Определение давления и температуры в колонне ректификации

3.2.1. Выбор давления и температуры

Давление и температура в колонне ректификации являются основными параметрами технологического режима. От параметров зависит выбор аппаратурного оформления, возможность проведения процесса и определяется экономический эффект.

Выбор давления в колонне определяется следующими принципами:

Вакуумные колонны. Понижение давления в колонне по сравнению с атмосферным необходимо при разделении термически нестабильных смесей. В этом случае уменьшается температура процесса, увеличивается относительная летучесть компонентов, улучшается разделение смеси. Это позволяет применить колонну с меньшим числом тарелок, меньшим флегмовым числом и меньшей поверхностью теплообмена кипятильника колонны, однако, ухудшается конденсация паров, уменьшается температура конденсации в конденсаторе колонны.

Следует иметь в виду, что с увеличением вакуума увеличивается влияние гидравлического сопротивления системы конденсации и контактных устройств (тарелки, насадка) на конструкцию колонны и режим ее работы. Ориентировочные гидравлические сопротивления тарелок различных типов приведены в таблице 4.

Атмосферные колонны. Атмосферное давление в колонне или небольшое отклонение от него применяется тогда, когда пары дистиллята при этом давлении могут быть сконденсированы при помощи наиболее дешевых теплоносителей, например воды или воздуха.

Колонны под давлением. Повышенное давление в колонне применяется для разделения смесей с низкой температурой кипения (в основном газов). В этом случае увеличивается температура процесса и производительность колонны. Также, увеличивается разность температур между хладоагентом и парами дистиллята, что уменьшает поверхность теплообмена конденсатора колонны, однако, уменьшается разность температур между теплоносителем и кубовым остатком, что увеличивает поверхность теплообмена кипятильника колонны. Также уменьшается относительные летучести компонентов, что вызывает увеличение флегмового числа и числа тарелок; увеличивается масса оборудования, возрастают требования к прочности аппаратов, усложняется технология и в общем стоимость оборудования и процесса.

Таблица 4

Ориентировочные значения эффективности и гидравлического сопротивления тарелок различных типов

Тип тарелки

Эффективность (КПД тарелки)

Г идравлическое сопротивление, Па

Ситчатая

0,7

300

Ситчато-клапанная

0,7

300

Клапанная

0,7

450

Жалюзийно-клапанная

0,6

450

Колпачковая

0,6

450

С двумя зонами контакта фаз

0,7

350

Решетчатая

0,6

250

С S-образными элементами

0,6

450

Струйная

0,6

450

Струйная с отбойниками

0,6

250

При выборе температуры процесса руководствуются следующими принципами:

  • - система должна быть далекой от критического состояния, т.е. должны сосуществовать паровая и жидкая фазы для обеспечения противотока жидкости и пара;
  • - необходимо исключить или минимизировать термическое разложение компонентов разделения, так как разложение приводит к снижению выхода и ухудшению качества выделяемых продуктов;
  • - следует исключить кристаллизацию дистиллята в системе охлаждения паров;
  • - по возможности следует использовать наиболее дешевые и экологичные теплоносители и хладоагенты (вода, водяной пар, воздух).

3.2.2. Расчет давления в колонне ректификации

Для расчета давления в колонне предварительно определяют температуру полной конденсации паров дистиллята. Температуру конденсации паров дистиллята экономически целесообразно подобрать не менее чем на 10-15 градусов выше температуры охлаждающего агента на выходе из конденсатора. Затем производят расчет давления, используя уравнение изотермы жидкой фазы.:

(Ю) 1=1

где t - порядковый номер тяжелого ключевого компонента; к, -константа фазового равновесия i-ro компонента; у, - содержание i-ro компонента в дистилляте (мольные доли).

Уравнение (1) с учетом, что константа фазового равновесия фаз равна:

к = ^, (И)

где Р - давление в системе (в данном случае за давление в системе принимается давление в емкости для орошения); р, - парциальное давление насыщенных паров i-ro компонента, переписываем в виде:

(12) 1=1 Г

Для решения уравнения (3) необходимо заменить р,- на аналитическую зависимость, описывающую изменение р, в зависимости от температуры. Существует большое количество различных расчетных формул, описывающих изменение давления насыщенных паров веществ в зависимости от температуры: уравнения Антуана, Дюринга, Трегубова, Ашворта и др. Выбрав из имеющихся аналитических зависимостей, описывающих изменение парциального давления вещества, наиболее подходящую, рассчитываем или находим в справочной литературе входящие в данную зависимость параметры.

Наиболее часто для расчета давления насыщенных паров индивидуальных веществ используют уравнение Антуана:

, в р =е <13>

Hi с

где pt - давление насыщенных паров (мм рт.ст.); А, В и С - константы, зависящие от природы вещества (константы уравнения Антуана);

Т - температура, при которой вычисляется давление насыщенного пара вещества (градусы Кельвина).

Константы уравнения Антуана приведены в литературе [10].

При использовании для расчета давления насыщенных паров в случае многокомпонентной ректификации уравнения Антуана необходимо найти константы А, В и С для каждого компонента, входящего в разделяемую смесь. Затем необходимо задаться предполагаемой температурой конденсации паров дистиллята. Температура выбирается на основании опыта эксплуатации подобных установок (по заводским данным) или исходя из температуры хладоагента, подаваемого в теплообменный аппарат, с учетом температурной поправки на полную конденсацию паров дистиллята. Скомплектовав исходные данные, решаем уравнение (3) одним из вышеуказанных способов относительно давления в системе - Р.

Следует иметь в виду, что в большинстве случаев мы определяем давление Р в емкости для орошения колонны. Для преодоления потерь напора при движении пара через трубопроводы и аппараты расположенные после ректификационной колонны, необходимо, чтобы давление несколько превышало расчетное. Поэтому для нахождения истинного давления вверху колонны к полученной величине необходимо прибавить сумму гидравлических потерь в трубопроводе от колонны до емкости для орошения. Кроме этого (особенно при использовании вакуумных колонн, применяемых для разделения труднолетучих веществ, а именно такие колонны применяются наиболее часто в промышленности органического синтеза) давление вверху колонны существенно отличается от давления внизу колонны вследствие гидравлического сопротивления тарелок. Поэтому для определения давления внизу колонны следует вносить поправку Др, равную гидравлическому сопротивлению одной тарелки (рассчитывается, в первом приближении можно использовать ориентировочные значения из таблицы 4), умноженному на общее число тарелок (берется приближенным и далее в расчете уточняется).

Если в результате расчета получено давление, близкое к атмосферному, то в целях упрощения технологического процесса давление в колонне принимается равным атмосферному.

3.2.3. Расчёт температуры верха колонны ректификации

После определения давления в колонне, температуру верха ректификационной колонны можно найти, вычислив температуру конденсации паров дистиллята при данном давлении по изотерме паровой фазы:

Zf = l. (14)

мк, где t - порядковый номер тяжелого ключевого компонента; к, -константа фазового равновесия i-ro компонента; у, - содержание i-ro компонента в дистилляте (мольные доли).

Преобразовав уравнение (14) аналогично уравнению (10), решаем его относительно температуры Т.

3.2.4. Расчёт температуры низа колонны ректификации

Температуру низа ректификационной колонны можно определить, найдя температуру кипения жидкости соответствующего состава исходя из уравнения:

2Хх=1. (15)

i=l

где / - порядковый номер легкого ключевого компонента; п -порядковый номер последнего компонента; к, - константа фазового равновесия i-ro компонента; х, - содержание i-ro компонента в кубовом остатке (мольные доли).

Для решения этого уравнения (15) преобразуем аналогично уравнениям (10 и 14). Алгоритм решения также аналогичен предыдущим. Расчетное давление в системе необходимо увеличить на величину гидравлического сопротивления массообменных устройств.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >