Технологические схемы процесса ректификации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Ректификация известна с начала девятнадцатого века, как один из важнейших технологических процессов главным образом спиртовой и нефтяной промышленности. В настоящее время ректификацию всё шире применяют в самых различных областях химической технологии, где выделение компонентов в чистом виде имеет весьма важное значение: при получении окиси этилена, акрилонитрила, капролактама. Также ректификация широко используется и в других отраслях народного хозяйства: цветной металлургии, коксохимической и лесохимической промышленностях.

Так, одним из способов получения бензола является ректификация. Бензол (C₆H₆) - ароматический углеводород - входит в состав бензина, широко применяется в промышленности, является исходным сырьём для производства лекарств, различных пластмасс, синтетической резины, красителей. В физическом весе пластмасс около 30 %, в каучуках и резинах - 66 %, в синтетических волокнах - до 80 % приходится на ароматические углеводороды, родоначальником которых является бензол. Бензол входит в состав сырой нефти, но в промышленных масштабах по большей части синтезируется из других её компонентов. Ректификационные колонны обеспечивают получение бензола и толуола чистотой 99,9 %, содержание толуола в смеси ксилолов не превышает 1,5 %. Применяют при получение отдельных фракций и индивидуальных углеводородов из нефтяного сырья в нефтеперерабатывающей и нефтехимической, а также в химико-фармацевтической промышленностях.

Целью данной работы является определение основных характеристик процесса тарельчатой ректификационной колонны непрерывного действия для разделения бинарной смеси бензол-толуол.

1. Общие сведения о процессе ректификации

Ректификация представляет собой процесс многократного частичного испарения жидкости и конденсации паров. 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 или низкокипящий компонент, которым обогащаются пары, а из паров конденсируется преимущественно труднолетучий или высококипящий компонент, переходящий в жидкость. Такой двухсторонний обмен компонентами, повторяемый многократно, позволяет получить, в конечном счете, пары, представляющие собой почти чистый низкокипящий компонент. Эти пары после конденсации в отдельном аппарате образуют 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 высококипящим компонентом. 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 (см. рис. 1.1).

Рис. 1.1. Диаграмма t-x,у

Нагрев исходную смесь состава х ₁ до температуры кипения получим находящийся в равновесии с жидкостью пар (точка b). Отбор и конденсация этого пара дают жидкость состава x_2, обогащенную низкокипящим компонентом (х ₂ > х ₁). Нагрев эту жидкость до температуры кипения t_2, получим пар (точка d), конденсация которого дает жидкость с еще большим содержанием низкокипящего компонента, имеющую состав х_а, и т. д. Проводя, таким образом, последовательно ряд процессов испарения жидкости и конденсации паров, можно получить в итоге жидкость (дистиллят), представляющую собой практически чистый низкокипящий компонент.

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 высококипящего компонента.

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.

Процесс ректификации осуществляется путем многократного контакта между неравновесными жидкой и паровой фазами, движущимися относительно друг друга.

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 низкокипящим компонентом, а жидкость - высококипящим компонентом. 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.

Рассмотрим смесь, состоящую из двух компонентов А и В. Характер поведения жидкой смеси зависит главным образом от природы составляющих ее веществ и давления.

Для идеальных растворов характерно то, что сила взаимодействия между всеми молекулами (одноименными и разноименными) равна. При этом общая сила, с которой молекула удерживается в смеси, не зависит от состава смеси. Очевидно, что парциальное давление в этом случае должно зависеть лишь от числа молекул, достигающих в единицу времени поверхности жидкости со скоростью, необходимой для преодоления сил внутреннего притяжения молекул, т. е. при данной температуре давление соответствующего компонента возрастает пропорционально его содержанию в жидкой смеси (закон Рауля):

р_А = Р_Ах_А, (1.1)

р_В= Р_В(1-х_А) (1.2)

По степени растворимости компонентов смеси жидкости подразделяют на взаиморастворимые в любых соотношениях, частично растворимые и практически взаимонерастворимые. В свою очередь смеси со взаиморастворимыми компонентами в любых соотношениях делятся на:

идеальные растворы, которые подчиняются закону Рауля;

нормальные растворы - жидкие смеси, частично отклоняющиеся от закона Рауля, но не образующие смесей: с постоянной температурой кипения (азеотропов);

неидеальные растворы - жидкости со значительными отклонениями от закона Рауля, в том числе смеси с постоянной температурой кипения (азеотропы).

Смесь двух жидкостей, взаиморастворимых в любых соотношениях, представляет собой систему, состоящую из двух фаз и двух компонентов, и по правилу фаз имеет две степени свободы:

С=К-Ф+2=2-2+2=2 (1.3)

Для технических расчетов наиболее важной является диаграмма t-х, у, так как обычно процессы перегонки в промышленных аппаратах протекают при Р=const, т. е. в изобарных условиях. На этой диаграмме (см. рис. 1.2) по оси абсцисс отложены концентрации жидкой х и паровой у фаз, отвечающие различным температурам.

По закону Дальтона р_А= Рy^*_A, и тогда:

y^*_A= p_A/P=(P_A/P)x_A, (1.4),

Р=p_A+p_B=P_Ax_A+P_B(1-x_B)=P_B+(P_A-P_B)x_A (1.5)

x_A=(P-P_B)/(P_A-P_B) (1.6)

Рис. 1.2. Диаграмма t-х, у

По уравнению (1.6) по известным Р_А и Р_B при заданной температуре t₁, t₂ и т.д. находят х_A, х_Bи т.д., а затем по уравнению (1.4) - соответствующие значения у*_A1, у*_{А 2} и т.д. и по найденным точкам строят линии кипения жидкости (кривая t_A A₂ A₁ t_B) и конденсации паров (кривая t_A B₂ B_lt_B). Уравнение (1.6) устанавливает связь между концентрациями (по жидкости) и заданными давлениями (общим Р и насыщенных паров Р_А и Р_B). Отрезки А₁В₁, А₂В₂ и т.д., соединяющие точки равновесных составов жидкой и паровой фаз, являются изотермами.

Точки, лежащие на кривой t_A A₂ A₁t_B,, отвечают жидкой фазе, находящейся при температуре кипения. Очевидно, что любая точка, лежащая ниже этой кривой, характеризует систему, состоящую только из жидкой фазы. Аналогично, любая точка, лежащая выше кривой t_AB₂В ₁ t_B, характеризует систему, температура которой выше температуры начала конденсации пара, т. е. пары в этой точке являются перегретыми, и система состоит только из паровой фазы. Точки, находящиеся между кривыми кипения и конденсации (например, точка С на рис. 1.2), характеризуют системы, температуры которых выше температуры кипения жидкости данного состава и ниже температуры конденсации паров этого же состава. Таким образом, эти точки отвечают равновесным парожидкостным системам.

Для идеальных бинарных систем получено уравнение (1.7), которое описывает линию равновесия:

у*_А=ах_А/ [1+х_А(а-1)], где (1.7)

а=Р_А/Р_В

- относительная летучесть компонента А (иногда а называют коэффициентом разделения).

Для смеси, состоящей из n компонентов, например, А,В,С,D, на основе законов Рауля и Дальтона имеем:

y_A=(Р_A/Р)х_A; y_B=(Р_B/Р)х_B; y_C=(Р_C/Р)х_C; y_D=(Р_D/Р)х_D (1.8)

Поскольку:

P=P_Ax_A+P_Bx_B+P_Cx_C+P_Dx_D+…= (1.9)

то для любого j-го компонента:

y_j=P_jX_j/ (1.10)

Разделив числитель и знаменатель правой части уравнения (1.10) на величину Р_А:

y_j=а_jX_j/, где (1.11)

а_A=Р_А/Р_В; а_в=Р_В/Р_А; а_C=Р_С/Р_А и т.д.

Зависимость давления насыщенного пара от температуры хорошо описывается эмпирическим уравнением Антуана:

lnР_А=А-В/(Т+C), где (1.12)

А - постоянная, не зависящая от температуры;

В и С - константы, определяемые по справочникам;

T - абсолютная температура.

Уравнение (1.12) описывает температурную зависимость давлений паров в интервале температур до нескольких десятков градусов и при давлениях, не слишком близких к критическим.

Реальные жидкие смеси могут значительно отклоняться от закона Рауля. Если зависимость полного давления (или сумма парциальных давлений) паров от состава жидкой смеси проходит выше линий, характеризующих те же зависимости для идеальных смесей (см. рис. 1.3), то такое отклонение называют положительным, если ниже - отрицательным отклонением от закона Рауля. Эти отклонения определяются изменением активности молекул в растворе, диссоциацией, гидратацией и др. Степень отклонения реальной системы от закона Рауля выражают величиной коэффициента активности:

p_A=P_Ax_A (1.13)

Рис. 1.3. Диаграмма P-x для смеси с положительным отклонением от закона Рауля (пунктиром показаны соответствующие линии для идеального раствора)

Для смесей с положительным отклонением от закона РауляРазмещено на http://www.allbest.ru/

>1; для смесей с отрицательным отклонением - Размещено на http://www.allbest.ru/

<1.Определение значений Размещено на http://www.allbest.ru/

часто затруднительно, поэтому диаграммы P-х обычно строят по экспериментальным (справочным) данным.

2. Основные технологические схемы для проведения разрабатываемого процесса

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).

2.1 Периодическая ректификация

Периодически действующие ректификационные установки применяют для разделения жидких смесей в тех случаях, когда использование непрерывнодействующих установок нецелесообразно.

Рис. 1.4. Схема установки для проведения периодической ректификации: 1 - куб; 2 - колонна; 3 - дефлегматор; 4 - делитель потоков; 5 - холодильник; 6 - сборники

Один из возможных вариантов установки показан на рис. 1.4.

Исходную смесь периодически загружают в куб - кипятильник 1, где доводят до кипения. Образующиеся пары поднимаются по колонне 2, в которой происходит противоточное взаимодействие этих паров с жидкостью (флегмой), поступающей из дефлегматора 3. Часть конденсата после делителя потока возвращается в колонну в виде флегмы, другая часть - дистиллят Р - через холодильник 5 собирается в сборниках 6,7 в виде отдельных фракций. Процесс ректификации заканчивают обычно после того, как будет достигнут за данный средний состав дистиллята.

2.2 Непрерывная ректификация

Рассмотрим, как реализуются указанные выше условия в ректификационных колоннах непрерывного действия (см. рис. 1.5), которые наиболее широко применяются в промышленности.

Рис. 1.5. Схема непрерывно действующей ректификационной установки: 1 - ректификационная колонна (а - укрепляющая часть, б - исчерпывающая часть); 2 - кипятильник; 3 - дефлегматор; 4 - делитель флегмы; 5 - подогреватель исходной смеси; 6 - холодильник дистиллята (или холодильник-конденсатор); 7 - холодильник остатка (или нижнего продукта); 8,9 - сборники; 10 - насосы

Ректификационная колонна 1 имеет цилиндрический корпус, внутри которого установлены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Снизу-вверх по колонне движутся пары, поступающие в нижнюю часть аппарата из кипятильника 2, 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 х ₁ (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 низкокипящий компонент. Поэтому на следующую (вторую) тарелку поступает пар с содержанием низкокипящего компонента у₁>х₁. ректификация испарение конденсация технология

Испарение жидкости на тарелке происходит за счет тепла конденсации пара. Из пара конденсируется и переходит в жидкость преимущественно высококипящий 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 низкокипящего компонента необходимо сконденсировать 1 моль высококипящего компонента, т.е. фазы на тарелке обмениваются эквимолекулярными количествами компонентов.

На второй тарелке жидкость имеет состав x₂, содержит больше низкокипящего компонента, чем на первой (х₂>x₁), и соответственно кипит при более низкой температуре (t₂<t₁). Соприкасаясь с ней, пар состава у ₁ частично конденсируется, обогащается низкокипящим компонентом и удаляется на вышерасположенную тарелку, имея состав y₂>x₂, и т. д.

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

Пары конденсируются в дефлегматоре 3, охлаждаемом водой, и получаемая жидкость разделяется в делителе 4 на дистиллят и флегму, которая направляется на верхнюю тарелку колонны. Следовательно, с помощью - дефлегматора в колонне создается нисходящий поток жидкости.

Жидкость, поступающая на орошение колонны (флегма), представляет собой почти чистый низкокипящий компонент. Однако, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, жидкость все более обогащается высококипящим компонентом, конденсирующимся из пара. Когда жидкость достигает нижней тарелки, она становится практически чистым высококипящим компонентом и поступает в кипятильник, обогреваемый глухим паром, или другим теплоносителем.

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 нагревают в подогревателе 5 до температуры кипения жидкости на питающей тарелке. Питающая тарелка как бы делит колонну на две части, имеющие различное назначение. В верхней части 1а (от питающей до верхней тарелки) должно быть обеспечено, возможно, большее укрепление паров, т. е. обогащение их низкокипящим компонентом с тем, чтобы в дефлегматор направлялись пары, близкие по составу к чистому низкокипящему компоненту. Поэтому данная часть колонны называется укрепляющей. В нижней части 1б (от питающей до нижней тарелки) необходимо в максимальной степени удалить из жидкости низкокипящий компонент, т.е. исчерпать жидкость для того, чтобы в кипятильник стекала жидкость, близкая по составу к чистому высококипящему компоненту. Соответственно эта часть колонны называется исчерпывающей. В дефлегматоре 3 могут быть сконденсированы либо все пары, поступающие из колонны, либо только часть их соответствует количеству возвращаемой в колонну флегмы. В первом случае часть конденсата, остающаяся после отделения флегмы, представляет собой дистиллят (ректификат), или верхний продукт, который после охлаждения в холодильнике 6 направляется в сборник дистиллята 9. Во втором случае несконденсированные в дефлегматоре пары одновременно конденсируются и охлаждаются в холодильнике 6, который при таком варианте работы служит конденсатором-холодильником дистиллята. Жидкость, выходящая из низа колонны, также делится на две части. Одна часть направляется в кипятильник, а другая - остаток (нижний продукт) после охлаждения водой в холодильнике 7 направляется в сборник 8. Преимущества непрерывной ректификации по сравнению с периодической: условия работы установки не изменяются в ходе процесса, что позволяет установить точный режим, упрощает обслуживание и облегчает автоматизацию процесса; отсутствуют простои между операциями, что приводят к повышению производительности установки; расход тепла меньше, причем возможно использование тепла остатка на подогрев исходной смеси в теплообменнике.

Благодаря перечисленным преимуществам в производствах крупного масштаба применяют главным образом непрерывную ректификацию, периодические процессы ректификации находят применение лишь в небольших, неравномерно работающих производствах.

Размещено на Allbest.ru