Расчет и проектирование ректификационной колонны с клапанными тарелками для разделения под атмосферным давлением бинарной смеси с концентрацией низкокипящего компонента

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

На всем протяжении своего развития химия служит человеку в его практической деятельности. Еще задолго до новой эры возникли ремесла, в основе которых лежали химические процессы: получение металлов, стекла, керамики, красителей. Роль современной химии в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства исключительно велика. Без развития химии невозможно развитие топливно-энергетического комплекса, металлургии, транспорта, связи, строительства, электроники, сферы быта и услуг. Химическая индустрия снабжает народное хозяйство различными материалами - это кислоты, щелочи, растворители, топливо, масла, пластмассы, химические волокна, синтетические каучуки, минеральные удобрения и многие другие.

Современная химическая промышленность характеризуется весьма большим числом разнообразных производств, различающихся условиями протекания технологических процессов и многообразием физико-химических свойств перерабатываемых веществ и выпускаемой продукции. Одну из ключевых ролей в промышленности играют процессы разделения смесей и получение индивидуальных веществ различной чистоты. Причем наблюдается ярко выраженная тенденция получения все более чистых веществ. Среди процессов разделения доминирующую роль играет ректификация, ее количественная доля составляет около 90 %. Объясняется это достаточной универсальностью процессов ректификации или дистилляции и способностью перерабатывать огромные массовые потоки веществ.

Сущность процесса ректификации сводится к выделению из смеси двух или в общем случае нескольких жидкостей с различными температурами кипения одной или нескольких жидкостей в чистом виде. Это достигается нагреванием и испарением такой смеси с последующим многократным тепло - и массообменом между жидкой и паровой фазами, в результате часть легколетучего компонента переходит из жидкой фазы в паровую, а часть менее летучего компонента - из паровой фазы в жидкую.

Процесс ректификации осуществляют в ректификационной установке, включающей ректификационную колонну, дефлегматор, холодильник-конденсатор, подогреватель исходной смеси, сборники дистиллята и кубового остатка. Основным аппаратом установки является ректификационная колонна, представляющая собой вертикальный цилиндрический аппарат, конструктивно состоящий из стандартных и нормализованных деталей и узлов (корпусов, крышек, днищ, штуцеров, люков-лазов, смотровых люков, опор и т.д.), встроенной или вынесенной греющей камеры и внутреннего устройства. Такие колонны изготавливают в основном из листовой стали, реже из меди, чугуна, керамики, стекла. Пары перегоняемой жидкости в колонне поднимаются снизу, а навстречу парам сверху стекает жидкость, подаваемая в верхнюю часть аппарата в виде флегмы. В большинстве случаев конечными продуктами являются дистиллят (сконденсированные в дефлегматоре пары легколетучего компонента, выходящие из верхней части колонны) и кубовый остаток (менее летучий компонент в жидком виде, вытекающий из нижней части колонны).

По конструкции корпусов различают в основном три типа колонн:

Корпус собран из отдельных царг, соединяемых между собой фланцами на прокладке. Крышку и днища крепят таким же способом. В таком корпусе не устраивают люков лазов;

Корпус цельносварной, крышку крепят с помощью фланцевого соединения. Для осмотра в корпусе предусматривают смотровые люки;

Корпус цельносварной, к нему приваривают крышку и днище. Для монтажа и демонтажа тарелок его обязательно снабжают люками-лазами.

Процесс ректификации может протекать при атмосферном давлении, а также при давлениях выше и ниже атмосферного. Под вакуумом ректификацию проводят, когда разделению подлежат высококипящие жидкие смеси. Повышенные давления применяют для разделения смесей, находящихся в газообразном состоянии при более низком давлении. Степень разделения смеси жидкостей на составляющие компоненты и чистота получаемых дистиллята и кубового остатка зависят от того, насколько развита поверхность фазового контакта, а следовательно, от количества орошающей жидкости (флегмы) и устройства ректификационной колонны.

В промышленности применяют колпачковые, ситчатые, насадочные, пленочные трубчатые колонны и центробежные пленочные ректификаторы. Они различаются в основном конструкцией внутреннего устройства аппарата, назначение которого - обеспечение взаимодействия жидкости и пара. Это взаимодействие происходит при барботировании пара через слой жидкости на тарелках (колпачковых или ситчатых) либо при поверхностном контакте пара и жидкости на насадке или поверхности жидкости, стекающей тонкой пленкой.

Все ректификационные установки, независимо от типа и конструкции колонн, классифицируют на установки периодического и непрерывного действия.

В ректификационных установках периодического действия начальную смесь заливают в перегонный куб, где поддерживается непрерывное кипение с образованием паров. Пар поступает на укрепление в колонну, орошаемую частью дистиллята. Другая часть дистиллята из дефлегматора или концевого холодильника, охлажденная до определенной температуры, через контрольный фонарь поступает в сборник готового продукта. В колоннах периодического действия ректификацию проводят до тех пор, пока жидкость в кубе не достигает заданного состава. Затем обогрев куба прекращают, остаток сливают в сборник, а в куб вновь загружают на перегонку начальную смесь. Установки периодической ректификации успешно применяют для разделения небольших количеств смесей. Большим недостатком ректификационных установок периодического действия является ухудшение качества готового продукта (дистиллята) по мере протекания процесса, а также потери тепла при периодической разгрузке и загрузке куба. Эти недостатки устраняются при непрерывной ректификации.

Колонны непрерывного действия состоят из нижней (исчерпывающей) части, в которой происходит удаление легколетучего компонента из стекающей вниз жидкости, и верхней (укрепляющей) части, назначение которой - обогащение поднимающихся паров легколетучего компонента. Схема установки непрерывной ректификации отличается от периодической тем, что питание колонны начальной смесью определенного состава происходит непрерывно с постоянной скоростью; готовый продукт постоянного качества также непрерывно отводится установка колонна.

1. Техническое задание по проектированию

Рассчитать и спроектировать ректификационную колонну с клапанными тарелками для разделения под атмосферным давлением GF т/ч бинарной смеси S с концентрацией низкокипящего компонента ХF % (масс.). Исходная смесь поступает в колонну при температуре кипения. Требования к чистоте продуктов: ХD% (масс.); Хw % (масс.).

Смесь хлороформ - четыреххлористый углерод.

GF =10 т/ч.

ХF =43.

ХD =96.

Хw =3.

2. Описание ректификационной установки

Для разделения смеси хлороформ ? четыреххлористый углерод применяется ректификационное разделение. Процесс разделения требуется проводить непрерывным способом. Так как нам не известны предыдущие стадии процесса, то перед подачей на колонну необходимо предусмотреть накопительную емкость, которая будет обеспечивать непрерывную подачу смеси.

Питание требуется подавать в колонну при температуре кипения, для этого его необходимо подогреть. С этой целью перед подачей на колонну устанавливается теплообменник. Так как исходная смесь хлороформ ? четыреххлористый углерод кипит при температуре 68 ?С, то для подогрева, с целью экономии греющего пара, целесообразно использовать тепло кубового остатка.

В колонне исходная смесь разделяется на два потока: хлороформ содержащий четыреххлористый углерод и отбираемый соответственно с нижней и верхней частей колонны, и четыреххлористый углерод как более труднолетучий компонент, собирается внизу (в кубовой части) колонны, а хлороформ как легколетучий компонент в верхней части колонны. Для обеспечения потока пара через колонну, устанавливается кипятильник кубового остатка. Часть кубового остатка в виде продукта отводится и собирается в емкость. Перед подачей хлороформ в сборную ёмкость его необходимо охладить, что осуществляется также при помощи теплообменников. В целях экономии энергии, рационально использовать тепло кубового остатка для нагревания питания. При этом также уменьшается количество теплообменников, если этого тепла достаточно, чтобы нагреть питание до температуры кипения, или уменьшается поверхность теплообменника при использовании дополнительного подогрева с помощью греющего пара. Для образования флегмы пары, содержащие преимущественно легколетучий компонент, конденсируют в теплообменнике-дефлегматоре, и разделяют на отводимый в виде продукта поток и на поток, возвращаемый как флегму обратно в колонну.

Так как в дефлегматоре продукт только конденсируется, но не охлаждается, то перед подачей в сборную ёмкость его необходимо охладить. Охлаждение продукта в теплообменнике и дефлегматоре осуществляется с помощью воды, как наиболее дешевого теплоносителя.

Так как в технологическом процессе используются легкотекучие и чистые жидкости с не большим расходом, то используем центробежные насосы. В качестве теплообменников используем кожухотрубные теплообменники как наиболее распространённые и вполне подходящие для реализации нашей технологической схемы.

3. Расчетная часть

Материальный баланс.

Пересчет в систему СИ.

Расчет питания.

Массовая доля НК (хлороформ) в питании, дистилляте и кубовом остатке:

- в питании

- в дистилляте

- в кубовом остатке

Рис. 1. Схема материальных потоков ректификации

Пусть GD и GW -массовые расходы дистиллята и кубового остатка, кг/с.

Уравнение материального баланса:

Получили систему:



Из системы уравнений материального баланса определяем GD и GW:

МНК и МВК - молярные массы НК- хлороформ и ВК- четыреххлористый углерод.

МНК=119,5 кг/кмоль.

МВК=154 кг/кмоль.

Питание:

Дистиллят:

Кубовый остаток:

Определяем число питания (относительный мольный расход питания):

Строим кривую равновесия по данным о фазовом равновесии разделяемой бинарной системы при давлении Р=760 мм. рт. ст., представленным в таб. 1.

Табл. 1

Х	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
У	0,00	13,5	26,5	39,5	52,0	63,5	72,5	81,0	88,5	95,0	100,0
T,є С	76,8	74,7	72,6	70,6	68,6	66,9	65,3	63,9	62,6	61,5	60,8



Рис. 2. Кривая равновесия состав - состав бинарной системы хлороформ-четыреххлористый углерод при атмосферном давлении

Отложим уF* - по диаграмме состав-состав (у-х), представленной на рисунке 2. уF* - мольная доля НК в паре, равновесном с жидкостью питания.

Вычисляем минимальное флегмовое число:

Рабочее флегмовое число:

R =1.3 Rmin + 0.3 =1,3•2,43+0,30=3,46

Определяем уравнения рабочих линий:

а) Для верхней (концентрационной) части колонны:

б) Для нижней (отгонной) части колонны:

Определение скорости пара и диаметра колонны

Средние концентрации жидкости:

В верхней части колонны

В нижней части колонны

Средние концентрации пара находим по уравнениям рабочих линий:

В верхней части колонны

В нижней части колонны

Средние температуры пара определяем по диаграмме t-x, y, рисунок 3.



Рис. 3. Диаграмма температура-состав, состав (t - х, у) бинарной системы хлороформ-четыреххлористый углерод при атмосферном давлении

а) при , ;

б) при , .

Средние мольные массы пара:

а) верх

б) низ

Определяем средние плотности пара:

а) верх

б) низ

Средняя плотность пара в колонне:

Находим температуры флегмы и кубовый остаток жидкости по диаграмме t-x,y при хD и хw.

Находим:

а) плотность жидкого НК (хлороформ) при ;

б) плотность жидкого ВК (четыреххлористый) при .

Средняя плотность жидкости в колонне:

Максимальную допустимую скорость пара по колонне можно определить:

Коэффициент Cmax вычисляем по формуле:

,

где Н - межтарельчатое расстояние, принимаем Н= 0,4 м=400 мм. q- линейная плотность орошения, т.е. отношение объемного расхода жидкости к периметру слива П (длине сливной планки). k1=1.15; k2=1 при атмосферном и повышенном давлениях k3=0,34•10-3.

Расчет Cmax.

В первом приближении задаемся q=q0=10-25м2/ч. Принимаем q0=10 м2/ч:

м/с

.

Мольная масса дистиллята:

0,97•119,5+(1-0,97)•154=120,54 г/моль.

Средняя температура пара в колонне:

Объемный расход пара по колонне:

Вычисляем диаметр колонны:

Выбираем ближайший диаметр колонны.

Примем D=1 м =1000 мм.

Тогда фактическая скорость пара в колонне будет:

Определяем

Определяем среднюю мольную массу жидкости в верхней части колонны:

Объемный расход в верхней части колонны:

Линейная скорость орошения в верхней части колонны:

Значение q1 входит в принятый диапазон, следовательно, принятый диаметр равный 1000 мм подходит.

Определение числа тарелок и высоты колонны.

Строим рабочую диаграмму процесса ректификации у-х (рисунок 4), т.е. чертим равновесную и рабочую линии процесса. Вписываем прямоугольные треугольники между равновесной и рабочими линиями, получаем число теоретических тарелок в верхней и нижней частях колонны: n'T и n''T.

Рис. 4. Диаграмма состав-состав процесса ректификации бинарной системы хлороформ - четыреххлористый углерод при атмосферном давлении

Число тарелок верхней части колонны n'T=11, в нижней части n''T=25, всего 36 ступеней.

Находим по справочникам коэффициент относительной летучести компонентов:

Средняя температура жидкости в колонне:

Полное давление паров: PНК=646•105 Па, PВК=613•105 Па.

Относительная летучесть компонентов:

Коэффициент динамической вязкости компонентов:

Тогда среднее значение

1,05•2,34•10-4=0,2

Находим приближенное КПД тарелок

Нахождение длины пути жидкости по тарелке определяем b:

Для нахождения пути жидкости на тарелке:

l=D-2b=1-2•0.15=0.71 м.

Находим поправку на длину пути ?=0,1.

Средний КПД тарелок:

Вычисляем число действительных тарелок в верхней и нижней частях колонны:

В верхней части колонны:

принимаем 14

В нижней части колонны:

 принимаем 31

Общее число тарелок в колонне:

С запасом 15-20%:

Примем n= 52. Из них в верхней части n=14 и в нижней части n=31.

Высота тарельчатой части колонны:

Гидравлический расчет колонны.

Гидравлическое сопротивление тарелки равно сумме потерь напора на сухой тарелке и в слое жидкости:

Верхняя часть колонны.

Потеря напора на орошаемой тарелке:

,

- коэффициент сопротивления для клапанной тарелки при полностью открытом клапане =3,63. - скорость пара в отверстии, м/с.

,

где f - доля свободного сечения тарелки f=10,00%.

Потеря напора в солее жидкости:

,

где hП - высота сливной планки, м. ?h' - подбор жидкости над сливной планкой, м. - средняя плотность жидкости.

hП принимаем 0,05м.

Подбор жидкости при прямой сливной планке:

,

где Q'ж - объемный расход жидкости в верхней части колонны, м3/ч.

1445•9,81•(0,05+0,004)=765,5 Па

Определяем сопротивление орошаемой тарелки:

Нижняя часть колонны.

Сопротивление сухой тарелки:



где - средняя плотность пара в нижней части колонны.

Средняя мольная масса жидкости в нижней части колонны:

Средняя мольная масса питания:

Объемный расход жидкости в нижней части колонны:

Подпор жидкости:

где Q'ж - объемный расход жидкости в верхней части колонны, м3/ч.

Определяем сопротивление орошаемой тарелки:

2597+710=3307Па.

Суммарное сопротивление всех тарелок:

Проверка работоспособности тарелок

Она проводится по величине межтарельчатого уноса жидкости или по пропускной способности переливного устройства.

Тарелка работает устойчиво при:

,

y < b,

где - высота слоя вспененной жидкости в переливном кармане, м. у- вылет ниспадающей струи, м. b - максимальная величина переливного кармана, м.

,

h' -высота слоя не вспененной жидкости в сливном устройстве, м. - относительная плотность вспененной жидкости, равна 0,55-0,65для слабо- и средневспенивающихся жидкостей, примем

Высота слоя светлой жидкости:

где ?Р'' - среднее сопротивление тарелки, Па



? - градиент уровня жидкости на тарелке, м. Для клапанных тарелок можно принять ?=0,005-0,010 м., принимаем ?=0,01 м.

Сопротивление движению жидкости в перетоке:

- скорость жидкости в минимальном сечении переливного кармана.

=0,80-0,90 для средне- и слабопенящихся жидкостей, принимаем 0,80. -скорость всплывания пузырей грибообразной формы

- средний коэффициент поверхностного натяжения жидкости при средней температуре в колонне, Н/м.

Средняя температура в колоне 69єС.

Среднее содержание НК в жидкости:

,

Для ВК



м/с.

0,44=H'П <H + hП =0,4+0,05=0,45;

Вылет струи:

0,0035=у < b =0,15.

Рабочая скорость пар в отверстии тарелки не должна быть меньше минимальной скорости пара в отверстии тарелки, обеспечивающий беспровальную работу клапанной тарелки:

, 2,28=< =16,85 м/с.

Тарелка работает устойчиво.

Тепловой расчет установки.

Расход тепла, отдаваемого парами воде при конденсации в дефлегматоре:

где rD - теплота конденсации паров, Дж/кг.

rнк =2,56•105 Дж/кг, rвк = 2,00•105 Дж/кг, при температуре верха колонны tВ =60,5C.

Расход тепла, получаемого кубовой жидкостью от греющего пара в кипятильнике:

где:

при tF;

при tВ;

при tН.

при t= 67 0С, СНК= 0,24•103 Дж/(кг К); СВК=0,22•103 Дж/(кг К).

при t= 60,5 0 С, СНК=0,22•103 Дж/(кг К); СВК=0,21•103 Дж/(кг К).

при t= 75 0С, СНК=0,25•103 Дж/(кг К); СВК=0,22•103 Дж/(кг К).

Расход тепла в паровом подогревателе питания:

где СF принята при средней температуре (tF+18)/2=(67+18)/2=42,50 C

при t'F= 42,50 0С, СНК= 0,24 •103Дж/(кг К); СВК= 0,20 •103Дж/(кг К).

Дж/(кг К)

Расход тепла, отдаваемого дистиллятом воде в холодильнике:

где СD принята при средней температуре (t'В+25)/2=(60,5+25)/2=42,75 0C

при t'В= 42,75 0С, СНК=0,23 •103 Дж/(кг К); СВК=0,21 •103 Дж/(кг К).

Дж/(кг К)

Расход тепла, принимаемого водой от кубового остатка:

где СW принята при средней температуре (t'В+25)/2= (75+25)/2=500C

при t'Н= 50 0С, СНК= 0,23 •103 Дж/(кг К); СВК= 0,23 •103 Дж/(кг К).

Дж/(кг К)

Расход греющего пара с давлением Рабс= 4 ат. и степенью сухости х=95%,

удельная массовая теплота конденсации греющего пара rГ= кДж/кг:

а) В кипятильнике:

б) В подогревателе питания:

Всего пара: 0,7 +0,02 =0,72 кг/с=2,65 т/ч.

Расход охлаждающей воды при нагреве её на 200С:

а) в дефлегматоре:

Св - теплоёмкость воды при 200С, Св=Дж/(кг К).

б) в холодильнике дистиллята:



в) в холодильнике кубового остатка:

Всего воды: 16,71 +0,12 +0,20 =17,03 кг/с= 61 т/ч.

4. Подбор стандартных изделий

Подбор фланцевого соединения.

В химических аппаратах для разъемного соединения стальных корпусов и отдельных частей применяются фланцевые соединения преимущественно круглой формы. На фланцах присоединяются к аппаратам трубы, арматуры и т.д. Фланцевые соединения должны быть прочными, жесткими, герметичными, доступными для сборки, разборки и ремонта. Фланцевые соединения стандартизованы для труб и трубной арматуры и отдельно для аппаратов.

Конструкция стандартных стальных плоских приварных фланцев для труб и трубной арматуры .

Конструкция стандартных стальных плоских приварных фланцев аппаратов с гладкой уплотнительной поверхностью.

Фланцы для труб и трубной арматуры стальные плоские приварные с соединительным выступом.

Табл. 2. Размеры фланцев

D,мм	Dф,мм	DБ,мм	D1,мм	D4,мм	h, мм	h0, мм	d,мм	dБ,мм	z, мм
50	140	110	90	59	13	3	14	М12	4
80	185	150	128	91	15	3	18	М16	4
250	370	335	312	273	20	3	18	М16	12
125	235	200	178	135	17	3	18	М16	8
50	140	110	90	59	13	3	14	М12	4
150	260	225	202	161	17	3	18	М16	8
20	90	65	50	26	12	3	12	М10	4
125	235	200	178	135	17	3	18	М16	8
125	235	200	178	135	17	3	18	М16	8
20	90	65	50	26	12	3	12	М10	4
20	90	65	50	26	12	3	12	М10	4

Подбор днища.

Днище является одним из основных элементов химических аппаратов. Цилиндрические цельносварные корпусы как горизонтальных, так и вертикальных аппаратов с обеих сторон ограничиваются днищами. Формы днищ бывают эллиптические, полушаровые, в виде сферического сегмента, конические и цилиндрические. Наиболее распространенной формой является эллиптическая. Они изготавливаются горячей штамповкой из плоских круглых заготовок, состоящих из одной или нескольких частей, сваренных между собой.

Подбор опоры.

Установка химических аппаратов на фундамент или специальные несущие конструкции осуществляется с помощью опор, тип которых выбирают в зависимости от конструкций аппарата, нагрузки и способы его установки. При установке колонных аппаратов применяют цилиндрические опоры.

Подбор диаметров штуцеров.

Присоединение трубной арматуры к аппарату, а так же технологических трубопроводов для подвода и отвода различных жидкостей и газов производиться с помощью фланцев, штуцеров.

Диаметры штуцеров находим по объёмному расходу Q жидкости и пара по их рекомендуемой скорости w.



Флегма, кубовая жидкость и кубовый остаток текут самотёком (w=0,1-0,5), питание подаётся в колонну насосом (вынужденное движение; w= 0,5-2,5 м/с). Для паров w=20-40 м/с.

Диаметр штуцера пара для ввода в колонну питания.

При температуре питания хF находим плотность компонентов:

а) при tF= 670С плотность жидкого НК сНК= 1400 кг/м3.

б) при tF=67 0С плотность жидкого ВК сВК=1500 кг/м3.

Плотность жидкости в питании:

Объемный расход питания:

Определяем диаметр штуцера, примем w= 1,5 м/с.

Выбираем стандартный диаметр d=50 мм.

2. Диаметр штуцера для подачи флегмы.

Массовый расход флегмы:

Находим плотность НК при температуре 60,5С.

сНК= 1410,20 кг/м3.

Объемный расход флегмы:

Определяем диаметр штуцера, примем w= 0,5 м/с.

Выбираем стандартный диаметр d= 80 мм.

3. Диаметр штуцера для вывода паров из колонны.

Массовый расход паров:

Плотность паров:

Объемный расход паров:

Определяем диаметр штуцера, примем w= 30 м/с.



Выбираем стандартный диаметр d=250 мм.

Диаметр штуцера для вывода кубовой жидкости из колонны.

В первом приближении мольные расходы пара и жидкости не изменяются по высоте колонны (кроме тарелки питания, т.к. на неё поступает исходная смесь), поскольку при конденсации одного моля ВК из пара испаряется один моль НК из жидкости.

Если мольные массы НК и ВК близки, то по высоте колонны не изменяются и массовые расходы. В противном случае массовый расход жидкости на тарелке питания может сильно отличается от расхода кубовой жидкости.

Средняя мольная масса питания:

Мольный расход питания:

Мольный расход флегмы:

Мольный расход кубовой жидкости:

при tН =75С находим плотность ВК:

Плотность жидкого ВК сВК= 1482,50 кг/м3.

Объемный расход кубовой жидкости:

Массовый расход кубовой жидкости:

Определяем диаметр штуцера, примем w= 0,5 м/с.

Выбираем стандартный диаметр d= 125 мм.

Диаметр штуцера для выхода кубового остатка.

При tН= 75С находим плотность ВК.

Плотность жидкого ВК сВК= 1482,50 кг/м3.

Объемный расход кубового остатка:

Определяем диаметр штуцера, примем w= 0,5 м/с.

Выбираем стандартный диаметр d= 50 мм.

Диаметр штуцера для ввода парожидкостной смеси в куб колонны.

Массовый расход парожидкостной смеси:

Абсолютное давление в кубе колонны:

Плотность паров:

где Р0 = 101300 Па - атмосферное давление.

Считаем, что в кипятильнике испаряется вся жидкая фаза.

Объемный расход парожидкостной смеси (в пределе):

Определяем диаметр штуцера, примем w= 30 м/с.

Выбираем стандартный диаметр d=150 мм.

Далее определяем диаметры штуцеров для теплоносителей (водяного пара и воды). Массовые расходы теплоносителей берем из теплового расчета.

Диаметр штуцера для подогревания питания.

Плотность пара берем при абсолютном давлении 4 ат , сП = 2,12 кг/м3.

Объемный расход пара:

Определяем диаметр штуцера, примем w= 30 м/с.

Выбираем стандартный диаметр d= 20 мм.

Диаметр штуцера для кипятильника.

Объемный расход пара:

Определяем диаметр штуцера, примем w= 30 м/с.

Выбираем стандартный диаметр d=125 мм.

Диаметр штуцера для дефлегматора.

Плотность воды принимаем сВ = 1000 кг/м3.

Объемный расход воды:



Определяем диаметр штуцера, примем w= 1,5 м/с.

Выбираем стандартный диаметр d=125 мм.

Диаметр штуцера для холодильника дистиллята.

Объемный расход воды:

Определяем диаметр штуцера, примем w= 1,5 м/с.

Выбираем стандартный диаметр d= 20 мм.

Диаметр штуцера для холодильника кубового остатка.

Объемный расход воды:

Определяем диаметр штуцера, примем w= 1,5 м/с.



Выбираем стандартный диаметр d=20 мм.

Табл. 3. Размеры штуцеров

Наименование	DY, мм	DТ,мм	SТ,мм	HТ,мм
штуцер для ввода в колонну питания	50	57	3	155
штуцер для подачи флегмы	80	89	4	155
штуцер для вывода паров из колонны	250	273	8	160
штуцер для вывода кубовой жидкости из колонны	125	133	6	155
штуцер для выхода кубового остатка	50	57	3	155
штуцер для ввода парожидкостной смеси в куб колонны	150	159	6	155
штуцер для подогревания питания	20	25	3	-
штуцер для кипятильника	125	133	6	155
штуцер для дефлегматора	125	133	6	155
штуцер для холодильника дистиллята	20	25	3	-
штуцер для холодильника кубового остатка	20	25	3	-

5. Общие сведения о компонентах смеси и техника безопасности процесса

Хлороформ.

Хлороформ, трихлорметан, CHCl3, бесцветная жидкость с резким запахом и сладким жгучим вкусом, t кип 61,15° С, плотность 1,488 г/см3 (20 °С). Практически нерастворим в воде, смешивается с большинством органических растворителей. На свету хлороформ медленно разлагается кислородом воздуха с образованием фосгена, хлора, хлористого водорода и муравьиной кислоты; для стабилизации к нему добавляют 1% этилового спирта.

Значительное количество хлороформа используется в промышленности для получения дифторхлорметана CF2CIH , а также в качестве растворителя. Хлороформ -- препарат из группы наркотических средств. Существует 2 вида: хлороформ, применяемый наружно для растираний, в гистологической технике как консервант и фиксатор тканей, иногда внутрь в каплях (например, при рвоте), и хлороформ для наркоза (специально очищенный), обладающий сильным наркотическим действием и относительно высокой токсичностью.

Наркотик, действующий токсически на обмен веществ и внутренние органы, в особенности на печень. Действие его сходно с ССl4, но слабее, что, возможно, связано с меньшей способностью к образованию свободных радикалов.

Порог восприятия запаха 0,0003 мг/л. Ясно ощутимый сладковатый запах при 0,02 мг/л. Наркотическая концентрация, вызывающая изменение скорости развития рефлекторного мышечного напряжения (при коленном рефлексе), 0,25--0,5 мг/л при 40-минутиом вдыхании (Люблина). Концентрации, близкие к тем, которые достигаются в венозной крови в условиях наркоза, вызываюг существенные изменения в культуре клеток печени. Даже однократный наркоз вызывает довольно глубокие изменения обмена веществ, желудочно-кишечные расстройства, иногда желтуху, расстройства сердечной деятельности (аритмия), преходящую олигурию, появление сахара в моче. Тяжелые острые отравления встречаются иногда в фармацевтической промышленности. Описан случай, когда пострадавший после нескольких дней работы еще смог уйти домой, где был найден в состоянии наркоза, за которым последовал 3-дневный сон; через 6 месяцев у пострадавшего еще не прошла одышка. В более легких случаях наблюдаются рвота, головокружение, слабость. Желудочные боли, возбужденное состояние. В крови -- анемия, лейкоцитоз.

Даже в относительно невысоких концентрациях хлороформа может вызвать профессиональное хроническое отравление с преимущественным поражением печени.

Хлороформ иногда вызывает экземы и дерматиты на коже.

При остром ингаляционном отравлении -- свежий воздух, покой. Длительное вдыхание увлажненного кислорода с использованием носовых катетеров (непрерывное в течение первых 2--4 ч; в последующем по 30-- 40 мнн с перерывами по 10--15 мин). Сердечные средства: камфара (20%), кофеин (10%). кордиамин (25%) по 1--2 мл подкожно; успокаивающие средства, крепкий сладкий чай. Внутривенно ввести 20--30 мл 40% раствора глюкозы с 5 мл 5% аскорбиновой кислоты, 10 мл 10% раствора хлористого кальция. При икоте, рвоте -- внутримышечно 1--2 мл 2,5% раствора аминазина с 2 мл 1% раствора новокаина. При угнетении дыхания -- вдыхание карбогена повторно по 5--10 мин, внутривенно 10--20 мл 0,5% раствора бемегрида, подкожно 1 мл 10% раствора коразола. При резком ослаблении (остановке) дыхания -- искусственное дыхание методом «рот в рот» с переходом на управляемое. В тяжелых случаях немедленная госпитализация в реанимационный центр.

При приеме яда внутрь -- тщательное промывание желудка через зонд, универсальный антидот (ТУМ), 100--200 мл вазелинового масла с последующей дачей солевого слабительного; очищение кишечника до чистых промывных вод (сифонная клизма); Кровопускание (150--300 мл) с последующим частичным кровозамещением. Для усиления диуреза введение в вену 50--100 мл 30% мочевины на 10% растворе глюкозы или 40 мг лазикса. При развитии коллаптоидного состояния-- внутривенно 0,5 мл 0,05% раствора строфантина в 10--20 мл 20% раствора глюкозы,или коргликон (0,5--1 мл 0,06% раствора в 20 мл 40% раствора глюкозы); по показаниям -- мезатон. В дальнейшем для восстановления кислотно-щелочного равновесия -- внутривенное капельное введение 300--500 мл 4% раствора бикарбоната натрия. Рекомендуются витамины В6 и С, липоевая кислота, унитиол (5% раствор внутримышечно по 5 мл 3--4 раза в день в первые сутки, 2--3 раза в день на вторые и третьи сутки).

Четыреххлористый углерод.

Четыреххлористый углерод. Применяется как растворитель; для экстрагирования жиров и алкалоидов: при производстве фреонов: в огнетушителях; для чистки и обезжиривания одежды в быту и производственных условиях.

Физические и химические свойства. Жидкость. Раств. воды в ССl4 1% (24°). Коэффициент растворения паров: в воде 1,04 (20°), 0,73 (30°); в человеческой крови 1,8-2,5. Коэффициент распределения кровь/воздух для человека 0,6, сыворотка/воздух 0,3. Не воспламеняется. При соприкосновении с пламенем или накаленными предметами разлагается, образуя фосген. Может содержать в виде примесей CS2, НС1, H2S, органические сульфиды. Технический четыреххлористый углерод не должен содержать свободного хлора; количество нелетучего остатка не более 0,05-0,0006%, CS2 не более 0,6%. Плотность не менее 1,59. Энергия связи С-С1 318 кДж/моль (76 ккал/моль).

Возможность отравления. Описано много профессиональных отравлений, среди них немало смертельных. Часто наблюдаются отравления на мелких предприятиях, при дегельминтизации животных, в быту при применении четыреххлористого углерода для чистки одежды и т. д. Многие отравления связаны с приемом четыреххлористого углерода внутрь. Возможны отравления при длительном контакте четыреххлористого углерода с кожей.

Общий характер действия. Наркотик с меньшей силой действия паров, чем хлороформ. При любом пути поступления вызывает тяжелые повреждения печени: центролобулярный некроз и жировую дегенерацию. Одновременно поражает и другие органы: почки (проксимальные отделы почечных канальцев), альвеолярны мембраны и сосуды легких. Поражения в почках и легких менее значительны, развиваются, как правило, вслед за поражением печени и как результат нарушения общего обмена, но в ряде случаев играют существенную роль в картине и исходе отравления. Наиболее ранним признаком токсического действия считают изменение уровня ряда ферментов крови. Выявлена большая способность печени к регенерации после отравления. Прием алкоголя во время вдыхания паров четыреххлористого углерода, охлаждение, повышенное содержание кислорода в воздухе усиливают токсическое действие. При гашении пламени огнетушителями и вообще при сильном нагревании отравления могут возникнуть от вдыхания продуктов термического разложения четыреххлористого углерода.

Согласно существующим взглядам на патогенез токсического действия четыреххлористого углерода, оно связано со свободнорадикальными метаболитами (типа ССl3), образующимися в результате гомолитического разрыва молекул CCl4. В результате усиления перекисного окисления липидных комплексов внутриклеточных мембран нарушаются активность ферментов, ряд функций клетки (синтез белков, обмен в-липопротеидов, метаболизм лекарств), возникает деструкция нуклеотидов и т.д. Предполагают, что основным местом образования свободнорадикальных метаболитов являются эндоплазматическая сеть и микросомы клетки.

Картина острого отравления: при вдыхании очень высоких концентраций (при неосторожном входе в цистерны и резервуары, при тушении пожаров огнетушителями с четыреххлористым углеродом в малых замкнутых помещениях и т. д.) возможны либо внезапная смерть, либо потеря сознания или наркоз. При более легком отравлении и преобладании действия на нервную систему характерны головная боль, головокружение, тошнота, рвота, спутанность или потеря сознания. Выздоровление наступает относительно быстро. Возбуждение носит иногда характер сильных приступов буйного состояния. Описаны отравления в виде энцефаломиелита, мозжечковой дегенерации, периферических невритов, невритов зрительного нерва, кровоизлияний и жировой эмболии мозга. Известен случай эпилептиформных судорог и потери сознания на 4-й день после отравления без значительных поражений печени и почек. На вскрытии (в случае быстрой смерти) - только кровоизлияния и отек мозга, эмфизема легких.

Если отравление развивается медленно, к явлениям поражения центральной нервной системы в течение 12-36 ч присоединяются сильная икота, рвота, часто длительная, понос, иногда кишечное кровотечение, желтушность, множественные кровоизлияния. Позднее - увеличение и болезненность печени, выраженная желтуха. Еще позже появляются симптомы тяжелого поражения почек. В иных случаях симптомы поражения почек предшествуют признакам заболевания печени. Наблюдения показали, что поражения печени резко выражены в первый период и тем сильнее, чем быстрее наступает смерть; при более поздней гибели в ткани печени имеются уже регенеративные процессы. Изменения же в почках при ранней гибели незначительны. При поражении почек уменьшается количество мочи; в моче - белок, кровь, цилиндры. В крови повышено содержание небелкового азота, но понижено содержание хлоридов, кальция, белков. В тяжелых случаях наступает олигурия или полная анурия (нарушаются и фильтрационная, и секреторная функции почек). Высокое кровяное давление, отеки, судорожные припадки, уремия. Может развиться отек легких, часто являющийся непосредственной причиной смерти (иногда отек объясняют введением избытка жидкости при лечении). В более благоприятных случаях после анурии - обильный диурез, постепенное исчезновение патологических элементов в моче, полное восстановление функции почек. Иногда, по-видимому при не очень высоких концентрациях четыреххлористого углерода единственным признаком отравления может быть уменьшение или прекращение выделения мочи.

Следствием острого отравления парами четыреххлористого углерода могут быть язва двенадцатиперстной кишки, некрозы поджелудочной железы анемия, лейкоцитоз, лимфопения. изменения в миокарде, острый психоз. Исходом отравления может быть желтая атрофия печени, а также ее цирроз.

При приеме четыреххлористого углерода внутрь картина отравления такая же, как и при вдыхании паров, хотя есть указания на преимущественное поражение в этих случаях печени.

Наиболее характерные патологоанатомические изменения: паренхиматозное и жировое перерождение печени, а также многочисленные некрозы в ней; острый токсический нефроз; нефрозонефрит (поражаются канальцы почек на всем их протяжении); отек мозга: воспаление и отек легких; миокардит.

Порог восприятия запаха 0,0115 мг/л, а концентрация, действующая на световую чувствительность глаза, 0,008 мг/л. При 15 мг/л через 10 мин головная боль, тошнота, рвота, учащение пульса; при 8 мг/л то же через 15 мин, а при 2 мг/л - через 30 мин. У рабочих при 8-часовом воздействии концентрации 1.2 мг/л наблюдались усталость и сонливость. При чистке пола четыреххлористым углеродом (концентрация в воздухе 1,6 мг/л) рабочий через 15 мин почувствовал головную боль, головокружение и вынужден был оставить работу. Описано массовое отравление при чистке змеевиков испарителя на корабле (концентрация в воздухе 190 мг/л). Пострадавшие, за исключением одного, выжили. Смертельным может быть воздействие концентрации 50 мг/л при вдыхании в течение 1 ч. Известно тяжелое отравление с поражением печени, почек и кишечным кровотечением при работе 2 смены подряд в обычных условиях промывания приборов.

При приеме внутрь 2-3 мл четыреххлористого углерода уже могут возникнуть отравления; 30 - 50 мл приводят к тяжелой и смертельной интоксикации. Описан случай массового отравления с 20 смертельными исходами при употреблении внутрь средства для мытья волос, содержавшего 1,4% четыреххлористого углерода (остальное - спирт). У пострадавших - бронхит, воспаление легких, кровавая рвота, понос, поражения печени и почек. Однако известен случай выздоровления после приема 220 мл четыреххлористого углерода при развившемся наркозе и тяжелой недостаточности почек. Для промывания желудка использовалось парафиновое (вазелиновое) масло.

Предельно допустимая концентрация 20 мг/м3.

Индивидуальная защита. Меры предупреждения. Фильтрующий промышленный противогаз марки А. При высоких концентрациях обязательны изолирующие шланговое противогазы с принудительной подачей воздуха. В случае опасности образования продуктов деструкции четыреххлористого углерода (тушение пожаров и пр.) изолирующие приборы. Устранение контакта с кожей, защитные перчатки, нарукавники, фартуки с покрытием, из полихлорвинила (текстовинита), поливинилового спирта и т.д.

Не применять четыреххлористый углерод в качестве растворителя и обезжиривающего средства. Тщательная герметизация аппаратуры, местная и общая вентиляция. Ограничение применения четыреххлористого углерода в быту. Маркировка с указанием на ядовитость четыреххлористого углерода, опасность вдыхания его паров, питья и длительного контакта с кожей.

Техника безопасности процесса.

Ректификационная колонна представляет собой сложный агрегат значительной высоты. Места соединения трубопроводов, штуцеров, фланцевых соединений, царг являются участками наиболее возможного образования не плотностей. Опасность обусловлена также присутствием больших количеств опасных и вредных смесей.

При эксплуатации ректификационной колонны очень опасно нарушение герметичности оборудования, что является следствием повышения давления внутри системы, коррозии механических повреждений, вибрации. Давление может повысится при перегрузке куба-испарителя в результате увеличения подачи разделяемой смеси или теплоносителя, недостаточной подачи воды в холодильник-конденсатор. К повышению давления приводит забивки отверстий тарелок, аппаратов, трубопроводов грязью и отложениями солей.

Для отчистки, ремонта и внутреннего осмотра колонны вскрывают. Перед вскрытием их нужно полностью освободить от жидких и парообразных продуктов, охладить, проверить, отключить от других аппаратов.

Большую опасность представляют остатки паров газов, жидких продуктов. Необходимо предусмотреть устройства, исключающие содержание в воздухе ядовитых газов, паров в концентрациях превышающих предельно допустимые.

После каждого осмотра производить испытания на герметичность, прочность под наливом.

Ректификационные колонны должны быть снабжены автоматическими регуляторами температуры, давления, уровня расхода. автоблокировочными устройствами, предохранительными клапанами и противовзрывными мембранами с отводными линиями в атмосферу или в факельную систему, а также оросительной системой и другими противопожарными средствами.

Перечень использованной литературы

ректификационный дистиллят концентрационный колонна

Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии М., Государственное научно-техническое издательство химической литературы, 1961, 830с.

Коган В.Е., Фридман В.М., Кафаров В.В. "Равновесие между жидкостью и паром." Справочник М - Л . Наука, 1966.

Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. "Примеры и задачи по курсу ПАХТ'. Л, Химия, 1987, 576с.

Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов. Справочник. Л., Машиностроение 1981, 382с.

Под ред. Судакова "Расчёт основных процессов и аппаратов нефтепереработки" справочник, М., Химия, 1979, 568с.

Александров И.А. "Ректификационные и абсорбционные аппараты'' М., Химия. 1978, 280с.

Александров И.А., "Массопередача при ректификации и абсорбции многокомпонентных смесей." Р, Химия, 1975, 320с.

Варгафтик Н.Б. "Справочник, по теплофизическим свойствам газов и жидкостей" М., Физматгиз., 1963. 708с.

В.Н. Соколов. "Машины и аппараты химических производств" Л,: Машиностроение, Ленинградское объединение, 1982, - 384с.

Справочник химика. Том I. Основные математические формулы. Основные свойства неорганических и органических соединений, - Л. М. 1964.

Вредные вещества в промышленности. Справочник для химиков, инженеров и врачей. Том 1. Органические вещества. Под редакцией засл. деят. науки проф. Лазарева и докт. мед. Наук Э.Н. Левиной. Л. Химия, 1976 г., с. 457.

Размещено на Allbest.ru

...