Выбор типа эпюрационной колонны

Эпюрационная и эфирная колонны

На эпюрационной колонне проводиться очистка спиртового конденсата от легколетучих примесей.

Эфирная колонна предназначена для разделения эфирно-альдегидной фракции (ЭАФ) и попутно отгоняемого этанола, возвращаемого в эпюрационную колонну.

1. Количество отбираемой эфирно-альдегидной фракции (ЭАФ) (по практическим данным, принимаемым выход этой фракции 4% от количества этанола):

Zэаф=Gэ(ф)*(1-Zэ)*4/100=2,856*(1-0,01)*4/100=0,113 т/ч

2. Расход пара в эфирной колонне (2.6% от расхода пара в бражной колонне):

Iэф=Iб*2,6/100=27,24*2,6/100=0,708 т/ч

3. Количество легколетучих веществ, направляемых в эфирную колонну (при содержании этанола Сэ=85%)

Dлв=Cэ*Zэаф/Cэаф=85*0,113/15=0,64 т/ч

4. Количество спиртового раствора, возвращаемого из эфирной в эпюрационную колонну:

Dср=Dлв+Iэф-Zэаф=0,64+0,708-0,113=1,235 т/ч

5. Расход пара в эпюрационной колонне (4% от расхода пара в бражной колонне):

Iэп=Iб*4/100=27,24*4/100=1,089

6. Количество эпюрата, направляемого на спиртовую колонну:

Dэп=Dскт+Iэп+Dср-Dлв=14,137+1,089+1,235-0,64=15,821 т/ч

7. Количество этанола в эпюрате с учётом потерь на бражной и эпюрационной колоннах:

Gэ(эп)=Gэ(ф)*(1-Zэ)(1-Zэ)=2,856*(1-0,01)(1-0,01)=2,799 т/ч

8. Концентрация этанола в эпюрате:

Cэ(эп)=(Gэ(эп)/Dэп)*100=(2,799/15,821)*100=17,69% (масс.)

Материальный баланс эпюрационной колонны

Показатели	Обозначение	Приход т/ч	Показатели	Обозначение	Расход т/ч
1.Спиртовой конденсат 2.Греющий пар 3.Спиртовой раствор из эфирной колонны	Dскт   Iэп Dср	14,137   1,089 1,235	1.Легколетучие вещества в эфирную колонну 2.Эпюрат	Dлв     Dэп	0,64     15,821
Итого		16,45	Итого		16,46

Материальный баланс эфирной колонны:

Показатели	Обозначение	Приход т/ч	Показатели	Обозначение	Расход т/ч
1.Легколетучие вещества из эпюрационной колонны 2.Греющий пар	Dлв   Iэф	0,64   0,708	1.ЭАФ 2.Спиртовой раствор в эпюрационную колонну	Zэаф Dср	0,113 1,235
Итого		1,347	Итого		1,348

Назначение:

Эпюрационная колонна предназначена для выделения эфиро-альдегидной фракции из спиртового конденсата.

Устройство:

Часть колонны, где идет извлечение легколетучего компонента, расположенную ниже ввода исходной смеси, называют исчерпывающей частью. Верхняя часть колонны, где идет повышение концентрации легколетучего компонента, называют укрепляющей частью.

Эпюрациооная колонна предстваляет цилиндрический вертикальный аппарат с эллиптической крышкой и днищем, состоящим из отдельных царг (8шт), скрепленных болтовыми фланцевыми соеденениями.

Внутри каждой царги установлены по 5 колпачковых тарелок.

Для осмотра и чистки тарелок с 1 и по 22 предусмотрены люки d=400мм. Люки плотно закрываются крышками при помощи болтов.

Некоторые крышки имеют смотровые круглые окна из термостойкого стекла, для наблюдения за состоянием деталей и процессом перегонки.

Самая нижняя царга колонны выпарной куб и поэтому она называется выпарной кубовой или кипятильной царгой.

Около днища кубовой царги размещены паровые барботёры.

d=250мм предназначен для впуска основного количества греющего пара для перегонки.

d=100мм служит для разогрева колонны в период ее пуска.

В кубовой царге имеется лаз d=500мм, штуцер для ввода эпюрата d=100мм, штуцера для впуска пара, для присоеденения указателя уровня и давления.

Исчерпывающая часть колонны содержит 20кипятильных тарелок.

Верхняя тарелка (19), исчерпывающей части колонны на которую подается питающая жидкость называется питательной.

В царге над питательной тарелкой предусмотрен штуцер (Д) для впуска спиртового конденсата (d=80мм).

Укрепляющая часть колонны состоит из 20 кипятильных тарелок.

Над последней царгой (над 40 тарелкой) имеется штуцер (Б) для впуска флегмы (d=40мм).

Колонна заканчивается эллиптической крышкой со штуцером в центре (А) для выпуска паров в дефлегматор.

Колонный аппарат устанавливается на фундамент с помощью юбки и опорного кольца и крепится к нему болтами.

На гидролизных заводах применяют преимущественно тарельчатые колонны колпачкового типа.

Тарелка колпачкового типа простейший конструкции представляет собой горизонтально расположенный диск, который имеет горловину, обращенную вверх, называемую воротником или паровым патрубком. Над горловиной укреплен колпак, диаметр которого больше диаметра воротника.

Колпак устанавливают так, чтобы между кромками колпака и плоскостью тарелки имелись зазоры.

Кроме колпака на тарелке имеется так называемый переливной стакан. Часть стакана приподнята над плоскостью тарелки на высоту нескл. Меньшую, чем высота воротника (60мм).

Высота парового патрубка должна превышать высоту переливного стакана не менее, чем на 10мм.

Вторая часть стакана опущена под плоскость тарелки на нижележащую тарелку, не достигая её, образует зазаор между кромками стакана и плоскостью этой же нижележащей тарелки.

Минимальная площадь поперечного сечения трубы переливного стакана должна быть такой, чтобы скорость стекания жидкости не превышала 0,2 м/с.

Площадь поперечного сечения всех паровых патрубков обычно составляет 10-15% от площади поперечного сечения колонны.

Для эпюрационной колонны площадь всех паровых патрубков составляет 0,12 от площади поперечного сечения колонны.

Площадь поперечного сечения 1 патрубка определяется по формуле:

f=(10-15)*Fk/n*100

n – число паровых патрубков на тарелке

Fk – площадь поперечного сечения колонны

Размер колпака устанавливают из расчёта создания одинаковых скоростей движения паров как в паровом патрубке, так и в зазорах, образуемых стенками колпака и патрубка.

Наличие гидравлического затвора на каждой тарелке, а также сопротивление, возникающее при прохождении паров через колпаки, создают перепад давления между верхней и нижней частями колонны.

Принцип работы:

Жидкость в кубовой части колонны кипит, подогреваемая теплотой конденсации глухого или острого пара.

Из этой жидкости, с низкой конц. легколетучего компонента, образуется пар, с более высокой концентрацией легколетучего компонента, близкой к равновесной конц.

Образующийся пар поднимается вверх, встречает на пути первую, вышележащую тарелку, проходит через её воротник, встречает колпак, продвигается вниз по кольцевому зазору и затем пробулькивает через слой жидкости, заполняющий тарелку до уровня переливного стакана.

Пары, пробулькивая через жидкость конденсируются в ней и за счёт теплоты конденсации, образуют новые пары, более богатые легколетучим компонентом.

Пробулькивание паров через жидкость или, как его называют, барботирование, происходит вследствие разности давления под тарелкой и над ней.

Величина разности давлений складывается из гидростатического давления слоя жидкости на тарелке и местных сопротивлений прохождению пара, которые создают воротник и колпак.

Конденсация пара при барботировании происходит вследствие меньшей температуры кипения жидкости на тарелке сравнительно с температурой кипения жидкости в кубовой царге.

Образовавшиеся пары, поднимаются на следующую тарелку, и далее процесс повторяется столько раз, сколько тарелок в колонне.

Навстречу парам, сверху вниз, стекает жидкость.

В исчерпывающей части, смесь, подлежащая разделению и флегма из укрепляющей части колонны.

Жидкость контактирует с барботируемым паром и далее через переливной стакан стекает на нижележащую тарелку, обеднённая легколетучим компонентом.

Т.о. на каждой тарелке происходит конденсация и образование новых паров и осуществляется массообмен между паровой и жидкой фазами.

В результате из верхней части колонны уходят пары с наибольшей концентрацией легколетучего компонента, а жидкость удаляется внизу, из кубовой части, лишённая этого компонента.

На каждой тарелке d=220мм расположены в шахматном порядке 10 колпаков и 2 переливные трубы d=250мм.

Кромки колпаков имеют зубцы шириной 10мм и высоту 15мм.

Укреплены колпаки над плоскостью тарелки на 30мм.

Выступающая над тарелкой часть переливной трубы расширена до 300мм, для увеличения периметра слива.

Нижняя часть трубы имеет вырез h=30мм, обращённый в противоположную сторону от колпаков тарелки, на которую опускается переливной стакан.

Вырез в трубе обеспечивает беспрепятственное вытекание жидкости из трубы на тарелку и исключает проскакивание пара непосредственно из под колпака в трубу.

5. Расчёт эпюрационной колонны

Исходные данные:

Gf=14,137 т/ч = 3,9 кг/с

Xf=20%

Gd=0,60 т/ч = 0,16 кг/с

Xd=90%

Gw= Gf- Gd = 3,9-0,16=3,74 кг/с

Xw=17,7%

1.Перевод массных процентов в мольные доли

Xf = (Xf/Мэт)/[ Xf/Мэт+(100- Xf)/Мв]=(20/46)/[20/46+(100-20)/18]=0,089

Xd= (Xd/Мэт)/[ Xd/Мэт+(100- Xd)/Мв]=(90/46)/[90/46+(100-90)/18]=0.78

Xw= (Xw/Мэт)/[ Xw/Мэт+(100- Xw)/Мв]=(17.7/46)/[17.7/46+(100-17.7)/18]=0.07

2. Относительный мольный расход питания:

f=(Xd-Xw)/(Xf-Xw) = (0.78-0.07)/(0.089-0.07)=37.4

3. Минимальное флегмовое число

Определяем графическим способом.

Rmin = (Xd/b) - 1 = (0,78/0,20)-1=2,9

4.Рабочее флегмовое число

R=1,3* Rmin+0,3 = 1,3*2,9+0,3 = 4,07

5. Уравнение рабочих линий

а) верхней части колонны:

y=R/(R+1)*х+Хd/(R+1)= 4,07/(4,07+1)*х+0,78/(3,6+1)=0,78х+0,153

б) в нижней части колонны

y=R+f/(R+1)*х+(f-1)/(R+1)*Xw = (4,07+37,4)/(4,07+1)*х+(37,4-1)/(4,07+1)*0,07=2,5х+0,5

6. Определение скорости пара и диаметра колонны.

Средняя концентрация жидкости:

а) в верхней части колонны:

Хв.ср.=(Xf+Xd)/2 = (0,089+0,78)/2 = 0,434

б) в нижней части колонны:

Хн.ср.=(Xf+Xw)/2 = (0,089+0,07)/2 = 0,079

Средняя концентрация пара:

а) в верхней части колонны:

y в.ср = 0,78*0,434+0,169 = 0,507

б) в нижней части колонны:

y н.ср. = 2,5*0,079+0,5 = 0,69

Средняя температура пара:

а) в верхней части колонны:

t в.ср. = 82*С

б) в нижней части колонны:

t н.ср = 97*С

Средняя мольная масса и плотность пара:

а) в верхней части колонны:

Мп.в.ср = Мэт* y в.ср +Мв.(1- y в.ср) = 46*0,507+18*(1-0,507)=32,196 кг/кмоль

Р п.в. = Мп.в.ср/22,4*рТо/роТ= 32,196/22,4*273/273+82 = 1,1 кг/м3

б) в нижней части колонны:

Мп.в.ср = 46*0,69+18*(1-0,69)=37,32 кг/кмоль

Р п.н. = 37,32/22,4+273/273+97= 2,4 кг/м3

Плотность жидкости в колонне:

а) в верхней части колонны:

Рж.в. = 1/ [Хв.ср/Рэт+(1- Хв.ср)/Рв] = 1/[0,434/733+(1-0,34)/970]=850,63 кг/м3

б) в нижней части колонны:

Рж.н. = 1/ [Хн.ср/Рэт+(1- Хн.ср)/Рв] = 1/[0,079/733+(1-0,079)/970]=935,36 кг/м3

Средняя плотность пара в колонне:

Рп.ср = (Р п.в+ Р п.н)/2 = (1,1+2,4)/2 = 1,75 кг/м3

Средняя плотность жидкости в колонне:

Рж.ср. = (Рж.в+ Рж.н.)/2 = (850,63+935,36)/2 = 892,9 кг/м3

Скорость пара в колонне:

W п = с√Рж.ср./Рп.ср = 0,032√892,9/1,75 = 0,72 м/с

Где с – коэффициент, зависящий от типа тарелок и расстояния между ними. Принимая расстояние между тарелками h м.т. = 300мм, по графику (Романков, п.7.2) определяем с=0,032

Объемный расход пара, проходящего через колонну при средней температуре в колонне:

tср=(tв.ср+tн.ср)/2 = (82+97)/2=89*С

V= [Gd(R+1)*22.4T]/Md*To = [0.16*(4.07+1)*22.4*273+89]/39.84*273 = 0.604 м3/с

Где Md – мольная масса дистиллята:

Md = 0.78*46+18*(1-0.78)=39.84 кг/кмоль

Диаметр колонны:

D= √V/0.785*Wп = √0,604/0,785*0,72 = 1,03

По ГОСТ принимаем диаметр колонны 1,2 м

Действительная скорость пара в колонне:

Wд= V/0.785*D2 = 0,604/0,785*(1,2)2 = 0,53 м/с

7. Гидравлический расчёт

Характеристика колпачковой тарелки типа ТСК-Р:

Fк=3,14м2 (свободное сечение колонны)

Псл= 1,455м (периметр слива)

Fс= 0,33м2 (сечение перелива)

dк= 100мм (диаметр колпачка)

hк= 90мм (высота колпачка)

hп= 30мм (высота прорези)

b= 4мм (ширина прорези)

Fпр= 0,00012м2 (площадь одной прорези)

Скорость газа в прорезях:

а) в верхней части:

Wпр.в.= α√(g*рж.в.*hп)/ξ*рп.в. = 1*√(9,81*850,63*0,03)/5*1,1=2,87 м/с

Где α =1 (для колпачковых тарелок);

ξ=5 (коэффициент сопротивления)

б)в нижней части:

Wпр.н.= α√(g*рж.н.*hп)/ξ*рп.н. = 1*√(9,81*935,36*0,03)/5*2,4=4,7 м/с

Гидравлическое сопротивление колпачковой тарелки:

▲рт=▲рсух+▲рσ+▲рст

где:

▲рсух – сопротивление сухой тарелки

▲рσ – сопротивление, вызываемое силами поверхностного натяжения

▲рст – статическое сопротивление слоя жидкости на тарелке.

Сопротивление сухой тарелки:

а) в верхней части колонны

▲рсух в = ξ*[(Wпв)2*рп.в./2] = 5*[(2,87)2*1,1/2] = 22,65 Па

б) в нижней части

▲рсух н = 5*[(4,7)2*2,4/2] = 132,5

Объемный расход жидкости в колонне:

а) в верхней части колонны

Vж.в. = (Gd*R*Mср.в)/(Md*Рж.в.) = (0,16*4,07*30,152)/(39,84*850,63) = 0,0005 м3/с

Где

Mср.в = 46*0,434+18*(1-0,434) = 30,152 кг/кмоль

б) в нижней части

Vж.н = [Gd*R/ Md+Gf/Mf]* Mср.н/ Рж.н] = [0,16*4,07/39,84+3,9/20,49]*20,212/935,36 = 0,004 м3/с

Где

Mср.н = 46*0,079+18*(1-0,079) = 20,212 кг/кмоль

Mf = 46*0,089+18*(1-0,089) = 20,49 кг/кмоль

Высота уровня жидкости над сливным порогом:

а) в верхней части:

▲hв = (Vж.в/1,85Псл*к)2/3 = (0,0005/1,85*1,455*0,5)2/3 = 0,0034 м

где к=0,5 – относительная плотность пены

б) в нижней части

▲hн = (0,004/1,85*1,455*0,5)2/3 = 0,013

Статическое сопротивление слоя жидкости:

а) в верхней части:

▲Рст.в. = 1,3*к*Рж.в*g*(λ+hп/2+▲hв) = 1,3*0,5*850,63*9,81*(0,02+0,03/2+0,0034) = 208,28 Па

б) в нижней части

▲Рст.н. = 1,3*к*Рж.н*g*(λ+hп/2+▲hн) = 1,3*0,5*935,36*9,81*(0,02+0,03/2+9,9) = 286,28 Па

где

λ = 0,02 – расстояние от верхнего края прорези до сливного порога

Сопротивление, вызываемое силами поверхностного натяжения:

▲Рσ = 4σ/dэ

где

dэ = 4*[Fпр/2*(b+ hп)] = 4*[0,00012/2*(0,004+0,03)] = 0,00706 м

σ – поверхностное натяжение:

σ = σэт+Хср+σв(1-Хср)

Хср = (0,434+0,079)/2 = 0,25

σэт = σо-0,092tср = 24,1-0,092*89 = 15,9*10^(-3) Н/м

σв = σо-0,092tср = 75,6-0,092*89 = 67,4*10^(-3) Н/м

σ = 15,9*10^(-3)*0,25+67,4*10^(-3)*(1-0,25) = 54,3*10^(-3) Н/м

▲Рσ = 4*(54,3*10^(-3)/0,00706) = 30,76 Па

Общее сопротивление одной тарелки:

а) в верхней части:

▲Рв = ▲Рсух.в + ▲Рст.в + ▲Рσ = 22,65+208,28+30,76 = 261,12 Па

б) в нижней части:

▲Рн = ▲Рсух.н + ▲Рст.н + ▲Рσ = 132,5+286,28+30,76 = 448,97 Па

Проверка принятого расстояния между тарелками:

▲hм.т.›(1,8*▲Р)/ (Рср*g)

а) в верхней части:

0,3›(1,8*261,12)/(850,63*9,81)=0,05 м

б) в нижней части:

0,3›(1,8*448,97)/(935,36*9,81) = 0,08

т.е. условие выполняется

8.Определение числа теоретических тарелок

Число теоретических тарелок определяем графическим способом. Строим ступени изменения концентрации между равновесной линией и рабочими. Таким образом, число теоретических тарелок в верхней части колонны пт.в=11, в нижней пт.н=8. Общее число теоретических тарелок равно 22.

9.Определение коэффициента полезного действия колонны.

Для определения КПД колонны находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов α=Рэт/Рв и коэффициент динамической вязкозти исходной смеси при средней температуре в колонне 89*С. При этой температуре давление насыщенного пара этанола Рэт=1168 мм рт.ст., давление насыщенного водяного пара Рв.=516 мм рт.ст.

α=1168/516=2,26

Вязкозть исходной смеси находим из уравнения:

lg μ=Xf*lg μэт+(1-Хf)*lg μв

lg μ =0,2* lg0,38+(1-0,2)* lg0,32

μ=0,33 Па*с

Тогда: α*μ=2,26*0,33=0,75

По графику (Романков п.7.4) находим η=0,51

10.Определение числа действительных тарелок:

а) в верхней части:

пд.в.=пт.в/ η=11/0,51=22

б) в нижней части

пд.н.=пт.н./ η=8/0,51=16

Общее число тарелок 38. Принимаем с запасом пд.=40, из них в верхней части колонны 30 и в нижней 10 тарелок.

11. Определение высоты колонны:

Н=hм.т.(пд.-1)+Нс+Нкуб=0,3(60-1)+1,2+2,4=21,3

Где

Нс-высота сепарационной части = D

Нкуб-высота кубовой части = 2D

Заключение

Таким образом, эпюрационная колонна имеет следующие характеристики:

Диаметр колонны: 1.2м

Высота колонны: 21.3м

Число тарелок в исчерпывающей части: 10

Число тарелок в укрепляющей части 30

Расстояние между тарелками 300мм

Список литературы

1. Холькин Ю.И. Технология гидролизных производств. Учебник для вузов. – М.: Лесн. Пром-ть, 1989. – 496 с.

2. В.А. Ёлкин, А.В. Бахтиярова Расчёт оборудования цеха очистки и ректификации этанола: учебное пособие СПб.: СПбГЛТУ, 2013. – 68с.

3. Романков П.Г.,Курочкина М.И., Моржерин Ю.Я., Смирнов Н.Н. Процессы и аппараты химической технологии «Химия» 1989. – 554с.

Дата добавления: 2015-04-24