Основные характеристики процесса и размеров насадочной ректификационной колонны

1.1 Общие сведения о процессе ректификации

2. Технологическая схема

Разделение жидкой смеси основано на различной летучести веществ. При ректификации исходная смесь делится на две части: дистиллят - смесь, обогащенную низкокипящим компонентом, и кубовый остаток - смесь, обогащенную высококипящим компонентом.

Процесс ректификации осуществляется в ректификационной установке основным аппаратом, которой является ректификационная колонна, в которой пары перегоняемой жидкости поднимаются снизу, а навстречу парам стекает жидкость, подаваемая в виде флегмы в верхнею часть аппарата.

Процесс ректификации может протекать при атмосферном давлении, а также при давлениях выше или ниже атмосферного. Под вакуумом ректификацию проводят, когда разделению подлежат высококипящие жидкие смеси. Повышенное давление применяют для разделения смесей, находящихся в газообразном состоянии при более низком давлении. Атмосферное давление принимают при разделении смесей, имеющих температуру кипения от 30 до 150°С.

Степень разделения смеси жидкостей на составляющие компоненты и чистота получаемого дистиллята и кубового остатка зависят от того, насколько развита поверхность контакта фаз, от количества подаваемой на орошение флегмы и устройства ректификационной колонны.

Ацетон летучая бесцветная жидкость с характерным запахом. Полностью смешивается с водой и большинством органических растворителей. Ацетон - широко применяемый растворитель органических веществ, в первую очередь нитратов и ацетатов целлюлозы; благодаря сравнительно малой токсичности он используется также в пищевой и фармацевтической промышленности; ацетон служит также сырьем для синтеза уксусного ангидрида, кетена, диацетонового спирта, окиси, мезитила, метилизобутилкетона, метилметакрилата, дифенилолпропана, изофорона и многих др. соединений. Мировое производство ацетона около 3 млн. т/год.

Бензол - органическое химическое соединение, бесцветная жидкость с приятным сладковатым запахом. Простейший ароматический углеводород. Бензол входит в состав бензина, широко применяется в промышленности, является исходным сырьём для получения многих полупродуктов в производстве красителей, лаков, фармацевтических препаратов. Смесь паров бензола с воздухом образуют взрывоопасную смесь. Малые концентрации паров при многократном воздействии вызывают изменение состава крови и нарушают нормальную функцию кроветворных органов. Хроническое отравление парами может вызвать смерть.

Смесь ацетона с бензолом - бесцветная прозрачная жидкость с характерным запахом. Подобно другим органическим соединениям, смесь ацетона с бензолом не агрессивна по отношению к металлам и сплавам. Эти материалы не коррозируют в этой смеси даже при наличии в ней примеси воды.

Исходную смесь из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подают в холодильник кубовой жидкости 4, где она нагревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 6 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 5.

Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка , т.е. обеднен легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава , получаемой в дефлегматоре 7 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 8 и направляется в промежуточную емкость 9. Из кубовой части колонны насосом 3 непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 4 и направляется в емкость 10. Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента - ацетона).

Рисунок 1 - Принципиальная схема ректификационной установки

1 - емкость для исходной смеси; 2,3 - насосы; 4 - холодильник кубовой жидкости;5 - кипятильник;6 - ректификационная колонна; 7 - дефлегматор; 8 - холодильник дистиллята; 9 - емкость для сбора дистиллята; 10 - емкость для кубовой жидкости

В промышленности применяют тарельчатые, насадочные, пленочные трубчатые и центробежные пленочные аппараты. Они различаются в основном конструкцией внутреннего устройства аппарата.

Тарельчатые контактные устройства, в ректификационной колонне, подразделяются на: колпачковые, ситчатые, клапанные, решетчатые, провальные и т.п.

Преимущественное использование тарельчатых колонн в процессах ректификации объясняется их значительно большей производительностью по сравнению с насадочными.

Достаточно высокая степень разделения однородных жидких смесей на компоненты может быть достигнута путем ректификации. Сущность процессов, из которых складывается ректификация, и получаемые при этом результаты можно проследить с помощью t - х - у - диаграммы.

Нагрев исходную смесь состава x1 до температуры кипения получим находящийся в равновесии с жидкостью пар (точка b). Отбор и конденсация этого пара дают жидкость состава х 2 обогащенную НК (х 2>х 1).Нагрев эту жидкость до температуры кипения t2, получим пар (точка d), конденсация которого дает жидкость с еще большим содержанием НК, имеющую состав x3, и т.д. Проводя, таким образом, последовательно ряд процессов испарения жидкости и конденсации паров, можно получить в итоге жидкость (дистиллят), представляющую собой практически чистый НК.

Аналогично, исходя из паровой фазы, соответствующей составу жидкости x4, путем проведения ряда последовательных процессов конденсации и испарения можно получить жидкость (остаток), состоящую почти целиком из ВК.

В простейшем виде процесс многократного испарения можно осуществить в многоступенчатой установке, в первой ступени которой испаряется исходная смесь. На вторую ступень поступает на испарение жидкость, оставшаяся после отделения паров в первой ступени, в третьей ступени испаряется жидкость, поступившая из второй ступени (после отбора из последней паров) и т.д. Аналогично может быть организован процесс многократной конденсации, при котором на каждую следующую ступень поступают для конденсации пары, оставшиеся после отделения от них жидкости (конденсата) в предыдущей ступени.

При достаточно большом числе ступеней таким путем можно получить жидкую или паровую фазу с достаточно высокой концентрацией компонента, которым она обогащается. Однако выход этой фазы будет мал по отношению к ее количеству в исходной смеси. Кроме того, описанные установки отличаются громоздкостью и большими потерями тепла в окружающую среду.

Значительно более экономичное, полное и четкое разделение смесей на компоненты достигается в процессах ректификации, проводимых обычно в более компактных аппаратах - ректификационных колоннах.

При взаимодействии фаз между ними происходит массо- и теплообмен обусловленные стремлением системы к состоянию равновесия.

В результате каждого контакта компоненты перераспределяются между фазами: пар несколько обогащается ПК, а жидкость - ВК.

Многократное контактирование приводит к практически полному разделению исходной смеси.

Таким образом, отсутствие равновесия (и соответственно наличие разности температур фаз) при движении фаз с определенной относительной скоростью и многократном их контактировании являются необходимыми условиями проведения ректификации.

Процессы ректификации осуществляются периодически или непрерывно при различных давлениях: при атмосферном давлении, под вакуумом (для разделения смесей высококипящих веществ), а также под давлением больше атмосферного (для разделения смесей, являющихся газообразными при нормальных температурах).

Рисунок 1 Изображение процесса разделения бинарной смеси путем ректификации на диаграмме t--х--у

3. Расчет ректификационной колоны

Произведем расчет ректификационной колонны непрерывного действия для разделения бинарной смеси ацетон бензол, задавшись следующими параметрами:

· производительность по исходной смеси ;

· содержание легколетучего компонента в исходной смеси ;

· содержание легколетучего компонента в дистилляте ;

· содержание легколетучего компонента в кубовом остатке ;

· давление в паровом пространстве дефлегматора = 1 атм.

3.1 Материальный баланс и рабочее флегмовое число

Производительность колонны по дистилляту P и кубовому остатку W определяем из уравнения материального баланса колонны:

;

;

Отсюда находим:

;

.

;

.

Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются рабочим флегмовым числом R. Для его определения используют коэффициент избытка флегмы :

,

где - минимальное флегмовое число:

,

где , и - мольные доли легколетучего компонента в исходной смеси, кубовом остатке и дистилляте;

- концентрация легколетучего компонента в паре, находящимся в равновесии с исходной жидкостью.

;

где и -мольные массы ацетона и бензола.

.

;

.

;

.

-находим из графика. =0,56.

Тогда минимальное флегмовое число будет равно:

.

Задавшись различными значениями коэффициентов избытка флегмы определим соответствующие флегмовые числа по формулам:

; ; =1,051,55.

Результаты вычислений занесем в таблицу.

Таблица 3.1. Результаты вычислений.

Рис. 3.1 - Определение концентрации легколетучего компонента в паре, находящимся в равновесии с исходной жидкостью .

Таблица 1. Равновесные составы жидкости (x) и пара (y) в мол. и температуры кипения (t) в °C бинарных смесей при 760 мм. рт. ст.

Рисунок 3.2 Кривая равновесия и положение рабочей линии при Rмин

Рисунок 3.3Диаграмма t - x, y. 1 - линия жидкости; 2 - линия пара.

Из полученных результатов видно, что минимальное произведение N(R+1) соответствует флегмовому числу R=3,02, при этом коэффициент избытка флегмы =1,55.

3.2 Средние массовые расходы

Средние массовые расходы в нижней и в верхней части колонны определим из соотношений:

;

,

где и - мольные массы дистиллята и исходной смеси;

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

;

,

где и - мольные массы ацетона и бензола соответственно;

и - средний мольный состав жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно.

Рисунок 3.4 - Графическое определение числа ступеней изменения концентраций N (N=67).

Рисунок 3.5 - Определение оптимального флегмого числа R.

;

.

;

.

Тогда:

Мольная масса исходной смеси :

;

Тогда

.

.

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

;

,

где и - средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны соответственно.

;

,

где и - средний мольный состав жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно.

;

.

;

Тогда:

.

.

3.3 Скорость пара и диаметр колонны

Расчет скорости пара зависит от вида тарелок в колонне.

,

где и - плотности жидкости и пара соответственно.

Найдем плотности жидкости в верхней и нижней , и пара в верхней и нижней частях колонны. Средние температуры паров определим по диаграмме t-ху по средним составам фаз: 57.6 и 79.9.

Находим:

;

.

;

.

По табличным значениям определим плотности жидкостей: бензол-==815 при ; ацетон-==749 при .

Средняя плотность жидкости:

;

.

Теперь можно найти скорость пара в верхней и нижней части колонны:

=

=

Ориентировочный диаметр колонны определяют из уравнений расхода:

-верх колонны:

.

.

Выбираем наибольшее значение 0,978. и выбираем ближайший стандартный диаметр обечайки колонны 1,0. При этом из-за маленькой разницы между и рабочая скорость пара в колонне остается неизменной.

Тогда скорость пара в колонне будет равна:

;

3.4 Гидравлический расчет тарелок

Рассчитываем гидравлическое сопротивление тарелки в верхней и нижней части колонны по уравнениям:

а) верхняя часть колонны:

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

;

где 1.82- коэффициент сопротивления неорошаемых тарелок со свободным сечением 7-10%;

- скорость пара в отверстиях тарелки;

;

.

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

· бензола:

где - поверхностное натяжение бензола при температуре в верхней части колонны ;

-диаметр отверстий тарелки.

,где поверхностное натяжение бензола при нормальных условиях.

· ацетона:

,

где - поверхностное натяжение ацетона при температуре в верхней части колонны при ;

=17,9,

где поверхностное натяжение ацетона при нормальных условиях.

Тогда получим:

.

.

· общее:

;

Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:

.

Высота парожидкостного слоя:

,

где высота переливной перегородки; =40 ;

- высота слоя над сливной перегородкой, рассчитываемая по формуле:

;

где - объемный расход жидкости, ;

П - периметр сливной перегородки, ;

- отношение плотности парожидкостного слоя (пены) к плотности жидкости, приближенно принимаемое равным 0,5.

Объемный расход жидкости в верхней части колонны:

,

;

.

.

Найдем :

.

Высота парожидкостного слоя на тарелке:

.

Сопротивление парожидкостного слоя:

.

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части колонны:

;

б) нижняя часть колонны:

Расчеты проведем аналогично, что и для верхней части колонны.

;

.

.

.

;

.

;

.

;

.

;

.

;

.

;

.

;

.

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в нижней части колонны:

;

.

Проверим, соблюдается ли при расстоянии между тарелками необходимое для нормальной работы тарелок условие отсутствия пробоя переточного устройства восходящим потоком пара. Проверка производится для нижней части колонны, для которой гидравлическое сопротивление тарелок больше:

;

.

Указанное выше условие соблюдается - поток пара не выбрасывает столб жидкости в перемешивающем устройстве.

Проверим равномерность работы тарелок, путем расчета минимальной скорости пара в отверстиях , достаточной для того, чтобы тарелка работала всеми отверстиями.

;

Расчетная скорость (0,08<9,36), следовательно, тарелки будут работать равномерно всеми отверстиями.

3.5 Определение числа тарелок и высоты колонны

На диаграмму наносим рабочие линии верхней и нижней части колонны и путем построения прямоугольных ступеней между равновесной кривой и рабочими линиями находится число ступней изменения концентраций . В верхней части колонны =17, в нижней части =5, всего ступеней =22 .

Число необходимых действительных тарелок рассчитывается по уравнению:

,

согласно которому необходимо предварительно вычислить среднее значение КПД по уравнению:

Для определения среднего КПД тарелок находится коэффициент относительной летучести компонентов и динамическая вязкость исходной смеси при средней температуре в колонне, равной:

;

.

При этой температуре:

· давление насыщенного пара ацетона =1147,8

· давление насыщенного пара бензола 453

Отсюда:

;

Динамическая вязкость бензола при =68,8 равна =0,37 , ацетона- = 0,24 . Принимаем динамическую вязкость смеси исходного состава как среднеарифметическое значение:

;

=0,31.

Тогда:

.

По графику зависимости от находим =0,5. Длина пути, проходимого жидкостью по тарелке:

,

где определяем графически; =0,2 .

.

По графику "Значение поправки в зависимости от длины пути жидкости оп тарелке" находим =0. Тогда средний КПД будет равен:

;

.

Общее число тарелок определится по формуле:

;

.

;

.

;

.

Общее гидравлическое сопротивление тарелок:

;

.

Высота тарельчатой части колонны:

;

.

Высота зоны питания и расстояние от крышки до первой тарелки концентрационной части определяются конструктивно:

=1.

=2;

=.

Расстояние от днища до первой тарелки отгонной части рассчитывается исходя из условия запаса 15-20 минутной работы насоса, откачивающего кубовую жидкость, в случае прекращения поступления сырья в колонну:

=2.

Высота опоры колонны рассчитывается в зависимости от диаметра колонны:

;

.

Общая высота колонны определяется из уравнения:

;

.

3.6 Расчет теплового баланса установки

Тепловой баланс ректификационной колонны выражается общим уравнением:

,

где QK - тепловая нагрузка куба;

QР -количество теплоты, передаваемой от пара к воде;

Qпот - тепловые потери (5%);

-теплоёмкости соответствующие дистилляту, кубовому остатку и исходной смеси;

- температуры соответствующие дистилляту, кубовому остатку и исходной смеси.

, , .

Найдем удельную теплоту конденсации паров дистиллята по аддитивной формуле:

,

где - теплоты испарения ацетона и бензола при температуре дистиллята.

;

;

.

Определим тепловую нагрузку дефлегматора по формуле:

;

.

Определим теплоёмкости смеси:

Для ацетона:

=2,43 ;

;

=2,35 ;

Для бензола:

=1,92 ;

=1,89 ;

=1,8 .

Тогда теплоемкость смеси в исходном состоянии, кубовом остатке и дистилляте:

;

;

;

1,93;

;

2,33.

Тогда:

2.8 Определение диаметров штуцеров

Диаметры штуцеров определяются по уравнению объемного расхода:

,

где - объемный расход потока в трубопроводе;

- допустимая скорость потока, зависящая от фазового состояния, и определяется в соответствии с таблице 3.2

Таблица 3.2 Допустимая скорость потока в трубопроводах

Диаметр штуцера для подачи сырья в колонну:

;

.

.

Принимаем по ГОСТ 12821-80 .

Диаметр штуцера для холодного орошения:

Расход на орошение определяется по формуле

.

;

Принимаем по ГОСТ 12821-80 .

Диаметр штуцера для ввода паров из кипятильника:

Примем равным диаметру штуцера для ввода орошения, т.е по ГОСТ 12821-80 .

Диаметр штуцера для отвода куба:

;

.

.

Принимаем по ГОСТ 12821-80 .

Заключение

В ходе работы по заданным параметрам (подача сырья 0,8 кг в с, содержание ацетона в сырье 28 %, в дистилляте 96% и в остатке 6,0%) был проведен расчет процесса ректификации и ректификационной колонны.

Предложен конструкционный материал для проведения процесса ректификации смеси ацетон - бензол подойдет аппарат, изготовленный из марок сталей 12Х 18Н 9Т, 08Х 18Н 10Т, 08Х 17Н 13М 2Т.

Список литературы

1. Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии [Текст] : Учеб. пособие / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков; под ред. П.Г. Романкова. 10-е изд., перераб. и допол. - Л.: Химия, 1987. - 576 с.

2. Касаткин, А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии [Текст] : Учебник. 9-е изд. исправл. М.: Химия, 1973. - 750 с.

3. Павлов К.Ф. Курочкина М.И. Расчетные диаграммы и номограммы по курсу процессы и аппараты химических производств

4. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию [Текст] : / Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др.; под ред. Ю.И. Дытнерского, 2 - изд., перераб. и дополн. - М.: Химия, 1991. - 496 с.

5. Лебедев П.Д. Теплоиспользующие установки промышленных предприятий. Курсовое проектирование [Текст] : учеб. пособие / Лебедев П.Д. Щукин А.А. М.: Энергия, 1970. - 408 с.

6. Лащинский, А.А. Основы расчета и конструирования химической аппаратуры: справочник [Текст] : / Лащинский А.А., Толчинский А.Р. 2 изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, 1970. - 753 с.

7. Плановский А.Н. Процессы и аппараты нефтехимической промышленности [Текст] : учебное пособие / А.Н. Плановский, П.И. Николаев М.: Химия, 1987. - 421 с.

8. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машино-строителя [Текст] : - В 3-х т. - Т. 3. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1979. - 557 с.

9. Плановский А.Н. Процессы и аппараты химической технологии [Текст] : Учебное пособие / А.Н. Плановский, В.М. Рамм, С.З. Каган; 5-е изд., стереотип. - М.: Химия, 1968. - 847 с.

Размещено на Allbest.ru