Технологическая схема установки и ее описание

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Технологическая схема установки и ее описание

2. Технологический расчет основного аппарата

2.1 Пересчет массовых долей

2.2 Расчет рабочего флегмового числа

2.3 Материальный баланс колонны

2.4 Расчет физико-химических параметров

2.5 Определение расходов параметров процесса колонны

2.6 Определение скорости пара в колонне и диаметр колонны

2.7 Гидравлический расчет

2.8 Определение тангенса угла наклона

2.9 Расчет эффективности и количества тарелок в колонне

2.10 Расчет высоты колонны

2.11 Расход греющего пара и охлаждающей воды

2.12 Расчет патрубков

Заключение

Список используемой литературы

флегмовый колона вода



Введение

Перегонка - это процесс однократного частичного испарения и конденсации. При этом образующийся пар (а следовательно и конденсат) оказывается обогащенным летучими, низкокипящими компонентами смеси. Оставшийся кубовый остаток, напротив, обогащен труднолетучими, высококипящими компонентами.

Ректификация - это процесс разделения жидких смесей, основанный на массообмене между паровой и жидкой фазами. При этом из пара в жидкость переходит один или несколько компонентов с меньшей относительной летучестью (высококипящие), а в обратном направлении - эквивалентное количество компонентов с большей относительной летучестью (низкокипящие).

Возможность осуществления этих процессов обусловлена тем, что состав пара, образующегося над жидкой смесью, отличается от состава жидкой смеси в условиях равновесного состава системы. Равновесные данные для конкретной смеси позволяют проанализировать возможность ее разделения, найти предельные концентрации и рассчитать движущую силу процесса.

Ректификацию широко применяют в промышленности, например, для получения ректификованного этилового спирта, с отделением сивушных масел и альдегидных фракций, для выделения бензинов, керосинов и других фракций из нефти, а также получения компонентов воздуха (кислорода, азота, инертных газов).

Процесс ректификации не применяется при разделении чувствительных к повышенным температурам веществ, при извлечении ценных продуктов или вредных примесей из сильно разбавленных растворов, разделении смесей близкокипящих компонентов.

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.

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.

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.

Колонны ситчатого типа (см. рис. 1.1.) состоят из вертикального цилиндрического корпуса 1 с горизонтальными тарелками 2, в которых просверливается значительное число мелких отверстий, равномерно распределенных по всей поверхности тарелки. Для слива жидкости и регулирования ее уровня на тарелке служат переливные трубки 3. Нижние концы трубок 3 погружены в стаканы 4 на лежащих ниже тарелках и образуют гидравлические затворы.

Пар проходит через отверстия тарелки (см. рис. 1.2) и распределяется в жидкости в виде мелких струек; лишь на некотором расстоянии от дна тарелки образуется слой пены и брызг - основная область массообмена и теплообмена на тарелке.

В определенном диапазоне нагрузок ситчатые тарелки обладают большим к.п.д., чем колпачковые. Однако допустимые нагрузки по жидкости и пару для ситчатых колонн относительно невелики. При слишком малой скорости пара (около 0,1 м/сек) происходит просачивание жидкости через отверстия тарелки и в связи с этим резкое падение к.п.д. тарелки.



Рис. 1.1 Схема устройства ситчатой колонны: 1 - корпус; 2 - ситчатая тарелка; 3 - переливная трубка; 4 - стакан

Давление и скорость пара, проходящего через отверстия сетки, должны быть достаточными для преодоления давления слоя жидкости на тарелке и должны препятствовать ее стекания через отверстия.

Проскок жидкости у ситчатых тарелок возрастает с увеличением диаметра тарелки и отклонением ее от строго горизонтального положения. Поэтому диаметр и число отверстий следует подбирать так, чтобы жидкость удерживалась на тарелках и не увлекалась механически паром. Обычно диаметр отверстий ситчатых тарелок принимают равным 0,8 - 3 мм.

Ситчатые колонны эффективно работают только при определенных скоростях ректификации, и регулирование режима их работы затруднительно. Кроме того, ситчатые тарелки требуют весьма тщательной горизонтальной установки, так как иначе пары будут проходить через часть поверхности сетки, не соприкасаясь с жидкостью.

Ситчатые тарелки уступают колпачковым по допустимому верхнему пределу нагрузки; при значительных нагрузках потеря напора в них больше, чем у колпачковых.

При внезапном прекращении подвода пара или значительном снижении его давления тарелки ситчатой колонны полностью опоражниваются от жидкости, и требуется заново запускать колонну для достижения заданного режима ректификации.

Очистка, промывка и ремонт ситчатых тарелок производятся относительно удобно и легко.

Чувствительность к колебаниям нагрузки, а также загрязнениям и осадкам, которые образуются при перегонке кристаллизующихся веществ и быстро забивают отверстия тарелки, ограничивают область использования ситчатых колонн; их применяют, главным образом, при ректификации спирта и жидкого воздуха (кислородные установки).

Рис. 1.2 Схема работы ситчатой тарелки

Для повышения к.п.д. в ситчатых тарелках (как и в колпачковых) создают более длительный контакт между жидкостью и паром.



1. Технологическая схема установки и ее описание

Исходную смесь из промежуточной емкости - 1 центробежным насосом 2 подают в теплообменник 3, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси хF ,(рис. 1.3.).

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 хW , т. е. обеднен легколетучим компонентом. 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 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.



Рис. 1.3 Принципиальная схема ректификационной установки: 1 - ёмкость для исходной смеси; 2, 9 - насосы; 3 - теплообменник-подогреватель; 4 - кипятильник; 5 - ректификационная колонна; 6 - дефлегматор; 7- холодильник дистиллята; 8- ёмкость для сбора дистиллята; 10- холодильник кубовой жидкости; 11 - ёмкость для кубовой жидкости

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 кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).



2. Технологический расчет основного аппарата

2.1 Пересчет массовых долей

Пересчет массовых долей в мольный:

где и - молярные массы низкокипящего и высококипящего компонентов, соответственно, кг/моль.

Бензол : - НК;

Толуол : - ВК.

Подставляем значения в формулу 1, рассчитывая значения мольных долей для исходной смеси , для дистиллята и для кубового остатка .При том что заданы концентрации исходной смеси , дистиллята , кубового остатка .



2.2 Расчет рабочего флегмового числа

Для расчета процесса ректификации необходимо построить зависимость равновесных концентраций пар и жидкость для смеси бензол - толуол в координатах и график 1 и 2. Используем расчет числа теоретических ступеней по методу Мак-Кэба и Тиле.

Таблица 1 Равновесные составы жидкости и пара в мол. % и температуры кипения в °С бинарной смеси бензол - толуол при 760 мм. рт. ст. [1, прил. 62]

x	0	5	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
y	0	11,5	21,4	38	51,1	61,9	71,2	79	85,4	91	95,9	100
t	110,6	108,3	106,1	102,2	98,6	95,2	92,1	89,4	86,8	84,4	82,3	80,2



График 1 Равновесные составы жидкости и пара смеси бензол -толуол в координатах t - x,y



График 2 Равновесные составы жидкости и пара и температуры кипения смеси бензол -толуол в координатах t - x,y

Для расчета числа теоретических ступеней, необходимых для заданного разделения, нужно нанести рабочие линии для верхней и нижней частей колонны. При этом делается допущение об отсутствии укрепляющего действия испарителя и дефлегматора, т.е. принимается, что и . Это позволяет нанести на диаграмму точки отвечающие составам дистиллята и кубового остатка.

Другим важным допущением является допущение о постоянстве мольных растворов пара и жидкости по высоте колонны. Это позволяет представить уравнения материального баланса в форме прямых рабочих линий для верхней и нижней части колонны.

Определяем минимальное флегмовое число:



где - концентрация легколетучего компонента в паре, находящегося в равновесии с исходной смесью (график 1).

При разделении исходной смеси состава на дистиллят состава и кубовый остаток с концентрацией флегмовое число можно изменять в пределах от до бесконечности. Минимальному флегмовому числу, будет отвечать бесконечно большое число студеней.

Рабочие линии строятся для каждого отрезка:

Рабочее флегмовое число должно быть больше минимального, оно определяется:

где -коэффициент избытка флегмы (

Число теоретических ступеней определяют путем вписывания ломаной лини между рабочими и равновесной в интервале концентрации от до . При построении рабочей и равновесной линий число теоретических тарелок равно 10: в верхней части 3 - тарелок, в нижней - 7.



2.3 Материальный баланс колонны

В простой колонне имеется вход сырья F и отбираются два продукта - дистиллят D и кубовый остаток W. Уравнение материального баланса:

где F, D, W - расход исходной смеси, дистиллята, кубового остатка, кг/с; -концентрация низкокипящего компонента в исходной смеси, кубовом остатке и дистилляте. Материальный баланс позволяет определить количество дистиллята D и кубового остатка W. Найдем молярную массу исходной смеси:

где -молярная масса бензола

- молярная масса толуола

Найдем плотность исходной смеси:

где -плотность бензола при температуре 40

- плотность толуола при температуре 40



Подставим значения в уравнение 5:

выражая из второго уравнения D, получаем уравнение с одним неизвестным.

подставляет в первое уравнение:

Расход дистиллята:

2.4 Расчет физико-химических параметров процесса колонны

Средние концентрации жидкости:

Средние концентрации пара:

из графика 1.

По диаграмме t-x,y при средних концентрациях пара и жидкости определяются средние температуры пара, :

Средние мольные массы жидкости найдем из формулы:

Средние мольные массы пара найдем из формулы:

Найдем средние плотности жидкости по формуле:



где - плотность НК (бензола) и плотность ВК (толуола) при температурах:

Средние плотности пара:

где - абсолютная температура, равная 273 К.

Средние вязкости жидкости:

где и - вязкости НК и ВК жидкости при , (приложение 3).

;

Средние вязкости пара:

где и - вязкости НК и ВК пара при , (приложение 4).

Средние поверхностные натяжения:

где и - вязкости НК и ВК при , (приложение 4).

Таблица 2 Физико-химические свойства пара и жидкости.

Сечение колонны	Свойства
верхняя часть колонны
нижняя часть колонны	2,82

2.5 Определение массовых и объемных расходов

Допуская постоянство мольных расходов пара и жидкости в колонне, будем иметь расход пара:

Объемный расход пара по колонне при нормальных условиях:



Действительный расход пара по колонне:

Средние массовые расходы жидкости определяются из соотношений:

Объемный расход жидкости по колонне:



2.6 Определение скорости пара в колонне и диаметр колонны

Оценочная скорость пара колонне и диаметр колонны:

Оценочная скорость пара в колонне и диаметр колонны:

Принимаем диаметр колонны 1,2 м (приложение 69).

Действительная скорость пара в колонне при выбранном диаметре:

По таблице 69 периметр слива для ситчатой тарелки , относительное сечение перелива . Относительная активная площадь тарелки:

Коэффициент, учитывающий поверхностное натяжение жидкости:

Рассчитаем вспомогательные комплексы

Принимаем минимальное расстояние между тарелками по таблице 69 определяем комплекс

Допустимая скорость в рабочем сечение колонны:

верх колонны:

низ колонны:

Проверяем условия

низ колонны:

верх колонны:

Условия выполняются для нижней и верхней частей колонны.

Для ректификационной колонны выбираем ситчатую тарелку типа ТС (таблица 65):

2.7 Гидравлический расчет

Удельная нагрузка на сливочную перегонку:

верх: низ:

Фактор паровой нагрузки:

Подпор жидкости над сливным отверстием:

Глубина барботажа 0,05 м (приложение 69). Высота парожидкостного слоя (пены):

Высота сливного порога:

Градиентом уровня на тарелке для ситчатых тарелок пренебрегаем.

Минимально допустимая скорость пара в свободном сечении колонны:

где - коэффициент, зависящий от глубины барботажа, 16,1 м (приложение 69); диаметр отверстия

Относительное свободное сечение тарелки с учетом возможного уменьшения нагрузки:

По таблице 65 выбираем ближайшее свободное сечение

Определим фактор аэрации:

Коэффициент гидравлического сопротивления для ситчатых тарелок:

Где t - шаг между отверстиями, 0,017 м.

Гидравлическое сопротивление тарелки:

Высота сепарационного пространства:



где - коэффициент вспениваемости смеси равный 0,9.

Межтарелочный унос жидкости:

Скорость жидкости в переливном устройстве:

Допустимая скорость жидкости в переливном устройстве:

Условия выполнено.



2.8 Определение тангенса наклона

Из графика X-Y (график 1) определяем тангенс угла наклона равновесной линии и количество тарелок в колонне:

Таблица 3 Определение тангенса угла наклона равновесной линии

	10,3	15,7	11,2	8,2	7,3	6,5	6,5	6,8	6,9	6,8
	5	10	10	10	10	10	10	10	10	10
	2,06	1,57	1,12	0,82	0,73	0,65	0,65	0,68	0,69	0,68

2.9 Расчет эффективности и количества тарелок в колонне

Определение числа единиц переноса в паре и жидкости:

Где и - коэффициенты диффузии,

Коэффициент диффузии в бинарных газовых смесях:

где T - средняя температура пара в соответствующей части колонны, К;

- абсолютное давление в колонне, атм;

- молекулярные массы компонентов;

- мольные объемы компонентов смеси, определяемые как сумма атомных объемов элементов, входящих в состав вещества, ;

бензол

толуол

Коэффициент диффузии для жидкой фазы:

где - динамически коэффициент вязкости жидкости, ,

Ф - безмерный параметр, для неассоциированных растворителей 1,0.

Общее число единиц переноса:

где - фактор отклонения:

Локальная эффективность контакта:

Коэффициент турбулентной диффузии:

Критерий Фурье:

где - расстояние между перегородками, м:

Эффективность тарелки по Мерфи:



где - коэффициент, равный:

Число действительных тарелок:

где - число тарелок по графику X-Y.

Общее количество тарелок в колонне:

2.10 Расчет высоты колонны

Высота рабочей части колонны:

Высота колонны определяется по формуле:

где - высота соответственно сепарационной части колонны, расстояние между днищем колонны и тарелки.

2.11 Расход греющего пара и охлаждающей воды

Скрытая теплота конденсации пара дистиллята:

где скрытая теплота конденсации паров при

Теплоемкость компонентов:

где , - теплоемкость компонентов смеси при заданной температуре, (приложение 10).

Теплоемкость исходной смеси при



Теплоемкость дистиллята при

Теплоемкость кубового остатка при :

Расход греющего пара можно определить, приравняв статьи прихода и расхода тепла:

где - компенсация тепловых потерь в размере 2% от полезно затраченного тепла.

Греющий пар давлением 3 ата имеет температуру и обладает скрытой теплотой

2.12 Расчет патрубков

Внутренний диаметр патрубка определяется из уравнений расхода:

где G - массовый расход перекачиваемой среды, кг/с;

Внутренний диаметр штуцера на входе пара:

Стандартный диаметр штуцера

Стандартный диаметр штуцера

Внутренний диаметр штуцера на входе исходной смеси в колонну:

где - плотности исходной смеси при температурах

Стандартный диаметр штуцера

Внутренний диаметр штуцера на входе флегмы в колонну:

Стандартный диаметр штуцера

Внутренний диаметр штуцера на выходе кубового остатка из колонны:

Стандартный диаметр штуцера

Внутренний диаметр штуцера на выходе жидкости из колонны:

Стандартный диаметр штуцера



Заключение

Таблица 4 Основные параметры ректификационной колонны

Наименование параметра	Значение
Производительность	11
Состав исходной смеси	бензол-толуол
Концентрация исходной смеси	0,42
Концентрация исходной смеси	0,045
Концентрация дистиллята	0,9
Производительность	2,14
Расход дистиллята	1,013
Расход кубового остатка	1,127
Флегмовое число	1,954
Диаметр колонны, мм	1200
Вид тарелок	ситчатые
Высота между тарелками, мм	450
Гидравлическое сопротивление верхней тарелки, Па	282,3
Гидравлическое сопротивление нижней тарелки, Па	282,9
Эффективность Мерфи верхней тарелки	0,446
Эффективность Мерфи нижней тарелки	0,393
Количество тарелок в колонне, шт.	25
Высота рабочей части колонны, м	11
Высота ректификационной колонны, м	14
Расход греющего пара, кг/с	0,007
Диаметр штуцера на входе пара в колонну, мм	250
Диаметр штуцера на выходе пара из колонны, мм	250
Диаметр штуцера на входе исходной смеси, мм	80
Диаметр штуцера на входе флегмы, мм	80
Диаметр штуцера на выходе кубового остатка, мм	80
Диаметр штуцера на выходе жидкости из куба, мм	50



Список литературы

1. Процессы и аппараты химической технологии. Учебное пособие/ Ульянов Б.А., Бадеников А.В., Щелкунов Б.И., Ликучев В.Г. - Ангарск: изд-во АГТА, 2003 г. - 611 с.

2. Б.А. Ульянов, Б.И. Щелкунов. Процессы и аппараты химической технологии. Гидравлика контактных тарелок: Учебное пособие. - Иркутск: изд-во Иркутского университета, 1996 г. - 160 с.

3. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и дополн. - М.: Химия, 1991. - 491 с.

Размещено на Allbest.ru

...