Понятие процесса ректификации. Теория ректификации спирта и принцип работы ректификационной колонны Что понимается под процессом ректификации

Ректификация - это тепломассообменный процесс, применяемый для разделения жидких смесей, компоненты которых различаются по температурам кипения. Процесс осуществляется при контактирование потоков пара и жидкости, имеющих разные составы и температуры: пар содержит больше высококипящих компонентов и имеет более высокую температуру, чем вступающая с ним в контакт жидкость.

Организация потоков пара и жидкости, а также их взаимодействие реализуются в специальных массообменных аппаратах - ректификационных колоннах. Поток пара создается за счет подвода тепла в нижнюю часть колонны и испарения находящейся там жидкой смеси. Поток жидкости (орошения, флегмы) организуется за счет отвода тепла из верхней части колонны и конденсации поступающего туда пара. Взаимодействие потоков осуществляется в специальных контактных устройствах, размещенных по высоте колонны.

Полный процесс ректификации представляет собой многократно повторяющиеся по высоте колонны циклы испарения жидкости и конденсации ее паров (достижение равновесных состояний) в соответствующих «единицах переноса».

Для проведения заданного процесса ректификации исходной смеси можно рассчитать теоретическое значение числа ступеней контакта, в каждой из которых реализуется равновесное состояние фаз. В реальных условиях равновесие исходящих из контактной зоны потоков пара и жидкости может не достигаться, потоки будут иметь разную температуру, а их составы не будут соответствовать условиям равновесия. При этом проведение заданного процесса ректификации потребуется большее число ступеней контакта, чем теоретическое.

Мерой совершенства контактного устройства с точки зрения организации тепломассообменного процесса является степень отличия состояний пара и жидкости после их взаимодействия с контактными устройствами от их возможного, теоретически достижимого, равновесного состояния при данной температуре. Эта степень отличия от теоретически достижимого состояния характеризуется коэффициентом полезного действия контактного устройства и в значительной степени определяет совершенство самой ректификационной колонны.

Средний коэффициент полезного действия контактного устройства определяется как отношение числа теоретических ступеней к фактическому числу ступеней в колонне.

Коэффициент полезного действия ступеней контакта зависит от большого числа факторов - скоростей потоков контактирующих фаз, физических свойств системы и так далее, однако, при прочих равных условиях, определенную роль играют скорости потоков относительно границы их раздела и площадь границы раздела. Чем ближе эти скорости к турбулентному течению и чем больше поверхность контакта, тем интенсивнее проходит процесс тепломассообмена и быстрее достигается равновесное состояние.

Основными рабочими параметрами процесса ректификации являются давление и температура в системе, соотношение потоков жидкости и пара (флегмовое число), число контактных устройств.

Согласно Рауля законам и закону Дальтона, в условиях термодинамического равновесия концентрация какого-либо i-го компонента в паре в Кi раз отличается от концентрации его в жидкости, причем коэффициент распределения Кi =N /р (где N - упругость насыщенного пара i-го компонента; р- общее давление). Отношение коэффициента распределения любых двух компонентов К 1 и К 2 называется относительной летучестью и обозначается б. Чем больше отличается от б единицы, те легче выполнить разделение этих компонентов с помощью ректификации. В ряде случаев удается увеличить б в результате введения в разделяемую смесь нового компонента (называемого разделяющим агентом), который образует с некоторыми компонентами системы азеотропную смесь. С этой же целью вводят растворитель, кипящий при значительно более высокой температуры, чем компоненты исходной смеси. Соответствующие процессы ректификации называются азеотропными или экстрактивными. Величина б зависит от давления: как правило, при понижении давления б возрастает. Ректификация при пониженных давлениях - вакуумная - особенно подходит для разделения термически нестойких веществ.

Низкотемпературная ректификация используется для разделения газов, широких по фракционному составу и содержащих легкие компоненты: метан, этан, азот, водород, этилен. Она заключается в конденсации газов и последующей ректификации полученного конденсата.

Для снижения энергозатрат конденсацию стремятся провести при возможно более высокой температуре, чему способствует повышение давления (до 3-4 МПа). Конденсацию проводят в несколько ступеней, разделяя конденсат после каждой ступени ректификацией. Несконденсировавшийся газ представляет собой азот, водород, гелий и метан.

Четкая ректификация предназначена для разделения близкокипящих углеводородов с целью получения индивидуальных компонентов, со степенью чистоты 95% и выше (до 99,99%). В зависимости от температуры и давления изменяется относительная летучесть компонентов смеси: она уменьшается при повышении общего давления и увеличении температуры. Поэтому для лучшего разделения необходимо понижать давление и температуру, но целесообразность этих мер зависит от экономических показателей процесса.

В промышленности для разделения близкокипящих компонентов газов используют аппараты с большим числом контактных устройств и высокой кратностью орошения. Такой метод и называют четкой ректификацией.

При получении компонентов высокой степени чистоты требуется большое число тарелок и увеличение кратности орошения.

Ректификация в присутствии третьего компонента. Разделение углеводородов, имеющих небольшую разность в температурах кипения (5-15 о С), а также компонентов с одинаковыми температурами кипения и азеотропных смесей, у которых коэффициент относительной летучести

близок или равен 1, не всегда экономично, а иногда просто невозможно. Для увеличения разности в давлении насыщенных паров разделяемых компонентов в них можно ввести третий компонент (растворитель или разделяющий агент). Он обладает различной растворяющей способностью по отношению к разделяемым компонентам, за счет чего изменяется их летучесть. В зависимости от летучести третьего компонента различают азеотропную и экстрактивную ректификацию.

При азеотропной ректификации летучесть третьего компонента сравнительно высока и он выводится вместе с верхним потоком колонны. В экстрактивной перегонке используют малолетучий компонент с высокой температурой кипения, который селективно поглощает определенный компонент выводится с ним с низа колонны. Извлечение поглощенного компонента и регенерацию растворителя проводят обычной ректификацией.

Одним из наиболее распространенных методов разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или большего числа компонентов, является перегонка (дистилляция и ректификация). В широком смысле перегонка представляет собой процесс, включающий частичное испарение разделяемой смеси и последующую конденсацию образующихся паров, осуществляемые однократно или многократно. В результате конденсации получается жидкость, состав которой отличается от состава исходной смеси.

Ректификация представляет собой процесс многократного частичного испарения жидкости и конденсации паров. Процесс осуществляется путем контакта потоков пара и жидкости, имеющих различную температуру, и проводятся обычно в колонных аппаратах. При каждом контакте из жидкости испаряется преимущественно низкокипящий компонент (НКК), которым обогащаются пары, а из паров конденсируются преимущественно высококипящий компонент (ВКК), переходящий в жидкость. Такой двусторонний обмен компонентами, повторяемый многократно, позволяет получить, в конечном счете, пары, представляющие собой почти чистый НКК. Эти пары после конденсации в отдельном аппарате дают дистиллят (ректификат) и флегму - жидкость, возвращаемую для орошения колонны и взаимодействия с поднимающимися парами. Пары получают путем частичного испарения снизу колонны остатка, являющегося почти чистым ВКК.

Процессы ректификации осуществляются в аппаратах, технологическая схема которых зависит от назначения аппарата и давления в нем, а конструкция - от способа организации контакта фаз.

При ступенчатом осуществлении процесса ректификации в колонных аппаратах контакт пара и жидкости может происходить в противотоке (на тарелках провального типа), в перекрестном токе (на колпачковых тарелках), в прямотоке (струйные тарелки).

Если процесс ректификации осуществляется непрерывно во всем объеме колонного аппарата, то контакт пара и жидкости при движении обеих фаз может происходить только в противотоке. Современные ректифицирующие аппараты можно классифицировать в зависимости от технологического назначения, давления и внутреннего устройства, обеспечивающего контакт между паром и жидкостью.

По технологическому назначению ректификационные аппараты подразделяются на колонны атмосферно-вакуумных установок, термического и каталитического крекингов, вторичной перегонки нефтепродуктов, а также для ректификации газов, стабилизации легких нефтяных фракций и т.д.

К современным ректификационным аппаратам предъявляются следующие требования: высокая разделительная способность и производительная способность, достаточная надежность и гибкость в работе, низкие эксплуатационные расходы, небольшой вес и простота, техничность конструкции.

Последние требования не менее важны чем первые, поскольку они не только определяют капитальные затраты, но и в значительной мере влияют на величину, эксплутационных расходов, обеспечивают легкость и удобства изготовления аппарата, монтажа и демонтажа, ремонта, контроля, испытания, а также безопасность эксплуатации и пр.

Кроме перечисленных выше требований ректификационные аппараты должны отвечать также требованиям государственных стандартов, ведомственных нормалей и инспекций Гостехнадзора.

Технологическая схема аппарата зависит от состава разделяемой смеси, требований к качеству получаемых продуктов, от возможностей уменьшения энергетических затрат, назначения аппарата, его места в технологической цепочке всей установки и от многих других факторов.

Процесс ректификации жидких смесей осуществляется на ректификационных установках, состоящих из нескольких аппаратов. Рассмотрим принцип разделения двухкомпонентной смеси ректификацией на примере работы подобной установки (рис. 10.1). Подлежащая разделению смесь непрерывно подается в ректификационную колонну через ввод, расположенный несколько выше середины корпуса колонны. Введенная жидкая смесь опускается по контактным устройствам (тарелкам) в нижнюю часть колонны, называемую кубом. Навстречу потоку жидкости поднимается пар, образующийся в результате кипения жидкости в кубе колонны. Образующиеся пары содержат в основном НКК и некоторое количество ВКК. При взаимодействии пара с жидкостью на тарелках колонны ВКК конденсируется и уносится вниз колонны потоком жидкости. За счет этого в поднимающихся парах возрастает количество НКК . Таким образом, при подъеме паров они обогащаются НКК , в то время как жидкость, стекающая вниз, обогащается ВКК .

Исходная смесь из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подается в теплообменник 3, где подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси. 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, т. е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом

Рис. 10.1. Принципиальная схема ректификационной установки:

1 - ёмкость для исходной смеси; 2, 9 - насосы; 3- теплообменник- подогреватель исходного сырья; 4 – кипятильник; 5 – ректификационная колонна; 6 – дефлегматор; 7 – холодильник дистиллята; 8 – емкость для сбора дистиллята; 10 – холодильник кубовой жидкости; 11 – емкость для кубовой жидкости.

Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой), которая получается 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 легколетучего компонента и кубовой остаток, обогащенный труднолетучим компонентом.

Ректификацию многокомпонентных смесей, а они в практике встречаются чаще, чем двухкомпонентные, протекает по рассмотренной выше схеме, хотя число используемой при этом аппаратуры увеличивается.

В ректификационных установках используют главным образом аппараты двух типов: колонны со ступенчатым контактом фаз (тарельчатые) и непрерывным контактом (пленочные и насадочные).

Ректификацию многокомпонентных смесей можно проводить в различной последовательности, с использованием многих простых колонн (на одну меньше числа компонентов исходной смеси) и с использованием одной сложной колонны.

Для процесса ректификации в основном применяют тарельчатые колонны. В них устанавливают горизонтальные тарелки с устройствами, обеспечивающими хороший контакт между жидкостью и паром.

Диаметр колонны определяют в зависимости от производительности установки и скорости паров в колонне, которую выбирают в пределах 0,6 - 1,0 м/с . Находят применение ректификационные колонны различных размеров: от небольших колонн диаметром 300 - 400 мм до высокопроизводительных установок, с колоннами диаметром 6, 8, 10, 12 м и более.

Высота колонны зависит от числа тарелок и расстояния между ними. Чем меньше расстояние между тарелками, тем ниже колонна. Однако при уменьшении расстояния между тарелками увеличивается унос брызг и возникает опасность перебросав жидкости с нижних тарелок на верхние, что существенно уменьшает к.п.д. установки. Расстояние между тарелками обычно принимают в зависимости от диаметра колонны с учетом возможности ремонта и чистки колонны. Рекомендуемые расстояния между тарелками ректификационных колонн в зависимости от их диаметра приведены ниже:

Диаметр колонны, мм до 800, 800 - 1600, 1600 - 2000

Расстояние между тарелками, мм 200 -350, 350 - 400, 400 - 500

Диаметр колонны, мм от 2000 - 2400 и свыше 2400

Расстояние между тарелками, мм 500 - 600, свыше 600.

Число тарелок ректификационной колонны или высота насадки определяются технологическим расчетом; оно зависит от физико-химических свойств разделяемых компонентов, требуемой чистоты разделения и к.п.д. тарелки. Обычно ректификационные колонны имеют 10 - 30 тарелок, но колонны для разделения смесей с близкими температурами кипения насчитывают сотни тарелок и имеют соответственно высоту до 30 - 90 м .

Ректификационные колонны работают обычно при атмосферном или небольшим избыточным давлением. Ограниченное применение находят вакуумные колонны и колонны, работающие при повышенном давлении. Ректификацию под вакуумом применяют в том случае, когда хотят снизить температуру в колонне, что бывает необходимо при разделении компонентов с высокой температурой кипения или веществ, нестойких при высокой температуре. Ректификацию под повышенным давлением используют для разделения сжиженных газов и легколетучих жидкостей.

Ректификация (от позднелатинского rectificatio - выпрямление, исправление)

один из способов разделения жидких смесей, основанный на различном распределении компонентов смеси между жидкой и паровой фазами. При Р. потоки пара и жидкости, перемещаясь в противоположных направлениях (противотоком), многократно контактируют друг с другом в специальных аппаратах (ректификационных колоннах), причём часть выходящего из аппарата пара (или жидкости) возвращается обратно после конденсации (для пара) или испарения (для жидкости). Такое противоточное движение контактирующих потоков сопровождается процессами теплообмена и массообмена, которые на каждой стадии контакта протекают (в пределе) до состояния равновесия; при этом восходящие потоки пара непрерывно обогащаются более летучими компонентами, а стекающая жидкость - менее летучими. При затрате того же количества тепла, что и при дистилляции (См. Дистилляция), Р. позволяет достигнуть большего извлечения и обогащения по нужному компоненту или группе компонентов. Р. широко применяется как в промышленном, так и в препаративном и лабораторном масштабах, часто в комплексе с др. процессами разделения, такими, как Абсорбция , Экстракция и Кристаллизация .

Согласно Рауля законам (См. Рауля законы) и закону Дальтона, в условиях термодинамического равновесия концентрация какого-либо i -го компонента в паре в K i раз отличается от концентрации его в жидкости, причём коэффициент распределения K i = ρ * j /p (где ρ * j - упругость насыщенного пара i -го компонента; р - общее давление). Отношение коэффициента распределения любых двух компонентов K i и K j называется относительной летучестью и обозначается α ij . Чем больше отличается α ij от единицы, тем легче выполнить разделение этих компонентов с помощью Р. В ряде случаев удаётся увеличить α ij в результате введения в разделяемую смесь нового компонента (называемого разделяющим агентом), который образует с некоторыми компонентами системы азеотропную смесь (См. Азеотропная смесь). С этой же целью вводят растворитель, кипящий при значительно более высокой температуре, чем компоненты исходной смеси. Соответствующие процессы Р. называются азеотропными или экстрактивными. Величина α ij зависит от давления: как правило, при понижении давления α ij возрастает. Р. при пониженных давлениях - вакуумная - особенно подходит для разделения термически нестойких веществ.

Аппаратура для ректификации. Аппараты, служащие для проведения Р., - ректификационные колонны - состоят из собственно колонны, где осуществляется противоточное контактирование пара и жидкости, и устройств, в которых происходит испарение жидкости и конденсация пара, - куба и дефлегматора. Колонна представляет собой вертикально стоящий полый цилиндр, внутри которого установлены т. н. тарелки (контактные устройства различной конструкции) или помещен фигурный кусковой материал - Насадка . Куб и дефлегматор - это обычно кожухотрубные теплообменники (находят применение также трубчатые печи и роторные испарители).

Назначение тарелок и насадки - развитие межфазной поверхности и улучшение контакта между жидкостью и паром. Тарелки, как правило, снабжаются устройством для перелива жидкости. Конструкции трёх типов переливных тарелок показаны на рис. 1 (а , б , в ). В качестве насадки ректификационных колонн обычно используются кольца, наружный диаметр которых равен их высоте. Наиболее распространены кольца Рашига (рис. 2 , 1) и их различные модификации (рис. 2 , 2-4 ).

Как в насадочных, так и в тарельчатых колоннах кинетическая энергия пара используется для преодоления гидравлического сопротивления контактных устройств и для создания динамической дисперсной системы пар - жидкость с большой межфазной поверхностью. Существуют также ректификационные колонны с подводом механической энергии, в которых дисперсная система создаётся при вращении ротора, установленного по оси колонны. Роторные аппараты имеют меньший перепад давления по высоте, что особенно важно для вакуумных колонн.

По способу проведения различают непрерывную и периодическую Р. В первом случае разделяемая смесь непрерывно подаётся в ректификационную колонну и из колонны непрерывно отводятся две и большее число фракций, обогащенных одними компонентами и обеднённых другими. Схема потоков типичного аппарата для непрерывной Р. - полной колонны - показана на рис. 3 , а. Полная колонна состоит из 2 секций - укрепляющей (1 ) и исчерпывающей (2 ). Исходная смесь (обычно при температуре кипения) подаётся в колонну, где смешивается с т. н. извлечённой жидкостью и стекает по контактным устройствам (тарелкам или насадке) исчерпывающей секции противотоком к поднимающемуся потоку пара. Достигнув низа колонны, жидкостный поток, обогащенный тяжелолетучими компонентами, подаётся в куб колонны (3 ). Здесь жидкость частично испаряется в результате нагрева подходящим теплоносителем, и пар снова поступает в исчерпывающую секцию. Выходящий из этой секции пар (т. н. отгонный) поступает в укрепляющую секцию. Пройдя её, обогащенный легко-летучими компонентами пар поступает в дефлегматор (4 ), где обычно полностью конденсируется подходящим хладагентом. Полученная жидкость делится на 2 потока: дистиллят и флегму. Дистиллят является продуктовым потоком, а флегма поступает на орошение укрепляющей секции, по контактным устройствам которой стекает. Часть жидкости выводится из куба колонны в виде т. н. кубового остатка (также продуктовый поток).

Отношение количества флегмы к количеству дистиллята обозначается через R и носит название флегмового числа. Это число - важная характеристика Р.: чем больше R , тем больше эксплуатационные расходы на проведение процесса. Минимально необходимые расходы тепла и холода, связанные с выполнением какой-либо конкретной задачи разделения, могут быть найдены с использованием понятия минимального флегмового числа, которое находится расчётным путём в предположении, что число контактных устройств, или общая высота насадки, стремится к бесконечности.

Если исходную смесь нужно разделить непрерывным способом на число фракций больше двух, то применяется последовательное либо параллельно-последовательное соединение колонн.

При периодической Р. (рис. 3 , б) исходная жидкая смесь единовременно загружается в куб колонны, ёмкость которого соответствует желаемой производительности. Пары из куба поступают в колонну и поднимаются к дефлегматору, где происходит их конденсация. В начальный период весь конденсат возвращается в колонну, что отвечает т. н. режиму полного орошения. Затем конденсат делится на флегму и дистиллят. По мере отбора дистиллята (либо при постоянном флегмовом числе, либо с его изменением) из колонны выводятся сначала легколетучие компоненты, затем среднелетучие и т. д. Нужную фракцию (или фракции) отбирают в соответствующий сборник. Операция продолжается до полной переработки первоначально загруженной смеси.

Основы расчёта ректификационных колонн. Р. с физико-химической точки зрения является сложным процессом противоточного тепломассообмена между жидкой и паровой фазами в условиях осложнённой гидродинамической обстановки. Именно такой подход к математическому описанию расчёта процесса развивается в связи с применением электронных цифровых вычислительных машин (ЦВМ).

Всё же при количественном рассмотрении работы ректификационных колонн обычно используется концепция теоретической тарелки. Под такой тарелкой понимается гипотетическое контактное устройство, в котором устанавливается термодинамическое равновесие между покидающими его потоками пара и жидкости, т. е. концентрации компонентов этих потоков связаны между собой коэффициентом распределения. Любой реальной ректификационной колонне можно поставить в соответствие колонну с определённым числом теоретических тарелок, входные и выходные потоки которой как по величине, так и по концентрациям совпадают с потоками реальной колонны. Можно сказать, например, что данный реальный аппарат эквивалентен по своей эффективности колонне с пятью, шестью и т. н. теоретическими тарелками. Исходя из этого, можно определить т. н. кпд колонны как отношение числа теоретических тарелок, соответствующих этой колонне, к числу действительно установленных тарелок. Для насадочных колонн можно определить величину ВЭТТ (высоту, эквивалентную теоретической тарелке) как отношение высоты слоя насадки к числу теоретических тарелок, которым он эквивалентен по своему разделительному действию.

С концепцией теоретической тарелки связана плодотворная идея отделения конструктивных и гидравлических параметров от технологических параметров, таких как отношения потоков и коэффициента распределения. Единая задача расчёта ректификационной колонны распадается при этом на две более простые, самостоятельные: а) технологический расчёт, когда нужно установить, какие составы будут получаться на фиксированном числе теоретических тарелок, или найти, сколько надо взять теоретических тарелок, чтобы получить желаемый состав выходящих потоков; б) расчёт, когда нужно установить, сколько взять реальных тарелок или какая высота насадки должна быть для реализации желаемого числа теоретических тарелок. В математическом отношении первая задача (а) допускает чёткую формулировку и сводится к решению обширной системы нелинейных алгебраических уравнений (для непрерывно действующих колонн) или к интегрированию систем обыкновенных дифференциальных уравнений (для периодических колонн). В случае Р. многокомпонентной смеси решение доступно лишь с помощью ЦВМ. Использование машин позволяет также рассчитывать сложные колонны, применение которых на практике в какой-то степени тормозилось ранее отсутствием точных методов расчёта. При гидравлическом расчёте (б) могут быть использованы либо непосредственно эмпирические корреляции между величинами ВЭТТ и кпд, с одной стороны, и конструкцией тарелки, типом насадки и гидравлическими параметрами (удельные нагрузки по пару и жидкости) - с другой, либо соотношения, связывающие ВЭТТ и кпд с кинетическими и диффузионными параметрами (такими, как коэффициент массоотдачи и эффективной диффузии).

Основные области промышленного применения Р. - получение отдельных фракций и индивидуальных углеводородов из нефтяного сырья в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, получение окиси этилена, акрилонитрила, капролактама, алкилхлорсиланов - в химической промышленности. Р. широко используется и в др. отраслях народного хозяйства: цветной металлургии, коксохимической, лесохимической, пищевой, химико-фармацевтической промышленностях.

Лит.: Касаткин А. Г., Основные процессы и аппараты химической технологии, 8 изд., М., 1971; Александров И. А., Ректификационные и абсорбционные аппараты, 2 изд., М., 1971; Коган В. Б., Азеотропная и экстрактивная ректификация, 2 изд., М., 1971; Олевский В. М., Ручинский В. Р., Ректификация термически нестойких продуктов, М., 1972; Платонов В. М., Берго Б. Г., Разделение многокомпонентных смесей. Расчёт и исследование ректификации на вычислительных машинах, М., 1965; Холланд Ч., Многокомпонентная ректификация, пер. с англ., М., 1969; Крель Э., Руководство по лабораторной ректификации, пер. с нем., М., 1960.

В. М. Платонов, Г. Г. Филиппов.

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

Синонимы :

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

1. Технологическая схема и ее описание

2.Технологический расчет

2.1Расчет ректификационной колонны

2.2 Материальный баланс

4. Расчет тепловой установки

3. Тепловой расчет колонны

Заключение

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Ректификация - один из способов разделения жидких смесей основанный на различном распределении компонентов смеси между жидкой и паровой фазами. В качестве аппаратов служащих для проведения ректификации используются ректификационные колонны - состоящие из собственно колонны, где осуществляется противоточное контактирование пара и жидкости, и устройств, в которых происходит испарение жидкости и конденсация пара - куба и дефлегматора. Колонна представляет собой вертикально стоящий полый цилиндр, внутри которого установлены так называемые тарелки (контактные устройства различной конструкции) или помещен фигурный кусковой материал - насадка. Куб и дефлегматор - это обычно кожухотрубные теплообменники (находят применение также трубчатые печи и кубы-испарители).

Назначение тарелок и насадки - разделение межфазной поверхности и улучшение контакта между жидкостью и паром. Тарелки, как правило, снабжаются устройством для перелива жидкости. В качестве насадки ректификационных колонн обычно используются кольца, диаметр которых равен их высоте.

В первом случае разделяемая смесь непрерывно подается в ректификационную колонну, а из колонны непрерывно отводятся две или более число фракций, обогащенных одними компонентами и обедненных другими. Полная колонна состоит из двух секций укрепляющей и исчерпывающей. Исходная смесь (обычно при температуре кипения) подается в колонну, где смешивается с так называемой извлеченной жидкостью, стекающей по контактным устройствам (тарелкам или насадке) исчерпывающей секции противотоком к поднимающемуся потоку пара. Достигая низа колонны, жидкость обогащается тяжелолетучими компонентами. В низу жидкость частично испаряется в результате нагрева подводящимся теплоносителем, и пар снова поступает в исчерпывающую секцию. Пройдя её, обогащенный легколетучими компонентами, пар поступает в дефлегматор, где обычно полностью конденсируется подходящим хладагентом. Полученная жидкость делится на два потока - дистиллят и флегму. Дистиллят является продуктовым потоком, а флегма поступает на орошение укрепляющей секции, по контактным устройствам которой стекает. Часть жидкости выводится из куба колонны в виде так называемого кубового остатка (также продуктовый поток).

Если исходную смесь нужно разделить непрерывным способом на число фракций больше двух, то применяется последовательное либо параллельно - последовательное соединение колонн.

При периодической ректификации исходная жидкая смесь единовременно загружается в куб колонны, ёмкость которая соответствует желаемой производительности. Пары поступают в колонну и поднимаются к дефлегматору, где происходит их конденсация. В начальный период весь конденсат возвращается в колонну, что отвечает режиму полного орошения. Затем конденсат делится на дистиллят и флегму. По мере отбора дистиллята (либо при постоянном флегмовом числе, либо с его изменением из колонны выводятся сначала легколетучие компоненты, затем среднелетучие и так далее). Нужную фракцию (или фракции) отбирают в соответствующий сборник. Операция продолжается до полной переработки первоначально загруженной смеси.

Основные области промышленного применения ректификации - получение отдельных фракций и индивидуальных углеводородов из нефтяного сырья в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, окиси этилена, акрилонитрила, акрилхлорсиланов - в химической промышленности. Ректификация широко используется и в других отраслях народного хозяйства: коксохимической, лесохимической, пищевой, химико-фармацевтической промышленностях.

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА И ЕЕ ОПИСНИЕ

Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рис.1.1

Схема ректификационной установки непрерывного действия

1 - емкость для исходной смеси; 2 - подогреватель; 3 - колонна;

4 - кипятильник; 5 - дефлегматор; 6 - делитель флегмы; 7 - холодильник; 8 - сборник дистиллята; 9 - сборник кубового остатка.

Исходную смесь из емкости 1 центробежным насосом подают в теплообменник 2, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 3, где состав жидкости равен составу исходной смеси xF . Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4. 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 5 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 емкость 8.

Из кубовой части колонны насосом непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в емкость 9.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента) и кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).

2.ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

2.1 Расчет ректификационной колонны

2.2 Материальный баланс

Зная производительность колонны и необходимые концентрации, определим недостающие данные, т. е. Производительность по дистилляту и по кубовому остатку (GW и GD), на основании уравнений материального баланса.

Отсюда найдем:

0,83-0,31=0,52 кг/с

где - мольные доли легколетучего компонента в жидкости, а - концентрация легколетучего компонента в паре, находящаяся в равновесии с жидкостью (питанием исходной смеси).

Пересчитаем составы фаз из массовых в мольные доли по соотношению

где Мч и Мт - молекулярные массы соответственно четыреххлористого углерода и толуола, кг/кмоль.

Низкокипящий компонент (легколетучий) - четыреххлористый углерод

Высококипящий компонент (труднолетучий) - толуол

кмоль/кмоль смеси.

кмоль/кмоль смеси

Уравнение рабочей линии верхней укрепляющей части колонны

По диаграмме y-x находим при соответствующем значении, таким образом = 0,68

Относительный мольный расход

Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости для верхней и нижней частей колонны определяются из соотношений:

где MP и MF - мольные массы дистиллята и исходной смеси;

МВ и МН - средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны.

Мольную массу дистиллята в данном случае можно принять равной мольной массе легколетучего компонента - четыреххлористый углерод. Мольная масса жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равна:

где Мч и МТ - мольные массы четыреххлористого углерода и толуола;

хср.в и хср.н - средний мольный состав жидкости соответственно в верхней и нижней части колонны:

Мольная масса исходной смеси

Мольная масса дистиллята

Подставив, получим:

Средние массовые потоки пара в верхней GВ и нижней GН частях колонны соответственно равны:

Здесь и - средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны:

Подставив, получим:

2.3 Расчет скорости и диаметра колонны

Расчёт скорости пара для тарельчатых ректификационных колонн с ситчатыми тарелками выполняется по следующему уравнению:

с коэффициент, зависящий от конструкции тарелок, расстояния между тарелками, рабочего давления колонны, нагрузки колонны по жидкости. Зададим расстояние между тарелками h=300мм. По h определим из графика с=f(h) приведенного на рисунке 7.2 учебника значение коэффициента с=0,032.

Найдём плотности жидкости хв и хн и пара ув и ун в верхней и нижней частях колонны при средних температурах в них tB и tН. Средние температуры паров определяем по диаграмме t -x,y.

tв = 86 C; tн = 105 C

Рассчитаем плотности жидкой фазы вверху и внизу колонны:

где xоб.в,xоб.н - объемные концентрации жидкой фазы соответственно вверху и внизу колонны.

Допустимая скорость в верхней и нижней частях колонны соответственно равна:

Так как полученные скорости мало отличаются друг от друга, в расчёте используем среднюю скорость паров:

= (0,54+0,52)/2 = 0,53 м/с

Ориентировочный диаметр колонны определяют из уравнения расхода:

Принимаем средний массовый поток пара в колонне равным полусумме GВ и GH:

G = (1,4+1,6)/2 = 1,28 кг/с

Средняя плотность паров:

Диаметр колонны

Выберем стандартный диаметр обечайки колонны по каталогу d = 800 мм. При этом действительная рабочая скорость пара будет равна:

0, (0,79/0,8)2 = 0,6 м/с

Для колонны диаметром 800 мм выбираем тарелку ТСК-Р со следующими конструктивными размерами:

Диаметр отверстий в тарелке do=3мм

Шаг между отверстиями t=7мм

Высота переливного порога hпер=30мм

Ширина переливного порога b=0,4м

Рабочее сечение тарелки St=0,41м2

Скорость в рабочем сечении тарелки

T=*0,785*d2/ST=0,6*0,785*0,82/0,41=0,74 м/с

2.4 Высота светлого слоя жидкости на тарелке и паросодержания барботажного слоя

Высоту светлого слоя жидкости hо для ситчатых тарелок находим по уравнению

ho = 0,787 , (2.30)

где удельный расход жидкости на 1м ширины сливной перегородки,

b - ширина сливной перегородки, м;

высота переливной перегородки, м;

динамический коэффициент вязкости жидкости, мПа с;

m - показатель степени;

поверхностное натяжение жидкости, мН/м;

поверхностное натяжение воды, мН/м.

Для смеси нормальных жидкостей в верхней и нижней частях колонны значение вязкости мсм может быть вычислена по формулам:

где, динамические коэффициенты вязкости четыреххлористого углерода и толуола вверху и внизу.

Высота светлого слоя:

а) для верхней части колонны:

б) для нижней части колонны:

Для верхней части колонны

Для нижней части колонны

2.5 Расчет тарелок и высота колонны

Рт=559 мм.рт.ст.

РCCL4=1475 мм.рт.ст.

Для определения к.п.д. тарелок находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов б=Рт/РССL4 и динамический коэффициент вязкости исходной смеси м при средней температуре в колонне.

б=1475/559=2,64

Динамический коэффициент толуола равен 0,29 сП, четыреххлористого углерода 0, 32 сП

м= (мссl4-µt)/2=(0,29+0,32)/2=0,36

бµ=2,64*0,36=0,954

По графику кпд равно 0,48.

По графику находим значение поправки на длину пути =0,185

Средний кпд тарелок:

l=(1+)=0,48*(1+0,185)=0,57

Число реальных тарелок рассчитывается по уравнению

Высота тарельчатой части

Нт = (n - 1) h = (14 - 1) 0,3 = 6,6м

3. Гидравлический расчет сопротивления тарелок

Гидравлическое сопротивление тарелок колонны РК определяют по формуле:

где РВ и РН - гидравлическое сопротивление одной тарелки соответственно верхней и нижней части колонны, Па.

Полное гидравлическое сопротивление одной тарелки складывается из трёх слагаемых.

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки рассчитаем по уравнению:

Коэффициент сопротивления /Примем = 1,5.

Гидравлическое сопротивление газо-жидкостного слоя (пены) на тарелках будет различным в верхней и нижней частях колонны:

Гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения, равно:

Тогда полное сопротивление одной тарелки равно:

Тогда полное сопротивление ректификационной колонны:

4. РАСЧЕТ ТЕПЛОВОЙ УСТАНОВКИ

Qд = GD(1 + R)rD

Qд = 0,52(1+1,8)* 204*103 = 297*103 Вт

где rD - теплота конденсации флегмы

rD = ra *xD + (1 - xD)rв

rD = 0,95*195*103+0,01*394*103=204*103 Дж/кг

где rс = 195*103 Дж/кг - теплота конденсации четыреххлористого углерода,

rт = 394*103 Дж/кг-теплота конденсации толуола.

Расход теплоты получаемой в кубе-испарителе от греющего пара, находим по уравнению:

Qk=QД +GD*CD*tD+GW*CW*tW-Gf*Cf*tf

Qk=1,03*(297*103+0,52*0,46*4190*80+0,31*4190*110,6*0,46-0,83*0,455*4190*93)= 305*103

Расход теплоты в паровом подогревателе исходной смеси:

Q=1.05*Gf*Cf*(tf-tнач) = 1, 05*0, 83*4190*(93-18) =274*103Вт (3.4)

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята:

Q= GD*CD*(tD-tкон) = 0,52*0, 46 *4190*(80-25) =155020Вт (3.5)

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике кубового остатка:

Q= GW*CW*(tW -tкон) = 0, 31*0, 46*4190*(110, 9-25) =202010Вт (3.6)

Расход греющего пара:

а) в кубе - испарителе

Gг.п =Qk/rг.п= 305*103/2141*103=0, 42 кг/с (3.7)

б) в подогреватели исходной смеси

Gг.п =274*103/2141*103=0, 12 кг/с

Всего: 0,42+0,12=0,54 кг/с или т/ч

Расход охлаждающей воды при нагреве ее на 200С:

а) в дефлегматоре

Vв=QД/Св*(tкон - tнач)*св =297*103/4190*20*1000 = 0, 0035 м3/с (3.8)

б) в водном холодильнике дистиллята

Vв=155,020*103/4190*20*1000 = 0,0184 м3/с

в) в водяном холодильнике кубового остатка

Vв= 202,010*103/4190*20*1000 = 0,0024 м3/с

установка ректификационный действие непрерывный

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном курсовом проекте в результате проведённых инженерных расчетов была подобрана ректификационная установка для разделения бинарной смеси четыреххлористый углерод - толуол, с ректификационной колонной диаметром D = 0,8(м), высотой H = 6,6 (м), в которой применяется ситчатые тарелки, расстояние между которыми h = 0,3(м). Колонна работает в нормальном режиме.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Основные процессы и аппараты химической технологии /Пособие по проектированию / Под. ред. Ю.И. Дытнерского.- М: Химия, 1983 - 272 с.

Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии /Учебное пособие/, К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков, 9-ое изд. перераб. и дополнен. Л. Химия,1987-575с.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Сущность процесса периодической ректификации бинарных смесей. Принципы работы непрерывно действующей ректификационной установки для разделения бинарных смесей. Расчет материального и теплового баланса. Определение скорости пара и диаметра колонны.

курсовая работа , добавлен 24.10.2011

Суть и назначение ректификации - диффузионного процесса разделения жидких смесей взаимно растворимых компонентов, различающихся по температуре кипения. Расчет материального баланса. Определение скорости пара и диаметра колонны. Тепловой расчет установки.

контрольная работа , добавлен 24.10.2011

Принципиальная схема ректификационной установки. Технологический расчет ректификационной колонны непрерывного действия. Основные физико-химические и гидравлические свойства паровой и жидкой фаз для верха и низа колонны. Локальная эффективность контакта.

курсовая работа , добавлен 05.12.2010

Основы процесса ректификации и расчета ректификационных колонн. Схема работы и виды колпачковых тарелок. Принципиальная схема процесса ректификации. Тепловой расчёт установки. Расчет тарельчатой ректификационной колонны. Подробный расчет дефлегматора.

курсовая работа , добавлен 20.08.2011

Описание установки непрерывного действия для ректификации. Определение рабочего флегмового числа и диаметра колонны. Вычисление объемов пара и жидкости. Расчет кипятильника. Выбор насоса для выдачи исходной смеси на установку, анализ потерь напора.

курсовая работа , добавлен 26.11.2012

Разработка ректификационной установки для непрерывного разделения смеси: ацетон - уксусная кислота. Расчет диаметра, высоты, гидравлического сопротивления ректификационной колонны. Определение теплового баланса и расхода греющего пара, охлаждающей воды.

курсовая работа , добавлен 24.10.2011

Расчет ректификационной колонны непрерывного действия с ситчатыми тарелками для разделения смеси этанол-вода производительностью 5000 кг/час по исходной смеси. Материальный и тепловой баланс, размеры аппарата и нормализованные конструктивные элементы.

курсовая работа , добавлен 13.05.2011

Анализ результатов расчета ректификационной колоны непрерывного действия, предназначенной для разделения бинарной смеси метиловый спирт - этиловый спирт. Материальный баланс, расчет тепловой изоляции колонны, вспомогательного оборудования, кипятильника.

дипломная работа , добавлен 17.04.2011

Характеристика технологического процесса ректификации; расчет установки для разделения смеси этанол-метанол производительностью 160 т/сут. Определение режима работы колонны, материальных потоков, теплового баланса; гидравлический расчет ситчатой тарелки.

курсовая работа , добавлен 17.12.2012

Процесс ректификации играет ведущую роль среди процессов разделения промышленных смесей. В промышленности разделению подвергаются многокомпонентные смеси как простых зеотропных, так и сложных азеотропных смесей. Методы разделения неидеальных смесей.

ВВЕДЕНИЕ

Ректификация известна с начала 19 века как один из важнейших технологических процессов главным образом нефтяной и спиртовой промышленности. В настоящее время ректификацию всё шире применяют в самых различных областях химической технологии, где выделение компонентов в чистом виде имеет весьма важное значение в производствах органического синтеза: изотопов, полимеров, полупроводников и различных других веществ высокой частоты.

В начале 2003 года в Нью-Йорке была официально зарегистрирована технология Линас.

Экономические и технические преимущества технологии Линас по сравнению с традиционными ректификационными технологиями подтверждены и проверены на стабильно работающих промышленных нефтеперерабатывающих установках Линас.

Преимущества, которые дает новая колонна ЛИНАС при промышленной эксплуатации:

Стабильно высокое качество получаемых продуктов и устойчивость работы колонны Линас при ведении технологического процесса.

При равномерной подаче сырья и тепла на установку технологические параметры колонны могут не меняться в течение нескольких месяцев работы. При этом качество получаемых продуктов отвечает самым строгим требованиям. Отклонения фракционного состава продуктов при анализе отличалось не более чем на 1-2оС в течение нескольких месяцев работы.

Использование ряда оригинальных решений в конструкции колонны Линас для первичной нефтеперегонки привело к тому, что качество прямогонного бензина, дизельного топлива и мазута даже при различных технологических режимах находится на высоком уровне.

Высокая степень разделения при небольшой высоте колонны.

Ректификационные колонны Линас отличаются очень высокой эффективностью разделения компонентов исходной смеси. Это позволяет получать результаты, не достижимые даже на самых современных НПЗ.
Высокая степень разделения в нефтеперерабатывающей колонне дает уникальную возможность увеличения выхода дизельного топлива. Это достигается за счет смещения границы деления между бензиновой и дизельной фракциями. В зависимости от фракционного состава нефти выход дизельной фракции может быть увеличен на 5-12% от общей производительности установки. А это значительно улучшает экономику НПЗ. На этой основе разработан модифицированный вариант нефтеперерабатывающей установки Линас с повышенным выходом дизельного топлива.

Уникальная применимость в вакуумных процессах.

Одной из ключевых особенностей технологии Линас является низкое гидравлическое сопротивление ректификационной колонны.

Традиционные колонны имеют значительное гидравлическое сопротивление. Применение их в вакуумной ректификации зачастую приводит к ситуации, когда давление по высоте колонны отличается в десятки и сотни раз. Назвать такой процесс вакуумным можно лишь с большой натяжкой.

Низкое гидравлическое сопротивление делает колону Линас уникально незаменимой для процессов вакуумной ректификации.

Резкое снижение пожаро- и взрывоопасности при возникновении аварийных ситуаций.

В силу очень небольшого количества вещества в колонне Линас резко уменьшается пожаро- и взрывоопасность всей ректификационной установки Линас.

Неоднократные отключения электроэнергии в процессе пусконаладки при работе на максимальном технологическом режиме не приводили к возникновению аварийных ситуаций. Конструкция колонны и технологической обвязки аппаратов в подобной ситуации предотвращают возможность аварии независимо от состояния системы противоаварийной защиты.

В процессе пусконаладочных работ были зафиксированы случаи подачи на установку сырья с содержанием воды от 12% (обводненное сырье) до 100% (вода из товарно-сырьевого парка после гидроиспытаний). Попадание воды в печь нагрева сырья и в колонну на максимальном режиме не приводило к возникновению аварийной ситуации.

Повышенная эксплуатационная надежность оборудования и устойчивость к образованию загрязнений.

После эксплуатации в течение 3,5 лет был произведен детальный осмотр всех элементов колонны Линас. Внутри колонны не были обнаружены следы отложений или коррозии. Это объясняется наличием постоянно стекающей пленки жидкой флегмы по поверхностям массообмена трубок и особенностью конструкции всей колонны.

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Теоретические основы процесса ректификации

Ректификация - это процесс разделения однородных жидких смесей, не находящихся в термодинамическом равновесии, на компоненты в зависимости от их летучести при противоточном взаимодействии жидкости и пара.

Процесс осуществляется путем контакта потоков пара и жидкости, имеющих различную температуру, и проводится обычно в колонных аппаратах. При каждом контакте из жидкости испаряется преимущественно легколетучий компонент (ЛЛК), которым обогащаются пары, а из паров конденсируется преимущественно тяжелолетучий компонент (ТЛК), переходящий в жидкость. Такой двусторонний обмен компонентами, повторяемый многократно, позволяет получить, в конечном счете, пары, представляющие собой почти чистый ЛЛК. Эти пары после конденсации в отдельном аппарате дают дистиллят и флегму - жидкость, возвращаемую для орошения колонны и взаимодействия с поднимающимися парами. Пары получают путём частичного испарения снизу колонны остатка, являющегося почти чистым ТЛК.

Физическая сущность ректификации

Исходная смесь, состоящая из ЛЛК и ТЛК, подаётся в ректификационную колонну на тарелку питания при температуре кипения. При подаче на тарелку исходная смесь растекается по ней и стекает вниз. В куб ректификационной колонны подводится теплота, за счёт которой жидкость нагревается, испаряется и образует восходящий поток пара. При контакте пара со стекающей исходной смесью, часть пара конденсируется, за счёт этого в нём увеличивается концентрация ТЛК. Часть жидкости испаряется, причём в пар переходит ЛЛК, а в жидкости остаётся ТЛК. В результате этого пар на выходе из ректификационной колонны представляет собой стопроцентный ЛЛК, а жидкость на выходе снизу колонны - ТЛК.

Для создания потока жидкости, стекающей сверху колонны, часть конденсата (верхнего продукта), называемая флегмой, возвращается в колонну, а другая часть выводится в виде верхнего продукта.

Процесс ректификации может осуществляться непрерывно и периодически под атмосферным и избыточным давлением, а так же под вакуумом.

Движущей силой массообменных процессов является разность концентраций между компонентами различных фаз.

Высоту Н абсорбера рассчитывают по общему уравнению массопередачи. Например, если движущая сила выражена в концентрациях газовой фазы, то

Н = М/(Ку*а*S*∆Уср)

Где М - количество поглощаемого газа; Ку - коэффициент массопередачи; а - удельная поверхность контакта фаз; S - площадь сечения колонны; ∆Уср - средняя движущая сила процесса.

1.2 Описание технологической схемы для непрерывной ректификационной колонны

Состоит из ректификационного массообменного аппарата - ректификационной колонны, представляющей собой вертикальный цилиндрический корпус, внутри которого расположены контактные устройства (насадка, тарелки). Снизу вверх по колонне движется поток пара, поступающий в ее нижнюю часть из испарителя, находящегося рядом или под самой колонной. Поступающий в колонну пар по составу представляет собой практически чистый ТЛК. На каждой тарелке при его перемещении по колонне происходит конденсация поднимающегося пара и за счет теплоты его конденсации - испарение находящегося в этой зоне ЛЛК.

Таким образом, происходит постоянное удаление из выходящего пара ТЛК и обогащение его ЛЛК. В результате из верхней части колонны выгружаются пары практически чистого ЛЛК, который конденсируется в дефлегматоре. Получается, жидкость разделяется в делителе на 2 потока. Первый поток - флегма, возвращается назад в колонну, создавая тем самым нисходящий поток жидкости, состоящий практически из чистого ЛЛК. Стекая вниз по колонне и взаимодействуя с восходящим паром, флегма постоянно обогащается конденсирующимся из нее ТЛК, заменяющим постоянно испаряющийся ЛЛК. В результате жидкость, достигающая нижней части колонны и поступающая в испаритель, состоит практически из низколетучего компонента.

Подаваемую на разделение исходную смесь подогревают до температуры кипения в теплообменнике и подают в колонну, в зону, положение которой определяют в результате расчета контактного ректификационного аппарата.

Зона питания делит колонну на 2 части. Верхняя, или укрепляющая, часть обеспечивает наибольшее укрепление поднимающихся паров, то есть обогащение их ЛЛК. Нижняя, или кубовая (исчерпывающая) часть, обеспечивает наибольшее удаление из жидкости ЛЛК.

Второй поток жидкости, получаемый в дефлегматоре и называемый дистиллятом, поступает в холодильник - теплообменник, а затем в сборник, откуда перекачивается в качестве целевого продукта насосом.

Жидкость, выходящая из нижней части колонны, также делится на 2 потока. Первый возвращается в испаритель, откуда в виде пара подается назад в колонну. Второй, называемый кубовым остатком, после охлаждения в холодильнике направляется в сборник.

спирт вода насадочный колонна

1.3 Устройство, принцип действия ректификационных колонн

Ректификационная колонна имеет цилиндрический корпус, внутри которого установлены контактные устройства в виде тарелок или насадок. Снизу вверх по колонне движутся пары, поступающие в нижнюю часть аппарата из кипятильника, который находится вне колонны, т. е является выносным, либо размещается непосредственно под колонной. Следовательно, с помощью кипятильника создается восходящий поток пара. Пары проходят через слой жидкости на нижней тарелке, которую будем считать первой, ведя нумерацию тарелок условно снизу вверх. Пусть концентрация жидкости на первой тарелке равна х1 (по низкокипящему компоненту), а ее температура t1. В результате взаимодействия между жидкостью и паром, имеющим более высокую температуру, жидкость частично испаряется, причем в пар переходит преимущественно низколетучий компонент. Поэтому на следующую (вторую) тарелку поступает пар с содержанием низколетучего компонента y1>x1.

Испарение жидкости на тарелке происходит за счет тепла конденсации пара. Из пара конденсируется и переходит в жидкость преимущественно тяжелолетучий компонент, содержание которого в поступающем на тарелку паре выше равновесного с составом жидкости на тарелке. При равенстве теплот испарения компонентов бинарной смеси для испарения 1 моль низколетучего компонента необходимо сконденсировать 1 моль тяжелолетучего компонента, т. е фазы на тарелке обмениваются эквимолекулярными количествами компонента.

На второй тарелке жидкость имеет состав х2 , содержит больше низколетучего компонента, чем на первой (х2>х1) , и соответственно кипит при более высокой температуре (t2х2 , и т. д.

Таким образом, пар, представляющий собой на выходе из кипятильника почти чистый ТЛК, по мере движения вверх все более обогащается низкокипящим компонентом и покидает верхнюю тарелку колонны в виде почти чистого низколетучего компонента, который практически полностью переходит в паровую фазу на пути пара от кипятильника до верха колонны.

На некотором расстоянии от верха колонны к жидкости из дефлегматора присоединяется исходная смесь, которая поступает на так называемую питающую тарелку колонны. Для того чтобы уменьшить тепловую нагрузку кипятильника, исходную смесь обычно предварительно направляют в подогреватель до температуры кипения жидкости на питающей тарелке.

Питающая тарелка как бы делит колонну на две части, имеющие различное назначение. В верхней части (от питающей до верхней тарелки) должно быть обеспечено, возможно, большее укрепление паров, т. е обогащение их НК с тем, чтобы в дефлегматор направлялись пары, близкие по составу к чистому НК. Поэтому данная часть колонны называется укрепляющей. В нижней части (от питающей до нижней тарелки) необходимо в максимальной степени удалить из жидкости НК, т. е исчерпать жидкость для того, чтобы в кипятильник стекала жидкость, близкая по составу к чистому ТЛК. Соответственно, эта часть колонны называется исчерпывающей.

1.4 Устройство, принцип действия насадочной ректификационной колонны

Насадочная ректификационная колонна, более обычная по конструкции, представляет собой цилиндрический вертикальный аппарат, заполненный по всей высоте либо на отдельных участках так именуемой насадкой определенных размеров и конфигурации телами из инертных материалов.

Колонна состоит из двух частей: верхней - укрепляющей и нижней - исчерпывающей. Внутри каждой части колонны находится решетка, на которую укладывается насадка. Сверху укрепляющей части колонны установлены приспособления для кипятильника поступают под решетку исчерпывающей части колонны и проходят по ней снизу вверх; жидкость, наоборот, протекает сверху вниз. В результате контакта паров с жидкостью происходит постепенное обогащение пара ЛЛК, а жидкости - ТЛК.

Пройдя колонну, пары направляются, как обычно, в дефлегматор, а жидкость из низа исчерпывающей части колонны частично отбирается в виде кубового остатка, содержащего относительно чистый менее летучий компонент, а частично идет в кипятильник. Насадку загружают в колонну через верх, а для выгрузки ее в обеих частях колонны устроены специальные люки.

Насадки представляют собой твердые тела различной формы, которые загружают в корпус колонны в навал или укладывают определенным образом. Развитая поверхность насадок обуславливает значительную поверхность контакта пара и жидкости.

Для заполнения насадочных колонн широко применяют кольца Рашига, изготовленные из различных материалов, что обеспечивает универсальность их практического использования. Однако кольца Рашига обладают относительно невысокой производительностью и сравнительно высоким сопротивлением. Последнее ограничивает их применение для вакуумных процессов.

Созданные в последние годы различные модификации колец Рашига - кольца Паля, кольца Борад и другие позволили получить лучшие рабочие характеристики, чем при кольцах Рашига. В связи с необходимостью создания насадок с низким гидравлическим сопротивлением были разработаны различные варианты регулярной укладки насадочных тел, блочные насадки, а также насадки из сеток различных конструкций.

Насадку укладывают на опорные распределительные решетки и плиты. Свободное сечение таких устройств должно быть по возможности больше и приближаться к величине свободного объема насадки. Чтобы насадка работала эффективно, поверхность насадки должна хорошо смачиваться жидкостью.

В насадочных колоннах фактически нереально достигнуть равномерного распределения стекающей сверху вниз воды по всем поперечным сечениям аппарата. В особенности неравномерно распределяется жидкость при огромных поперечниках колонн. Именно потому контактирование фаз в их недостаточно, вследствие чего же тяжело добиться точного разделения.

В текущее время насадочные колонны для ректификации используют редко, их вытеснили тарельчатые колонны.

2. РАСЧЁТ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ

2.1 Определение материального баланса колонны

А) общий материальный баланс mf=mp+mw=1,42 кг/с, где mf - расход исходной смеси, кг/с mp - расход дистиллята, кг/с mw - расход кубового остатка, кг/с Б) частный материальный баланс по легкокипящему компоненту

mf*хf=mp*xp+mw*хw

mf*xf=(mf-mw)*хp+mw*xw

mw=mf*[(xp-xf)/(xp-хw)]=1,42*[(80-20)/(80-2)]=1,09 кг/с mp = mf - mw = 1,42 - 1,09 = 0,33 кг/с

2.2 Определение оптимального рабочего флегмового числа

Для расчетов сосчитали массовые доли компонента в мольные, используя формулу

х=(х/Ма)/[(х/Ма)+(1-х/Мб)],кмоль/кмоль(*100=мольные%)

где Ма, Мб - молярные массы соответственно легколетучего (спирта) и тяжелолетучего компонента (воды)

xf=(xf/Ma)/(xf/Ma)+(1-xf/Mб)= (0,2/46)/(0,2/46)+(1-0,2/18)*100=8,9 мольн. %

xp=(xp/Ma)/(xp/Ma)+(1-хp/Mб)=(0,8/46)/(0,8/46)+(1-0,8/18)*100=60,71 мольн. %w=(xw/Ma)/(xw/Ma)+(1-xw/Мб)=(0,02/46)/(0,02/46)+(1-0,02/18)*100=0,7 мольн. %

Этанол - вода

X - конц-ция ЛЛК в жид-ти	Y - конц-ция ЛЛК в паре	Т - тем-ра кипения двойной смеси

Определяем минимальное флегмовое число

Rmin = (Хр-Yf)/(Yf - Xf)=(60,7 1- 42)/(42 - 8,9)=18,71/33,1=0,57

Оптимальное рабочее флегмовое число определяем по формуле:

R = Rmin*=0,57*1,7=0,97

Где - коэффициент избытка флегмы, принимаем 1,6-1,8

2.3 Определение число теоретических ступеней

Строим рабочую линию колонны. Т.к. колонна состоит из двух частей:

исчерпывающей и укрепляющей, то линию строим по четырем точкам.

Уравнение линии процесса в укрепляющей части колонны:

Y = R*x/(R+l) + xp/(R+l)

т.А х = хр = 60, 71 у = хр = 60,71

т.В х = 0 y=xp/R+l=60,71/0,97+1=30,82

Соединив эти 2 точки, получаем рабочую линию укрепляющей части колонны.

Уравнение линии процесса в исчерпывающей части колонны

Y = [(R+F)/(R+l)]*x-*xw

F, W - относительные расходы исходной смеси и кубового остатка, т.е. отнесенные на

моль дистиллята

т. С х = xf = 8,9 до пересечения с линией АВ

т. Д х = xw = 0,7 у = хw = 0,7

Соединив эти две точки, получаем рабочую линию исчерпывающей части колонны.

АСД - рабочая линия колонны

Подсчитываем число теоретических ступеней отдельно в каждой части колонны

ЧТСукр, ЧТСисч, ∑ЧТС = ЧТСукр + ЧТСисч=4,5+4=8,5

2.4 Определение теплового баланса

Для выполнения тепловых расчетов определяем температуры кипения и теплоемкости исходной смеси, дистиллята и кубового остатка. Строим график температурной зависимости Т = f (X).

Построив график, получили: Tf=87 0C, Tw=96,1 0C, Tp=79 0C

По полученным температурам кипения для исходной смеси, дистиллята и кубового остатка находим теплоемкости ЛЛК (Са) и ТЛК (Сб). Теплоемкость смеси при каждой температуре находим по формуле:

Ссм= Са*х -Сб*(1-х)

Таким образом, итоговым результатом должны стать значения Ссмf, Ссмр, Ссмw

Св=1,1*4190=4609 Дж/(кг*К)

Ссмf=3310,1*0,089+4609(1-0,089)=294,6+4198,8=4493,2 Дж/(кг*К)

При Tw=96,1 0C

Ссп=0,83*4190=3477,7 Дж/(кг*К)

Св=1*4190=4190 Дж/(кг*К)

Ссмw=3477,7*0,007+4190(1-0,007)=24,34+4160,7=4185,04 Дж/(кг*К)

Ссп=0,78*4190=3268,2 Дж/(кг*К)

Св=1,05*4190=4399,5 Дж/(кг*К)

Ссмр=3288,2*0,6071+4399,5(1-0,6071)=1984,12+1728,6=3712,72 Дж/(кг*К)

Составляем уравнение теплового баланса:

Приход теплоты:

А) с исходной смесью в колонну

Qf=mf* Cсмf *Tf=1,42 *4493,4*87=555114,63 Дж

Б) с флегмой

QR=mR*CсмR*TR=0,3201 *3712,72*79=93887 Дж

mR=R*mp=0,97*0,33=0,3201 кг/с,

CсмR=Ссмр=3712,72, TR = Тр =790C

В) с греющим паром

Qг.п. =D*Iг.п. =D*2730000= 2730*103*D Дж

Принимаем греющий пар давлением 3 кг/с*см для всех расчетов с температурой

Тг.п. = 132,9 °С, Iг.п. = 2730 кДж/кг, rг.п.=2171 кДж/кг

Расход теплоты:

A) с паром из колонны

Qп"=m"п*I‘п=0,6501*294727,87=191602,6Дж

где I "п - энтальпия пара в верхней части колонны

I "п = rп + Cp*tp=1422,99+3712,72*79=294727,87 Дж/кг, rп - теплота парообразования, рассчитывается:

rп=ra*x+rб*(1-x)=848,1*0,6071+2311,22*(1-0,6071)=514,9+908,09=1422,99 Дж/кг

Для точного расчета применяем метод интерполяции:

rсп=(r2-r1)/(t2-t1)*[(t-t1)+г1]=(812,9-879,9)/(100-60)*[(79-60)+879,9]= -1,675*19+879,9=848,1 Дж/кг

rв=2311,22 Дж/кг

m"n = mp + mR =0,33+0,3201= 0,6501 кг/с

Б) с кубовым остатком

Qw=mw* Cсмw *Tw=1,09*4185,04*96,1=438378,8 Дж

) с конденсатом греющего пара

конд=D*Cв*Tг.п.=D*4,19*103*132,9=556851*D Дж

Г) Тепловые потери (составляют 5% от тепла, отдаваемого греющим паром). Потери обозначаются Qnoт, и учитываются в тепловом балансе. Из уравнения общего тепловою баланса находим расход греющего пара D.

Qпот=Qг.п*0,05=D*2730000*0,05=136500*D

Qf +QR+Qг.п.=Qn’+Qw+Qконд+Qпот

63+93887+2730000*D=191602,6+43878,8+556851*D+136500*D

2.5 Определение диаметра ректификационной колонны

Определяем расход и плотность пара в верхнем и нижнем сечениях колонны

Vc = mc /ρс

Где Vc - объемный расход пара, м3/с

mс - массовый расход пара, кг/с

ρп - плотность пара, кг/м3

ρп=М*Р*Т0/22,4*Р0*Т

Где М - молярная масса смеси, кг/кмоль

Р, Т - рабочие давление и температура, кг*с/ см2, К

Р0,Т0 - давление и температура при нормальных условиях

Р0= 1 кг*с/см2= 101,3 кПа

Верхнее сечение:

m"n=mp*(R+l)=0,33*(0,97+1)=0,6501кг/с

М"см=Ма*хр+Мб*(1-хр)=46*0,6071+18*(1-0,6071)=35мольн.% Р" = Ратм = 1 кг*с/см2=98100 Па

ρ"п=Мсм*Р*Т0/22,4*Р0*Тр=35*98100*273/22,4*101300*352=1,17 кг/м3

V"с=m‘n/ρ’n=0,6501/1,17=0,56 м3/с

Нижнее сечение:

Массовый расход пара находим из теплового баланса кипятильника:

D*rг.п. = m"п * г"п""п=(D*rг.п.)/ r""п= 0,045*2171*103/2258,07*103=0,043 кг/с

г"п находим методом интерполяции для каждого компонента смеси при температуре кубового остатка (Tw).

r""сп=[(812,9-879,9)/(100-60)]*(96,1-60)+879,9= -1,675*36,1+879,9=819,43 кДж

r""в=[(2258,4-2359)/(100-60)]*(96,1-60)+2359=-2,515*36,1+2359=2268,21 кДж

r""п= r´´сп*xw+ r´´в*(1-xw)=819,43*0,007+2268,21(1-0,007)=2258,07*103 Дж

М"см=Мсп*xw+Mв(1-xw)=46*0,007+18*(1-0,007)=18,2 мольн. %

ρ"п=Мсм"*Р"*Т0/22,4*Р0*Тw=18,2*98950*273/22,4*101300*369,1=0,59 кг/м3

Р"=Р" + ∆P=98100+850=98950 Па

Где ∆Р - сопротивление со стороны тарелки (насадки)

Где ∆Рт - сопротивление одной тарелки (насадки), принимаем 100 Па

V"с=m"n/ρ"n=0,043/0,59=0,07 м3/с

Таким образом, определим диаметр ректификационной колонны в верхнем и нижнем сечениях колонны по формуле:

D = √Vс /0,785*ωп

ωп=0,8* ωр=0,8*0,7=0,56 м/с

ωр=(0,5-0,9) м/с

Dв=√0,56/0,785*0,56=1,13 м

Dн=√0,07/0,785*0,56=0,41 м

Dср=(1,13+0,41)/2=0,76 м

Выбираем ректификационную колонну с насыпной насадкой и с распределительными тарелками типа ТСН - III и перераспределительными тарелками типа ТСН - II, диаметр колонны - 800 мм, высота сепарационной части равна 800 мм, высота кубовой - 2000 мм.

2.6 Определение высоты ректификационной колонны

Нкол = Нсеп + Нкуб + 0,5 *(nсл -1) + Hнас = 0,8+2+0,5*(2,13-1)+6,8= 2,8+0,565+6,8=10,2 м

где nсл - число слоев насадки в колонне, nсл = Hнас/hсл = 6,8/3,2=2,13

hсл - высота слоя насадки, hсл = 3…5*Dкол

5 - расстояние между слоями насадки, в котором устанавливают опорные решетки и перераспределительные тарелки, м

Hнас - общая высота насадки, м

Общую высоту насадки в колонне можно рассчитать через высоту насадки, эквивалентную одной теоретической ступени (тарелки):

Hнас=ЧТС* hэкв = 8,5*0,8=6,8 м

Где ЧТС - число теоретических ступеней

hэкв - высота, эквивалентная теоретической ступени, рассчитывается по критериальному уравнению, приводимому в справочной литературе hэкв = 0,8

2.7 Расчёт насоса для подачи исходной смеси

Расчет насоса для подачи исходной смеси:

Н - высота подъема исходной смеси в колонну (определяется по чертежу ректификационной колонны в масштабе), Н=5,1 м

η- коэффициент полезного действия, примем равным 0,75

1.Определяем диаметр трубопровода по формуле:

D=√V/0,785*υ=√0,0015/0,785*2=0,031м

Где V - объемный расход исходной смеси, м3/с:

υ- скорость движения исходной смеси, м/с принимаем 0,5 - 2 м/с

V = G/ρ=1,42/964,51=0,0015 м3/с

Где ρ- плотность исходной смеси при температуре Tf

Принимаем трубу с условным диаметром

Ориентировочно определяем мощность насоса

N=V* ρ*g*H/ 1000

*η=0,0015*964,51*9,81*5,1/1000*0,75=72,4/750=0,097 кВт

По подсчитанным данным по каталогу подобрали необходимый насос

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения данного курсового проекта были рассчитаны материальный и тепловой балансы. Выполнен конструктивный расчёт проектируемого аппарата, в ходе которого определены основные размеры проектируемой колонны:

Диаметр колонны - 800 мм

Высота колонны -10200 мм

Вычерчена графическая часть: общий вид аппарата и технологическая схема ректификационной установки.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Плановский А.М., Рамм В.М., Каган С.З., Процессы и аппараты химической технологии. - Москва: Химия, 1968 г.

2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессы и аппараты химической технологии. - Москва: Химия, 1981 г.

Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии. - Ленинград: Химия, 1991 г.

Романов П.Г., Курочкина М.И., Мозжерин Ю.А., Смирнов Н.Н. Процессы и аппараты химической промышленности. - Ленинград: Химия, 1989 г.

Возможно, будет полезно почитать: