Расчет и проектирование канифолеварочной колонны (стр. 2 из 4)

Но так как терпеновые углеводороды, содержащиеся в скипидаре, и смоляные кислоты, входящие в состав канифоли, при повышенных температурах склонны к изомеризации, что приводит к снижению их качества, а при температурах свыше 230-250 ⁰С канифоль разлагается, то ведение отгонки скипидара при высоких температурах недопустимо. Для снижения температуры отгонки скипидара от канифоли этот процесс можно вести следующим образом:

1. при пониженном давлении в системе;

2. в токе инертного газа (N₂, СО₂ и др.);

3. с водяным паром.

Но на наших заводах отгонку скипидара ведут только в токе острого водяного пара. Острый пар используют, так как он обеспечивает хорошее перемешивание, тепло- и массообмен, возникает меньшая возможность пригорания из-за смоления. Несмотря на простоту этого способа и его экономичность, он имеет существенный недостаток, так как приводит к образованию дополнительного количества сточных вод.

Пары скипидара и воды после канифолеварочной колонны поступают в дефлегматор 5, где отделяется тяжелая фракция скипидара. Этот конденсат поступает на дополнительное охлаждение в холодильник 7, далее направляется во флорентину и в сборник скипидара второго сорта. Этот скипидар добавляют в живицемялки. Товарный скипидар поступает во флорентину 10. Так как скипидар может содержать эмульгированную воду, то его направляют на соляноватный фильтр 11. С нижней части колонны 3 отводится канифоль и направляется в емкость 4.

Товарная канифоль является аморфным стеклообразным продуктом. Это термодинамически неустойчивый продукт и может переходить в кристаллическое состояние при выделении скрытой теплоты кристаллизации.

Технологическая схема.

1,4,9,12- емкости; 2-подогреватель; 3-канифолеварочная колонна; 5-холодильник-дефлегматор; 6,7-холодильники; 8,10-флорентина; 11-фильтр;

Рис.2.1.

3. Расчет канифолеварочной колонны и вспомогательного оборудования

3.1 Расчет канифолеварочной колонны

Отгонку скипидара от терпентина и уваривание канифоли проводят в канифолеварочных колоннах непрерывным методом. Канифолеварочная колонна снабжена колпачковыми, ситчатыми тарелками. Расстояние между тарелками 400 мм. На ситчатых тарелках расположены змеевики, в которые подается глухой пар для поддержания необходимой температуры по высоте колонны. В нижнюю часть колонны подается острый пар в перегретом состоянии p= 0.8 − 1.2 МПа. При установившемся режиме на каждой тарелке колонны образуется слой терпентина высотой 200 − 300 мм, который покрывает полностью теплообменные трубы. Перетекая через переточные трубы, живица движется вниз, острый пар поднимается вверх, нагревая слой жидкости до температуры кипения азеотропа скипидар – вода и увлекая его за собой в паровой фазе.

Большая часть скипидара испаряется в верхних тарелках, поэтому верхняя часть колонны имеет большее сечение, чем основная колонна.

Разгонку скипидара ведут в токе водяного пара, что позволяет значительно уменьшить температуру отгонки.

В терпентине, который подается на колонну, содержится 880 кг скипидара (или L=880/136= 6.47 кмоль/ч) и 1320 кг канифоли (L=1320/302=4.37 кмоль/ч). В нижнем продукте содержится 4.37 кмоль канифоли и 2.8 кг (0.02 кмоль) скипидара.

Строим равновесную линию процесса десорбции при 137⁰С для верха колонны, при 156⁰С —для средней части и при 173— для нижней части. Рабочая линия имеет вид прямой Y_к−Y_н =(L∕ G)∙(X_н− X_к), тангенс угла наклона которой равен L∕ G = 4.37∕ 15.5=0.28.

При остаточном содержании скипидара в канифоли 0.2% мас.,координаты первой точки рабочей линии будут следующими.

Содержание летучих в жидкой фазе:

(3.2.)

Поскольку в остром паре, подаваемом в нижнюю часть колонны, нет летучих, содержание летучих в паровой фазе для этой точки:

Y_н=0. (3.3.)

Координаты вторых точек рабочей линии определяем из следующих величин. При переработке терпентина 40%− ным содержанием скипидара содержание летучих в жидкой фазе составит:

(3.4.)

Содержание летучих в паровой фазе Y₂ будет определятся величиной удельного расхода острого пара, который в канифолеварении принято оценивать по соотношению H₂O:скипидар в дистилляте из паров, отходящих из канифолеварочной колонны:

(3.5.)

В нашем случае данное соотношение 1:1. Эффективность тарелок канифолеварочной колонны опредляется расходом глухого пара, подаваемого в змеевики и расходом острого пара. Строим равновесную линию процесса десорбции при 137⁰С для верха колонны, при 156⁰С —для средней части и при 173— для нижней части. Рабочая линия имеет вид прямой Y_к−Y_н =(L∕ G)∙(X_н− X_к), тангенс угла наклона которой равен

tgα=(L∕ G) = 0.1169/ 0.593=0.197

Варка канифоли рассматривается как процесс десорбции распределяемого компонента (скипидара) из раствора в нелетучем растворителе (канифоль) инертным газоносителем (водяной пар). При таком подходе мольные потоки канифоли и водяного пара постоянны по высоте колонны. Координаты линии фазового равновесия в относительных мольных долях приведены в таблице 3.1. (опытные данные Е.Барро).

Таблица 3.1.

1370С	x	0.7093	0.4586	0.2721	0.1829	0.1320	0.1048	0.07113	0.05374
	y	0.6054	0.2692	0.1164	0.0614	0.03756	0.03756	0.02597	0.0123
1560С	x	0.7516	0.3858	0.1617	0.07424	0.03615	0.02359	0.01501	0.00872
	y	1.8628	0.5133	0.10306	0.03808	0.01392	0.007932	0.00234	0.00111
1730С	x	0.7373	0.3620	0.1419	0.0617	0.02701	0.01681	0.01027	0.00620
	y	4.1679	0.7212	0.1304	0.04268	0.01265	0.005405	0.00119	0.00075

По графику (рис. 3.1.) определяем число теоретиеских ступеней (тарелок) в колонне: n=12

Графическое определение числа ступеней канифолеварочной колонны.

При 137⁰С

При 156^оС

При 173⁰С

Рис.3.1.

Эффективность тарелок канифолеварочных колонн определяется расходом глухого пара, подаваемого в змеевики, и расходом острого пара. К.п.д. тарелки близок к 1. Примем, что число действительных тарелок

n_д=12/0.8=15 (3.6.)

Максимальный расход паровой фазы в верхней части колонны равен:

V_н=V_п.ск.+ V_в (3.7.)

V_н=(880-2.8)/(3600·4.04)+ 279/(3600·0.48)=0.222 м³/с

При 137⁰С плотность паров скипидара ρ_ск=(136∕22.4)∙(273∕ 410)=4.04 кг/м³; плотность водяного пара ρ_в=0.48 кг/м³.

Примем скорость паров в колонне 0.6 м/с, тогда диаметр колонны:

D=√ V_н / (0.785∙ω) (3.8.)

D=√ 0.222/ (0.785∙0.6)=0. 7м

Стандартный диаметр колонны 0.8м.

Примем расстояние между тарелками 400мм, высоту кубовой части H_с=1м, высоту сепарационной части H_к=2.3м.

Тогда общая высота колонны:

H=(15-1)·0.4+1+2.3=8.9м (3.9.)

Удельная теплота скипидара r_ск=335 кДж/кг, теплота конденсации водяного пара при Р=0.1 МПа r_гр=2024 кДж/кг, расход глухого греющего пара, подаваемого в змеевики колонн определяют по формуле:

D_гр=1.1·Q_исп/r_гр, (3.10)

где 1.1- коэффициент, учитывающий теплпотери, Q_исп – тепловая мощность, передаваемая змеевиком на испарение скипидара, кВт;r_гр-теплота конденсации водяного пара, кДж/кг.

Q_исп=G_ск·r_гр, (3.11.)

Q_исп=597.2·335/3600=55.57 кВт

Плошадь певерхности теплообмена змеевиков можно ориентировочно рассчитать исходя из количества скипидара, отгоняемого на каждой тарелке. Проведем расчет для первой тарелки сверху.

Масса скипидара, испаряемого на верхней тарелке.

G₁= L·(X_н – X₁) (3.12.)

G₁= 4.37·(0.597 – 0.24)·136=212.17 кг/ч

Тепловая мощность, передаваемая змеевиком на испарение скипидара.

Q₁=G₁·r_ск (3.13.)

Q₁=212.17·335/3600=19.74 кВт

Расход глухого пара в змеевике первой тарелки будет равен:

D₁=1.1·Q₁/r_гр (3.14.)

D₁=1.1·19.74/2024=0,0107 кг/с = 38.75 кг/ч

Коэффициент теплопередачи глухого пара терепентина примем

400 Вт/м²·⁰С.

Вычислим площадь поверхности теплообмена первой тарелки:

F₁=Q₁/k·(t_н-t_в) (3.15)

F₁=19.74/0.4·(173-140)=1.495 м²

Проведем расчет для второй тарелки сверху.

Масса скипидара, испаряемого на тарелке.

G₂= 4.37·(0.24 – 0.142)·136=58.24 кг/ч

Тепловая мощность, передаваемая змеевиком на испарение скипидара.

Q₂=58.24·335/3600=5.42 кВт

Расход глухого пара в змеевике второй тарелки будет равен:

D₂=1.1·5.42/2024=0.00295 кг/с = 10.64 кг/ч

Вычислим площадь поверхности теплообмена второй тарелки:

F₂=5.42/0.4·(173-143)=0.452 м²

Проведем расчет для третьей тарелки сверху.

Масса скипидара, испаряемого на тарелке.

G₃= 4.37·(0.142 – 0.06)·136=48.73 кг/ч

Тепловая мощность, передаваемая змеевиком на испарение скипидара.

Q₃=48.73·335/3600=4.53 кВт

Расход глухого пара в змеевике третьей тарелки будет равен:

D₃=1.1·4.53/2024=0,00246 кг/с = 8.9 кг/ч

Вычислим площадь поверхности теплообмена тарелки:

F₃=4.53/0.4·(173-146)=0.419 м²

Проведем расчет для четвертой тарелки сверху.

Масса скипидара, испаряемого на тарелке.

G₄= 4.37·(0.06 – 0.032)·136=16.64 кг/ч

Тепловая мощность, передаваемая змеевиком на испарение скипидара.

Q₄=16.64·335/3600=1.549 кВт

Расход глухого пара в змеевике четвертой тарелки будет равен: