Дистилляция этилового спирта из бражки

Общие методы расчета колонн >

Расчет дефлегматоров и холодильников брагоперегонных аппаратов

Замена кожухотрубного дефлегматора на пластинчатый

Руководство по проектированию и диагностированию теплообменников для конденсации

Материальный баланс бражной колонны

Эпюрация и ректификация этилового спирта

Моделирование процесса эпюрации этилового спирта

Эпюрация и ректификация этилового спирта под вакуумом

Тепловые схемы ректификационных установок под вакуумом

Материальный и тепловой балансы эпюрационной (гидроселекционной) и ректификационной колонны

Примеси спирта

ГОСТ на спирт

Очистка спирта вспомогательными средствами

Ректификационные и выпарные аппараты с использованием вторичного пара

Оптимальное управление брагоректификационной установкой косвенного действия

ОБЩИЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА КОЛОНН ДИСТИЛЛЯЦИОННО-РЕКТИФИКАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ

Целью расчета является определение основных технологических параметров и геометрических размеров колонны, обеспечивающих заданную производительность и четкость разделения продукта. Расчет колонны должен обеспечить оптимальную конструкцию при минимальных затратах на ее сооружение и эксплуатацию.

К технологическим параметрам колонны относятся: состав исходного и выходящих из колонны конечных продуктов, их температура, величина орошения и парового потока. Размер колонны определяется величиной потока пара и числом тарелок в колонне.

Весь расчет делится на технологический и гидравлический. На основании технологического расчета определяется такой режим работы колонны, который обеспечил бы заданное качество разделения исходного продукта. На основании гидравлического расчета определяются размеры колонны и ее внутренних устройств, которые способны обеспечить заданное разделение исходного продукта.

Технологический расчет колонн дистиляционно-ректификационного апарата включает:

выбор технологической схемы разделения,
способа обогрева колонн и способа орошения;
составление материального баланса колонны;
определение величины орошения и потока пара;
составление теплового баланса;
определение числа тарелок и выбор типа тарелок.

1. Выбор технологической схемы

При разделении бинарной смеси выбор схемы сводится к выбору типа колонны (полной, укрепляющей или отгонной), который определяется необходимой степенью чистоты конечных продуктов, а также летучестью разделяемых компонентов. Если требуется получить оба продукта высокой степени чистоты, то, как правило, применяют полные ректификационные колонны; если же в одном из конечных продуктов допускается значительное присутствие другого компонента, то могут применяться неполные колонны.

При разделении многокомпонентной смеси ее чаще всего предварительно сводят к бинарной, состоящей из двух ключевых компонентов. Один из этих компонентов для данной колонны считается легколетучим, другой — труднолетучим. Легколетучим ключевым компонентом будет называться наиболее летучий из компонентов остатка, а труднолетучим — наименее летучий из компонентов дистиллята.

Следующим этапом выбора схемы является определение числа колонн в соответствии с числом целевых (конечных) компонентов, и, как и в случае бинарной смеси, определение типа колонн для разделения.

2. Выбор способа обогрева колонн

При выборе способа обогрева необходимо исходить как из технологических, так и теплотехнических соображений. Открытый обогрев применим в том случае, когда греющий пар не оказывает отрицательного влияния на качество конечных продуктов, не взаимодействует с продуктами ректификации и не образует новых, трудноразделяемых систем в колонне. Обычно пользуются открытым обогревом, если труднолетучим компонентом разделяемой смеси является вода или продукт, обогащенный ею, и разбавление его водой не вызывает отрицательных последствий.

Рис. 44 Способы подвода тепла в колонны:

/ — открытый обогрев: а — впуск пара непосредственно под тарелку; б — впуск пара через барботер; в — впуск пара под распределительный колпак;

// — закрытый обогрев: а — через змеевик, установленный внутри колонны; б — через испарители с паровым пространством; в, г, д — через кожухотрубные испарители с естественной циркуляцией; е — через кожухотрубные испарители с принудительной циркуляцией жидкости.

При открытом обогреве конденсат греющего пара смешивается с конечным продуктом разделения (остатком).

Закрытый обогрев требует наличия пара более высоких параметров (по температуре и давлению). На рисунке выше показаны применяющиеся способы подвода тепла в колонны.

3. Выбор способа орошения в колонне

Орошение, необходимое для проведения ректификации, в отгонных колоннах достигается путем подачи питания в жидком виде на верхнюю тарелку.

В полных и укрепляющих колоннах орошение осуществляется за счет конденсата паров, выходящих из верхней части колонны. Остальные пары образуют дистиллят — верхний продукт колонны, поэтому орошение и отбор дистиллята количественно связаны между собой.

Отношение количества горячего (при температуре конденсации) орошения или флегмы L к количеству дистиллята D называется флегмовым числом v:

Где G - количество пара, выходящего из колонны, G = L + D. Все величины принимаются в килограммах или киломолях.

Рис. 45. Способы орошения колонн:

/ — самотеком; // — принудительно: а — с частичной конденсацией пара; б — с полной конденсацией пара; / — дефлегматор; 2 — емкость для флегмы; 3 — насос.

Флегмовое число показывает, в каком отношении паровой поток колонны делится на флегму и дистиллят. Оно может изменяться от 0 до ∞.

При v = 0 орошение колонны также равно нулю, следовательно, паровой поток колонны не будет встречаться с потоком жидкости, т. е. не будет массообмена и обогащения пара легколетучим компонентом. Другими словами, можно сказать, что. без орошения колонны процесса ректификации быть не может.

При v = ∞ весь конденсат паров, выходящих из колонны, полностью поступает на орошение. В этом случае отбор дистиллята равен нулю. Процесс ректификации в колонне идет, но нет выхода легколетучего продукта — колонна работает «на себя». При установившемся процессе нижний продукт колонны будет иметь тот же состав, что и исходное питание.

Практически колонна должна обеспечивать разделение и давать дистиллят, следовательно, она должна работать при

0<v<∞.

Орошение может быть организовано самотеком (когда дефлегматор установлен выше верхней тарелки) и принудительно— с помощью насоса (рис. 45). Во втором случае дефлегматор устанавливается ниже верхней тарелки колонны, что позволяет уменьшить общую высоту установки.

Отбирать дистиллят можно после частичной или полной конденсации пара. В первом случае обеспечивается дополнительное обогащение дистиллята легколетучим компонентом вследствие частичной конденсации пара и массообмена между флегмой и паром при противоточном движении их. Таким образом, дефлегматор в известной степени выполняет и функции ректификационной колонны. Во втором случае пар, выходящий из колонны, дистиллят и флегма имеют одинаковый состав и дефлегматор не дает никакого укрепляющего эффекта.

Тепло конденсации паров обычно отводится с помощью воды и продуктов, подлежащих нагреванию. Известны случаи отвода тепла конденсации с помощью воздушных дефлегматоров, которые стоят дешевле, чем кожухотрубные с водяным охлаждением.

При охлаждении водой возможен параллельный или последовательный ход ее через теплообменники. При параллельном вводе облегчается регулировка системы охлаждения, но, как правило, требуется больший расход воды по сравнению с последовательным вводом.

4. Материальный баланс колонны

Материальный баланс колонны составляется с целью определения количества получаемых продуктов на основании данных об исходном сырье и заданного разделения.

Уравнение материального баланса (рис. 46) по всему продукту:

М = D + 0, (10)

где М, D и О — соответственно количество исходного продукта, дистиллята и остатка, кг или кмоль; по одному из компонентов (чаще — легколетучему) :

МХ_М= DХ_D + ОХ₀, (11)

где Х_м,Х_D и Х₀ — содержание компонента соответственно в исходном продукте, дистилляте и остатке, % маc. или % мол. Совместное решение уравнений (10) и (11) дает возможность определить выход верхнего или нижнего продукта по исходному или соотношение между конечными продуктами:

5. Соотношение потоков пара и жидкости и определение числа теоретических тарелок

Соотношение между количеством орошения и пара, а также число тарелок в колонне являются основными параметрами колонны, определяющими заданное разделение смеси.

Пользуясь кривой фазового равновесия и рабочей линией, можно графически определить число теоретических тарелок (ступеней изменения концентраций), необходимых для разделения смеси в заданных пределах изменения концентраций.

Предварительно рассмотрим графическое изображение теоретической тарелки в диаграмме X—У (рис. 47).

Предположим, что участок колонны, ограниченный сечениями /—/ и //—//, соответствует одной теоретической тарелке. В соответствии с определением теоретической тарелки концентрация фаз на одной тарелке изменяется от рабочего состояния до равновесного (обозначим последнее индексом ^X). Паровой поток вступает в контакт при рабочей концентрации легколетучего У₁, а жидкостный соответственно при Х₂. За счет массообмена, идущего на тарелке, концентрация парового потока увеличивается до У₂^х, а жидкостного соответственно уменьшится до Х₁^х

Представим, что рабочие концентрации жидкости и пара в сечении /—/ характеризуются точкой А на диаграмме X—У (см. рис. 47,6). Следовательно, точка А должна лежать на рабочей линии. В результате прохода через теоретическую тарелку пар должен достичь равновесного состояния У₂^х (точка В) с рабочей жидкостью, имеющей концентрацию Х₁^х. При условии равенства потоков L/G= 1 концентрация жидкости вследствие контакта с паром уменьшится на такую величину, на какую увеличится концентрация взаимодействующего с ней пара. Отложим по оси абсцисс отрезок, равный АВ, и определим положение точки Х_2.

Рис. К графическому изображению теоретической тарелки в диаграмме X—V.

У₂^х и Х₂характеризуют рабочие концентрации пара и жидкости в сечении //—//, следовательно, точка С с координатами (У=У₂^х и Х=Х₂) будет также лежать на рабочей линии. Прямая МN, проходящая через точки A и С, является рабочей линией. Прямоугольный треугольник АВС, вершина прямого угла которого лежит на кривой фазового равновесия, а гипотенуза — на рабочей линии, характеризует изменение концентраций потоков, происходящее в пределах одной теоретической тарелки.

Если же требуется определить необходимое число теоретических тарелок в пределах заданного изменения концентраций, то на диаграмме X—У между кривой фазового равновесия и рабочей линией строится ломаная линия с прямыми углами. Число ступеней, полученное при построении этой ломаной, и будет числом теоретических тарелок, необходимым для заданного изменения концентраций или для заданного разделения смеси.

§ 6. Тепловой баланс колонны

На основании теплового баланса колонны определяются расход греющего пара, вводимого в колонну, и количество воды или другого хладагента, необходимое для отвода тепла на конденсацию паров, выходящих из колонны.

Уравнение теплового баланса полной ректификационной колонны (рис. 52) с учетом теплопотерь Q_пимеет следующий вид:

7. Выбор типа тарелки ректификации

В спиртовом производстве наибольшее распространение получили колпачкавые тарелки. Многоколпачковые тарелки применяются в колоннах для разделения чистых жидкостей, одно-колпачковые — для разделения жидкостей со взвешенными частицами. Реже применяются ситчатые тарелки со сливными устройствами. Тарелки для чистых жидкостей имеют отверстия диаметром 2,5—3,5 мм, для загрязненных 8—12 мм.

В последние годы в других отраслях промышленности для ректификационных колонн широко применяются тарелки новых типов (ситчатые тарелки без сливных устройств, клапанные тарелки и др.).

При выборе типа тарелки необходимо в первую очередь учитывать удельную производительность тарелки, ее эффективность, экономичность конструкции, а также способность обеспечить оптимальные условия работы колонны для различных технологических процессов.

Кроме расходных параметров и физических свойств разделяемой смеси, должно быть учтено следующее: 1) пределы изменения рабочих нагрузок; 2) наличие в сырье механических примесей и возможность образования твердых отложений, требующих периодической чистки колонны; 3) агрессивность сред.

Так как основными показателями, характеризующими эффективную и устойчивую работу тарелки, является скорость пара в свободном сечении колонны и плотность орошения, выбор типа тарелки для конкретных условий разделения определяется главным образом нагрузками по пару и жидкости.

8. Гидравлический расчет

Устойчивая работа тарелки определяется высокой эффективностью разделения (к. п. д.). Так как к. п. д. тарелки зависит от гидродинамических условий на тарелке, то устойчивая работа будет соответствовать таким нагрузкам по пару и жидкости, при которых достигается наиболее интенсивный их контакт и высокая эффективность. Этому условию, естественно, .должен соответствовать такой режим работы тарелки, при котором пар равномерно проходит по всей площади тарелки, а жидкость сливается через переливное устройство. Для колонн без сливных устройств три устойчивой работе жидкость, как и пар, должна равномерно проходить по всей площади тарелки; на тарелке при этом должен наблюдаться равномерный и устойчивый барботаж и слив жидкости без пульсаций и перемешивания в горизонтальной плоскости.

•При высоких нагрузках по пару происходит большой унос жидкости с тарелки на тарелку, сливные устройства не обеспечивают перетока жидкости с вышележащей тарелки на нижележащую; уровень жидкости в сливном устройстве повышается до верхней кромки сливного порога, что приводит к накоплению жидкости на тарелке.

На тарелках без сливных устройств при высоких нагрузках по пару наблюдается перемешивание жидкости в горизонтальной плоскости и пульсирующий слив ее.

Верхний предел нагрузки по пару характеризуется «захлебыванием» тарелок. Внешним признаком «захлебывания» является резкое повышение давления в колонне, а для тарелок без сливных устройств, помимо этого, и резкое колебание давления.

При нагрузках по пару, приближающихся к минимально допустимым, часть жидкости переходит с тарелки на тарелку, не вступая в контакт с паром.

Большая нагрузка по жидкости также может привести к «захлебыванию» колонны. С увеличением нагрузки по жидкости максимально допустимая нагрузка по пару уменьшается. Минимально допустимая нагрузка по жидкости определяется количеством жидкости, необходимым для создания активной зоны контакта обменивающихся сред.

Выбор расстояния между тарелками. На выбор величины межтарелочного пространства (Я) наряду с экономическими (стоимость колонны) влияют технологические, конструктивные и эксплуатационные факторы.

Расстояние между тарелками в первую очередь определяется необходимостью создать условия для контакта пара и жидкости. Контакт происходит в зоне барботажа, пены и брызг. Все эти три зоны, расположенные последовательно над тарелкой, должны размещаться между смежными тарелками. Зону брызг условно можно разделить на зону крупных капель и зону мелких витающих капель. В последней от пара отделяются крупные и достаточно мелкие капли жидкости, поэтому ее называют сепарационным пространством.

Таким образом, расстояние между тарелками должно быть не менее общей высоты всех трех зон. Высота каждой зоны определяется физическими свойствами разделяемой жидкости, конструкцией тарелки, нагрузкой по жидкости и пару и обычно находится опытным путем.

Высота сепарационного пространства определяется допустимой величиной межтарелочного уноса жидкости паровым потоком. Оптимальной величиной, соответствующей минимальным затратам на разделение, считается унос жидкости в пределах 0,2 — 0,32 кг/кг пара, определяемый по формуле

l_о_пт = 0,175 — 0,2 L/G ŋ (51)

,где ŋ — к. п. д. тарелки.

При работе с жидкостями, дающими рыхлую пену, унос жидкости в основном происходит за счет хлопьев пены, обладающих высокой парусностью.

Аналитической зависимости для определения межтарелочного расстояния в зависимости от уноса жидкости для смесей, разделяемых в спиртовой промышленности, в настоящее время нет, поэтому определять необходимое межтарелочное расстояние приходится по конструктивным соображениям.

Для колонн, требующих периодической чистки, межтарелочное расстояние принимается из расчета возможности установки люков или лазов.

При диаметрах колонн до 1,5 м для чистки тарелок пользуются люками, при большем диаметре необходимо предусматривать лаз. Исходя из этого в первом случае межтарелочное расстояние принимается не менее 200 — 250 мм, во втором 450—550 мм.

Для, колонн, устанавливаемых в помещениях, расстояние между тарелками должно быть выбрано с учетом высоты здания и числа тарелок в колонне. Оно обычно принимается меньше, чем для колонн, установленных вне здания.

При минимальных расстояниях между тарелками колонна должна работать в очень жестком режиме по нагрузке, так как величина межтарелочного пространства влияет на допустимый диапазон изменения нагрузок колонны. Для большинства тарелок с увеличением межтарелочного растояния в 2 раза примерно во столько же увеличивается и диапазон изменения нагрузок.

Литература. Основные процессы и аппараты химической технологии (Дытнерский Ю.И, 1991)