруглые лепестки, имеющие радиус от 15 до 25 мм и отогнутые в сторону сливного кармана под углом б равным от 20 до 40 °. Варьируя число лепестков, их радиус и угол отгиба, можно добиться того, чтобы относительно свободное сечение тарелки составляло до 15 % площади колонны.
Через каждые два ряда перпендикулярно направлению потока жидкости установлены вертикальные перегородки, у нижнего основания которых сделаны прямоугольные прорези общей длиной от 0,75 до 0,85 длины перегородок. Высота перегородок hw обычно составляет от 35 до 60 мм. Вертикальные перегородки разделяют полотно тарелки на ряд секций, в пределах которых и на тарелке в целом обеспечивается интенсивное взаимодействие фаз.
Переливные устройства имеют переливной карман сечения, переменного по высоте, в верхней части оно составляет примерно 11 %, а в нижней — 7 % общей площади сечения колонны, что позволяет улучшить работу переливного устройства и более рационально использовать площадь тарелки в зоне контакта фаз.
По сравнению с колпачковыми тарелки этого типа позволяют повысить производительность колонн в 1,8 — 2 раза при сохранении высокой эффективности разделении.
Комбинированные ситчато-клапанные и ситчато-прямоточные тарелки.
В этих тарелках сочетаются контактные элементы двух типов: ситчатое полотно и отверстия или клапаны, открывающиеся в сторону слива. Такое комбинирование позволяет улучшить характеристику эффективности в области больших и малых нагрузок при сохранении высокой производительности, присущей клапанным прямоточным тарелкам.
Тарелки из S-образных элементов с отбойниками. Установка наклонных отбойников над S-образными элементами позволяет увеличить производительность, диапазон рабочих нагрузок и эффективность при больших скоростях пара.
Применение более мелких элементов S-образного профиля дает возможность расширить диапазон рабочих нагрузок примерно на 10 % и на столько же увеличить максимальную эффективность по сравнению c тарелкой из стандартных S-образных элементов. По производительности и эффективности эти тарелки идентичны струйным тарелкам с вертикальными перегородками, для которых б=40° и hw=50 мм.
Рисунок 1.10 — Элемент ситчато-клапанной тарелки
1 — полотно тарелки; 2 — клапан
Тарелки из S-образных элементов с прямоточными клапанами (ТSК).
Для расширения рабочего предела нагрузок и повышения производительности стандартных S-образных тарелок они были снабжены прямоугольными прямоточного типа клапанами, размещенными на верхней площадке S-образного элемента. Их производительность и эффективность на 10% выше, чем у клапанной прямоточной тарелки.Решетчатые тарелки провального типа с отогнутыми кромками щелей. Рабочие характеристики тарелок провального типа могут быть несколько улучшены, если часть щелей (около 50 %) снабдить кромками, отогнутыми вниз ( навстречу потоку пара).
При прочих равных условиях такие тарелки имеют более широкие (от 10 до 15 %) пределы рабочих нагрузок и большую (на 15 %) производительность, чем стандартные. Отогнутые вниз кромки щелей придают полотну тарелки большую жесткость, что позволяет применять металл меньшей толщины (от 1,5 до 2,0, вместо 3 — 4 мм).
Ширину щелей рекомендуется принимать равной от 5 до 6 мм, длину 100 мм. Тарелки этого типа могут быть установлены в колоннах малого ( менее 400 мм) и большого диаметра.
1 — полотно тарелки; 2 — опорная конструкция
Рисунок 1.11 — Решетчатая провальная тарелка
Решетчатые тарелки провального типа из труб. С целью повышения производительности и снижения сопротивления провальных тарелок их рабочую часть выбирают из труб, которые могут быть расположены параллельными рядами или свернуты в спираль. В случае необходимости отвода (подвода) тепла по трубам может быть пущен хладоагент (теплоноситель ).
Струйные тарелки с компенсацией прямоточного движения фаз. Прямоточное движение фаз позволяет существенно увеличить производительность, но приводит к относительно низкой эффективности контакта. Ряд современных конструкций тарелок базируется на прямоточном принципе движения фаз в зоне их контакта, однако на этих тарелках нет чистого прямотока: направление движение пара в смежных рабочих элементах тарелки меняется, вследствие чего происходит постоянное прерывание и возобновление прямотока
Аналогичным образом работают и вышеупомянутые комбинированные тарелки.
1.6 Систематизация конструкций контактных устройств насадочной колонны
Насадки можно подразделить на два типа:
- Регулярная (правильно уложенная) насадка
- Беспорядочная (засыпаемая внавал) насадка
К регулярным насадкам относятся хордовая, кольцевая (при правильной укладке) и блочная насадки.
Хордовая насадка
Эта насадка состоит из поставленных на ребро досок образующих решетку. Решетки укладываются друг на друга так, что в смежных решетках доски повернуты на угол 90° (иногда 45°).
Наиболее распространена деревянная хордовая насадка, изготовляемая из досок толщиной 10-13 мм и высотой 100-150 мм.
Кольцевая насадка
Насадочные тела представляют собой цилиндрические тонкостенные кольца, наружный диаметр которых обычно равен высоте кольца. Диаметр насадочных колец изменяется от 25 мм до 150 мм. Насадочные кольца изготавливают чаще всего из керамики или фарфора, в некоторых случаях из углеграфитовых масс. Применяют также тонкостенные металлические кольца из стали или других металлов. Перспективно применение колец из пластических масс.
Типы кольцевых насадок:
- Кольца Рашига
- Кольца с перегородкой
- Кольца с крестообразной перегородкой
- Кольца Палля
- Седлообразная насадка
Эта насадка применяется для беспорядочной засыпки. Существует два типа седел. Седла Берля, поверхность которых представляет собой гиперболический параболоид, и седла «Инталокс» — часть тора. Седла
«Инталокс» проще в изготовлении.
Седлообразная насадка обладает меньшим гидравлическим сопротивлением несколько большей эффективностью, чем кольца Рашига.
Блочная насадка
Эта насадка используется в качестве регулярной и состоит из отдельных элементов большого размера (блоков).
2. Технологическая часть
2.1 Описание технологической схемы проектируемого узла разделения толуола и бензола
Рисунок 2.1 — Принципиальная схема ректификационной установки
1- Промежуточная ёмкость; 2- Центробежный насос; 3- Теплообменник;
4- Кипятильник; 5- Ректификационная колонна; 6- Дефлегматор;
7- Теплообменник; 8- Промежуточная ёмкость; 9- Центробежный насос;
10- Теплообменник; 11- Ёмкость.
Исходную смесь 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 кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка хw, т. е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава 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.
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 неравновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легко-летучего компонента) и кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).
2.2 Технологический расчет ректификационной колонны
2.2.1 Исходные данные
- производительность по сырью, F, кг/ч — 38000;
- концентрация легколетучего компонента в сырье, ХF — 0,34;
- температура верха колонны, tв, °С — 40;
- концентрация легколетучего компонента в дистилляте, yD — 0,97;
- концентрация легколетучего компонента в остатке, хW — 0,04.
Для определения оптимального давления в колонне и соответствующего этому давлению температурного интервала двухфазного состояния бинарной смеси строим графическую зависимость давления насыщенных паров для бензола — Р1=f(t) и толуола — Р2=f(t).
2.2.2 Построение изобарной диаграммы
Найденный графическим путем температурный интервал двухфазного состояния системы разбиваем на 7 точек (значений температуры), в которых определяется равновесные мольные составы жидкой Х/ и паровой Y/ фаз по уравнениям [12, С. 4]
Х/ti=;(2.1)
Y/ti=•X/ti,(2.2)
где Р1(ti), P2(ti) — cсоответственно равновесные мольные составы жидкой и паровой фазы при температуре ti, определяется по графической зависимости давления насыщенных паров бензола и толуола;
- Рр — рабочее давление в колонне, МПа, согласно графической зависимости Рр=0,0342 МПа.
Расчет равновесных мольных составов жидкой и паровой фаз выполняется в виде таблицы.
Таблица 1 — Равновесные составы жидкости и пара
|
Номер точки |
Темп, °С |
Давление насыщенных паров, МПа |
Рр — Р2 |
Р1 — Р2 |
Х/ |
Р1/Рр |
Y/ |
||
|
Р1 |
Р2 |
||||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
|
1 |
51 |
0,0342 |
0,011 |
0,0232 |
0,0232 |
1 |
1 |
1 |
|
|
2 |
54 |
0,037 |
0,013 |
0,0212 |
0,024 |
0,883 |
1,082 |
0,955 |
|
|
3 |
57 |
0,04 |
0,016 |
0,0182 |
0,024 |
0,758 |
1,169 |
0,886 |
|
|
4 |
60 |
0,0439 |
0,01733 |
0,0169 |
0,0266 |
0,635 |
1,284 |
0,815 |
|
|
5 |
63 |
0,048 |
0,018 |
0,0162 |
0,03 |
0,540 |
1,404 |
0,758 |
|
|
6 |
66 |
0,054 |
0,02 |
0,0142 |
0,034 |
0,418 |
1,579 |
0,660 |
|
|
7 |
69 |
0,06 |
0,021 |
0,0132 |
0,039 |
0,338 |
1,754 |
0,593 |
|
|
8 |
72 |
0,065 |
0,024 |
0,0102 |
0,041 |
0,249 |
1,901 |
0,473 |
|
|
9 |
75 |
0,071 |
0,026 |
0,0082 |
0,045 |
0,182 |
2,076 |
0,378 |
|
|
10 |
78 |
0,078 |
0,028 |
0,0062 |
0,05 |
0,124 |
2,281 |
0,283 |
|
|
11 |
82 |
0,094 |
0,0342 |
0 |
0,0598 |
0 |
2,749 |
0 |
|
Мольные состава пара и жидкости переводим в массовые Xi и Yi по уравнениям [12, С.4]
Xi=, (2.3)
Yi=, (2.4)
где М1, М2 — молекулярные массы соответственно бензола и
толуола согласно [8, С.53]
М1=78,1;
- М2=92,13;
, — средние мольные массы соответственно жидкой и паровой фазы
=Х1/•М1+(1-X1/)•M2;(2.5)
= Y1/•М1+(1-Y1/)•M2. (2.6)
Результаты расчетов по переводу мольных составов пара и жидкости в массовый выполняем в виде таблицы.
Таблица 2 — Пересчет мольных составов жидкости в массовый.
|
Номер точки |
Темпе- ратура, °С |
Состав |
Молекулярная масса |
Хi/•M1 |
(1-Xi/)Ч ЧM2 |
Ч ЧMi |
X |
|||
|
Х/ |
1-Х/ |
М1 |
М2 |
|||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
|
1 |
51 |
1 |
0,000 |
78,1 |
92,13 |
78,100 |
0 |
78,100 |
1 |
|
|
2 |
54 |
0,883 |
0,117 |
78,1 |
92,13 |
68,962 |
10,779 |
79,741 |
0,865 |
|
|
3 |
57 |
0,758 |
0,242 |
78,1 |
92,13 |
58,199 |
22,295 |
80,494 |
0,723 |
|
|
4 |
60 |
0,635 |
0,365 |
78,1 |
92,13 |
49,594 |
33,627 |
83,221 |
0,596 |
|
|
5 |
63 |
0,540 |
0,460 |
78,1 |
92,13 |
42,174 |
42,379 |
84,553 |
0,499 |
|
|
6 |
66 |
0,418 |
0,582 |
78,1 |
92,13 |
32,646 |
53,619 |
86,265 |
0,378 |
|
|
7 |
69 |
0,338 |
0,662 |
78,1 |
92,13 |
26,398 |
60,990 |
87,388 |
0,302 |
|
|
8 |
72 |
0,249 |
0,751 |
78,1 |
92,13 |
19,447 |
69,189 |
88,636 |
0,219 |
|
|
9 |
75 |
0,182 |
0,818 |
78,1 |
92,13 |
14,214 |
75,362 |
89,576 |
0,159 |
|
|
10 |
78 |
0,124 |
0,876 |
78,1 |
92,13 |
9,684 |
80,706 |
90,390 |
0,107 |
|
|
11 |
82 |
0 |
1 |
78,1 |
92,13 |
0,000 |
92,13 |
92,130 |
0 |
|
Таблица 3 — Пересчет мольных составов пара в массовый.
|
Номер точки |
Темпе- ратура, °С |
Состав |
Молекулярная масса |
Yi/•M1 |
(1-Yi/)Ч ЧM2 |
Ч ЧMi |
Y |
|||
|
Y/ |
1-Y/ |
М1 |
М2 |
|||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
|
1 |
51 |
1 |
0 |
78,1 |
92,13 |
78,100 |
0 |
78,100 |
1 |
|
|
2 |
54 |
0,955 |
0,045 |
78,1 |
92,13 |
74,586 |
4,146 |
78,732 |
0,947 |
|
|
3 |
57 |
0,886 |
0,114 |
78,1 |
92,13 |
69,197 |
10,503 |
79,700 |
0,868 |
|
|
4 |
60 |
0,815 |
0,185 |
78,1 |
92,13 |
63,652 |
17,044 |
80,696 |
0,789 |
|
|
5 |
63 |
0,758 |
0,242 |
78,1 |
92,13 |
59,199 |
22,295 |
81,494 |
0,726 |
|
|
6 |
66 |
0,660 |
0,340 |
78,1 |
92,13 |
51,546 |
31,324 |
82,870 |
0,622 |
|
|
7 |
69 |
0,593 |
0,407 |
78,1 |
92,13 |
46,313 |
37,497 |
83,810 |
0,553 |
|
|
8 |
72 |
0,473 |
0,527 |
78,1 |
92,13 |
36,941 |
48,553 |
85,494 |
0,432 |
|
|
9 |
75 |
0,378 |
0,622 |
78,1 |
92,13 |
29,522 |
57,305 |
86,857 |
0,339 |
|
|
10 |
78 |
0,283 |
0,717 |
78,1 |
92,13 |
22,102 |
66,057 |
88,159 |
0,251 |
|
|
11 |
82 |
0 |
1 |
78,1 |
92,13 |
0 |
92,13 |
92,13 |
0 |
|
По полученным массовым составам равновесных фаз строим изобарную диаграмму равновесия в системе координат t -x, y.
2.2.3 Материальный баланс ректификационной колонны
При установившемся режиме работы колонны, материальный баланс будет иметь вид, согласно [12, С. 5]
F=D+W,
где F — массовый расход сырья, кг/ч;
- D — массовый выход дистиллята, кг/ч;
- W — массовый выход остатка, кг/ч.
Массовый выход дистиллята D, кг/ч, определяем по формуле [12, С.5]
D=F•, (2.8)
D=38000=12258 кг/ч.
Тогда массовый выход остатка W, кг/ч, будет
W=F — D, (2.9)
W=38000-12258=25742 кг/ч.
Определяем массовое содержание низкокипящего компонента в сырье, кг/ч, согласно [12, С.5]
F•XF=38000•0,34=12920 кг/ч. (2.10)
Определяем массовое содержание толуола в сырье, кг/ч, согласно [12, С.5]
F•(1 — XF)=38000•(1 — 0,34)=25080 кг/ч. (2.11)
Массовое содержание бензола в дистилляте, кг/ч, определяем по формуле [12 , С.5]
D•YD=12258•0,97=11890,26 кг/ч. (2.12)
Массовое содержание толуола в дистилляте, кг/ч, определяем по формуле [12, С. 5]
D•(1 — YD)=12258•(1 — 0,97)=367,74 кг/ч. (2.13)
Массовое содержание бензола в остатке, кг/ч, определяем по формуле, согласно [12, С. 5]
W•XW=25742•0,04=1029,68 кг/ч. (2.14)
Массовое содержание толуола в остатке, кг/ч, определяем по формуле [12, С. 5]
W•(1 — XW)=25742•(1 — 0,04)=24712,32 кг/ч (2.1)
По результатам расчета материального баланса колонны составляем таблицу 4.
Таблица 4 — Материальный баланс ректификационной колонны.
|
Компоненты бинарной смеси |
Массовая доля |
Содержание, кг/ч |
|||||
|
в сырье |
в дистилляте |
в остатке |
в сырье |
в дистилляте |
в остатке |
||
|
бензол |
0,34 |
0,97 |
0,04 |
12920 |
11890,26 |
1029,68 |
|
|
толуол |
0,66 |
0,03 |
0,96 |
25080 |
367,74 |
24712,32 |
|
|
Итого |
1,00 |
1,00 |
1,0000 |
38000 |
12258 |
25742 |
|
2.2.4 Определение минимального флегмового числа
Минимальное флегмовое число, Rmin, определяем по формуле, согласно [12, С. 11]
Rmin=,(2.16)
где XC, YC — массовые доли толуола в равновесных, соответственно жидкой
и паровой фазах, определяются по диаграмме равновесных составов.
Тогда
Rmin==2,57
2.2.5 Определение минимального числа теоретических тарелок
Число теоретических тарелок при полном орошении Nmin , шт, определяем по уравнению Фенске согласно [12, С.13]
Nmin=, (2.17)
где б — усредненное значение коэффициента относительной летучести, оп- ределяется по формуле [12, С.13]
б=, (2.18)
где бмах — коэффициент относительной летучести компонентов при темпера-
туре 82 °С, определяемый по формуле [12, С.13]
бмах=, (2.19)
где Р182, Р282 — соответственно давление насыщенных паров бензола и толуола при плюс 82 °С, МПа,
тогда
бмах==2,75 ;
- бmin — коэффициент относительной летучести компонентов при температуре плюс 51 °С, определяем по формуле [12, С.13]
бmin= ,(2.20)
где Р151, Р251 — соответственно давление насыщенных паров бензола и толуола при температуре плюс 51 °С, МПа,
тогда
бmin==3,11.
Подставляем найденные значения в формулу (2.18):
б= =2,92 .
Тогда
Nmin==6,2 шт.
2.2.6 Определение рабочего числа теоретических тарелок
Рабочее число теоретических тарелок NТ, шт, определяем, используя корреляционное уравнение, связывающее число теоретических тарелок и флегмовое число [18,С. 238]
Y=1-exp, (2.21) где Х — отношение, определяемое согласно [18,С.238] по формуле Х=, (2.22) Y — отношение, определяемое согласно [18, С. 238] по формуле Y=, (2.23) где R — флегмовое число.
Флегмовое число примем максимально приближенным к минимальному флегмовому числу Rmin, учитывая аварийное отключение подачи теплоносителей к кипятильнику и конденсатору, и возможностью вести режим при минимальных нагрузках по расходу теплоносителей.
Принимаем
R=3,727.
Решая, данное уравнение получаем
Nт=14 шт.
2.2.7 Определение действительного числа контактных устройств
Число контактных устройств (клапанных тарелок) N определяем по уравнению [12, С. 19 ]
N=, (2.24)
где з — КПД клапанной прямоточной тарелки, определяемый по уравнению [18, С. 248]
з=0,492(мж•б)-0,245, (2.25)
где мж — вязкость смеси, определяемая при температуре ввода сырья по
формуле [18, С. 41]
lgмж=УХ/65i•lgмi, (2.26)
где мi — динамическая вязкость бензола и толуола при температуре плюс
65 °С, сПз, согласно [8, С. 53]
м1=0,38 сПз;
- м2=0,39 cПз;
Х/65i — мольные доли концентраций бензола и толуола в сырье при температуре плюс 65 °С
Х/651=0,42;
- X/652=0,67.
Подставляем значения в формулу ( 26 ).
lgмж=0,42•lg0,38+0,67•lg0,39=0,355 сПз.
Тогда
з=0,492•(0,355•2,92)-0,245=0,488.
N==27 шт.
2.2.8 Определение высоты колонны
Высоту колонны Н, м, определяем, учитывая врезку в корпус аппарата через каждые 10 тарелок люков — лазов, тогда формула будет иметь вид
Н=9Нт+Нл+9Нт+Нс+6Нт+Нв+Нк (2.27)
где Нт — расстояние между тарелками, мм, по рекомендации [17, С.220]
Нт=600 мм;
- Нл — расстояние между тарелками в местах установки люков — лазов, мм, по рекомендации [17, С.220]
Нл=800 мм;
Нв — расстояние между верхней тарелкой и верхним днищем, мм,
