Ректификация и ее применение

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Характеристика сырья и готовой продукции

2. Описание технологической схемы

3. Технологический расчёт

4. Гидравлический расчет тарелок

5. Описание основного аппарата

6. Охрана окружающей среды

Вывод

Литература



Введение

С развитием производственных технологий и мануфактур, а в особенности химической технологии XVII--XX веков появилась необходимость в комплексной инженерной науке, обобщающей закономерности технологических и производственных процессов, создающей методы расчётов аппаратов исходя из их принципов наиболее эффективного достижения целевого технологического эффекта. Процессы и аппараты - следует относить не просто к техническим наукам и дисциплинам, а к области высоких технологий и инноваций, интегрированным научным и инженерным знаниям. В развитых странах мира - подготовка специалистов в области процессного инжиниринга (химическая инженерия) - является основной. ректификация жидкий фаза

"Процессы и аппараты химической технологии" предусматривает изучение основных химико-технологические процессов, их физической сущности, теоретических основ, принципиальных схем осуществления этих процессов, конструкций типовых машин и аппаратов и методов их расчета, методов повышения производительности оборудования, способов интенсификации технологических процессов.

Ректификацией называется диффузионный процесс разделения жидких смесей взаимно растворимых компонентов, различающихся по температуре кипения, который осуществляют путем противоточного, многократного контактирования неравновесных паровой и жидкой фаз.

Применяется для получения продуктов с заданной концентрацией компонентов и высокими выходами, широко используется в нефтегазопереработке, химической, нефтехимической, пищевой и других отраслях промышленности.

Ректификацию широко применяют в промышленности, например, для получения этанола 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).



1. Характеристика сырья и готовой продукции

Толуол получен впервые П. Пеллетье в 1835 при перегонке сосновой смолы. В 1838 выделен А. Девилем из бальзама, привезенного из города Толу в Колумбии, в честь которого получил своё название.

Бесцветная подвижная летучая жидкость с характерным запахом, проявляет слабое наркотическое действие. Смешивается в неограниченных количествах с углеводородами, многими спиртами, простыми и сложными эфирами, плохо растворяется в воде.

Показатель преломления для D-линии натрия 1,4969 при 20 °C. Горюч, горит коптящим пламенем.

Для толуола характерны реакции электрофильного замещения в ароматическом кольце и замещения в метильной группе по радикальному механизму. Электрофильное замещение в ароматическом кольце идёт преимущественно в орто- и пара-положениях относительно метильной группы. Кроме реакций замещения, толуол вступает в реакции присоединения (гидрирование), озонолиза. Некоторые окислители (щелочной раствор перманганата калия, разбавленная азотная кислота) окисляют метильную группу до карбоксильной. Температура самовоспламенения 535 °C. Температура вспышки 4 °C.

Впервые бензолсодержащие смеси, образующиеся в результате перегонки каменноугольной смолы, описал немецкий химик Иоганн Глаубер в книге Furni novi philosophici, опубликованной в 1651 году.

Бензол как индивидуальное вещество был описан Майклом Фарадеем, выделившим это вещество в 1825 году из конденсата светильного газа, получаемого коксованием угля. Вскоре, в 1833 году, получил бензол - при сухой перегонке кальциевой соли бензойной кислоты - и немецкий физико-химик Эйльгард Мичерлих. Именно после этого получения вещество стали называть бензолом. К 1860-м годам было известно, что соотношение количества атомов углерода и атомов водорода в молекуле бензола аналогично таковому у ацетилена, и эмпирическая формула их - CnHn. Изучением бензола серьёзно занялся немецкий химик Фридрих Август Кекуле, которому в 1865 году и удалось предложить правильную - циклическую формулу этого соединения.

Бензомл (C6H6, PhH; редко употребляемые синонимы: бензйн, фениловый водород) (циклогекса-1,3,5-триен органическое химическое соединение, бесцветная жидкость со специфическим сладковатым запахом. Простейший ароматический углеводород. Широко применяется в промышленности, является исходным сырьём для производства лекарств, различных пластмасс, синтетической резины, красителей. Хотя бензол входит в состав сырой нефти, в промышленных масштабах он синтезируется из других её компонентов. Токсичен, канцерогенен.

Бесцветная жидкость со своеобразным резким запахом. Температура плавления = 5,5 °C, температура кипения = 80,1 °C, плотность = 0,879 г/смі, молярная масса = 78,11 г/моль. Подобно ненасыщенным углеводородам бензол горит сильно коптящим пламенем. С воздухом образует взрывоопасные смеси, хорошо смешивается с эфиром, бензином и другими органическими растворителями, с водой образует азеотропную смесь с температурой кипения 69,25 °C (91 % бензола). Растворимость в воде 1,79 г/л (при 25 °C).

Коксование каменного угля был первым и служил основным источником бензола до Второй мировой войны. В настоящее время доля бензола, получаемого этим способом, составляет менее 10 %. Следует добавить, что бензол, получаемый из каменноугольной смолы, содержит значительное количество тиофена, что делает такой бензол сырьем, непригодным для ряда технологичных процессов.

Процесс каталитического риформинга бензиновых фракций нефти является основным источником бензола. В данном процессе кроме бензола образуются толуол и ксилолы.



2. Описание технологической схемы

Исходная смесь из промежуточной емкости 13 центробежным насосом 12 подается в теплообменник 1, где подогревается до температуры кипения насыщенным водяным паром. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 2 на тарелку питания верхнюю тарелку исчерпывающей части колонны, где смешивается с флегмой из укрепляющей части колонны. Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром. Образующимся кипение кубовых жидкости в кипятильнике. В результате этого из жидкости удаляется легко летучий компонент. Пар обогащённый НК поднимается вверх по колонне и поступает в делительный стакан 4 где конденсат разделяется на два потока один флегма возвращается на орошение колонны, второй дистиллят поступает в холодильник дистиллятор 5 и далее в промежуточную емкость 7 из кубовой части колонны непрерывно отводится кубовый остаток продукт, обогащённый ВК, который охлаждается в теплообменнике 6 и направляется в ёмкость 9. Подогреватель исходной смеси и кипятильник обогреваются насыщенным водяным паром образовавшийся конденсат возвращаться на ТЭЦ. Охлаждающая вода нагревается в холодильниках и дефлегматоре и поступает для охлаждения на градирню. После охлаждения вода возвращается в цикл.

Схема автоматизирована. Основными регулируемыми параметрами являются; 1) состав жидкости в верхней и нижней частях колонны; 2) расход и температура исходной смеси; 3) давление в верхней части колонны;4)температура и уровень жидкости в кубе.

Расход исходной смеси стабилизируется при помощи регулятора расхода. Диафрагма и исполнительное устройство этого регулятора устанавливаются до теплообменника, так как после нагрева исходной смеси до температуры кипения поток жидкости в теплообменнике содержит паровую фазу, что нарушает работу диафрагмы и исполнительного устройства.

Если исходная смесь поступает в колонну с меньшей температурой, чем температура кипения, то ее нужно подогреть парами, идущими из нижней части колонны. Конденсация паров при этом увеличивается, что нарушает весь режим процесса ректификации. Поэтому температуру исходной смеси стабилизируют изменением расхода пара, подаваемого в подогреватель 1.

Стабилизация давления в верхней части колонны необходима не только для поддержания заданного состава целевого продукта, но и для обеспечения нормального гидродинамического режима колонны. Давление стабилизируется путем изменения подачи охлаждающей воды, подаваемой в дефлегматор.

При уменьшении температуры жидкости в кубе при помощи регулятора температуры увеличивается расход пара в кипятильнике. Уровень жидкости в кубе стабилизируется путем изменения расхода кубового остатка.

Схемой предусмотрена стабилизация уровней жидкости в сборниках. В процессе ректификации контролируются расходы, давления, темпера­ туры технологических потоков при помощи контрольно-измерительных при­ боров (КИП).

3. Технологический расчёт

1. Рассчитать и спроектировать тарельчатую ректификационную колонну для разделения бинарной смеси бензол-толуол, производительностью F=20 т/ч. Исходные данные: Х_F = 17%; Х_Р=93%; Х_W=2%; t_F=29°С; Р = 0,38 МПа

G_D - массовый расход дистиллята, кг/ч

G_W - массовый расход кубового остатка, кг/ч

G_F - массовый расход питания колонны, кг/ч



G_D + G_W = G_F G_D + G_W = 20000

G_D•x_D + G_W•x_W = G_F·x_F G_D·0,93 + G_W·0,02 = 20000•0,17

Решая систему, находим:

G_W = 3906,25 кг/ч

G_D = 1093,75 кг/ч

Выразим концентрации в мольных долях:

Питание:

Дистиллят:

Кубовый остаток:

Относительный мольный расход питания:

Кривую равновесия строим по таблице:

По графику находим =0,5 при =0,14.

Определяем минимальное число флегмы:

Рабочее число флегмы:

R=1,3·R_min + 0,3 = 1,3·1,22 + 0,3 = 1,89

Запишем уравнения рабочих линий для:

а) верхней (укрепляющей) части колонны:

y = 0,65x + 0,32

б) нижней (исчерпывающей) части колонны:

y = 3,06x - 0,01

Определение скорости пара и диаметра колонны:

Средние концентрации жидкости:

а) в верхней части колонны:

х_.^| _ср = (x_F + x_D)/2 = (0,14 + 0,94)/2 = 0,54

б) в нижней части колонны:

х ^|| _ср. = (х_F + x_W)/2 = (0,14 + 0,004)/2 = 0,072

Средние концентрации пара находим по уравнению рабочих линий:

а) в верхней части колонны:

y ^|_ср. = 0,65•0,54 + 0,32 = 0,67

б) в нижней части колонны:

y ^||_ср. = 3,06·0,072 - 0,01 = 0,21

Средние температуры определяем по диаграмме t - x,y (график 2):

а) при у ^|_ср = 0,67 t ^|_ср = 78⁰С

б) при y ^||_ср = 0,21 t ^||_ср = 94⁰С

Средние мольные массы и плотности пара:

а) М ^|_ср=М_сп*у ^|_ср+М_вод*(1- у ^|_ср)

М ^|_ср = 0,67*32 +(1-0,67)*18 = 27,38 кг/моль

Т ^|_ср=273+ t^|_ср

б) М ^||_ср=М_сп*у ^||_ср+М_вод*(1- у ^||_ср)

Т ^||_ср =273+ t ^||_ср

М^||_ср = 0,21*32 +(1-0,21)*18 = 20,94 кг/моль

о п

Средняя плотность пара в колонне:

с_п = (с ^|_ср + с ^||_ср)/2 = (0,95+0,69)/2 = 0,82 кг/м ³

По диаграмме t - х, у (график 2) находим:

Температура вверху колонны при Х_D = 0,94 равна t = 65,5⁰С

в кубе-испарителе при Х_W = 0,006 равна t = 99⁰C

Плотность жидкого метанола при t = 65,5⁰С равна с = 750 кг/м ³,

Плотность воды при t = 99⁰С равна с = 957 кг/м ³

Средняя плотность жидкости в колонне:

с_ж = (957 + 750)/2 = 853,5 кг/м ³

Расстояние между тарелками принимаем h = 300 мм

Для колпачковых тарелок по графику рис.7.2 [1] находим С = 0,03

Скорость пара в колонне:

Объемный расход проходящего через колонну пара при средней температуре в колонне:

t_ср = (78 + 94)/2 = 86⁰С

где М_D - мольная масса дистиллята, равная

М_D = 0,97·32 + 0,01•18 = 31,22 кг/кмоль

Диаметр колонны:

Принимаем D = 1000 мм

Тогда скорость пара в колонне будет:



Определение числа тарелок и высоты колонны.

а) наносим на диаграмму х-у рабочие линии верхней и нижней части колонны и находим число ступеней изменения концентрации n_т.

В верхней части колонны n^|_т = 5, в нижней части n^||_т = 5. Всего 10 ступеней.

Число тарелок рассчитываем по уравнению:

- число теоретических тарелок

Для определения среднего КПД тарелок находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов б = Р_сп./Р_вод. И динамический коэффициент вязкости исходной смеси м при средней температуре в колонне t_ср = 86⁰С

При этой температуре давление насыщенного пара метилового спирта:

Р_сп = 1600 мм.рт.ст., воды Р_вод = 450,9 мм.рт.ст., откуда б = 1600/450,9 = 3,55

Динамический коэффициент вязкости метилового спирта при 86 ⁰С равен м_сп = 0,275 сП, воды м_вод = 0,335 сП

м_см = 0,22•0,275 + 0,78·0,335 = 0,32 сП

Тогда

По графику (рис.7.4) находим з = 0,45

Длина пути жидкости на тарелке:



К.П. Д. тарелок з = 0,45

Число тарелок:

в верхней части колонны: n^| = n^|_Т/з_l = 5/0,45 = 12

в нижней части колонны: n^|| = n^||_T/з_l = 5/0,45 = 12

Общее число тарелок n = 24, с запасом берем n = 28, из них 14 в верхней части колонны и 14 в нижней части.

Высота тарельчатой части колонны:

Н_т = (n - 1)•h = (28 - 1)0,3 = 8,1 м

4. Гидравлический расчет тарелок

Принимаем следующие размеры колпачковой тарелки:

- свободное сечение колонны 0,78 м ²

- длина линии барботажа 9,3 м

- периметр слива L_сл=0,8 м ²

- площадь слива 0,05 м ²

^- площадь паровых патрубков 0,073 м ²

^- относительная площадь для прохода паров 9%

- число колпачков 37

- диаметр колпачков 80 мм

- шаг t=110 мм

- высота колпачка 55 мм

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

?р = ?р_сух + ?р_у + ?р_пж



?р_сух - гидравлическое сопротивление сухой тарелки

?р_у - сопротивление обусловленное силами поверхностного натяжения (ими пренебрегаем и расчет не приводиться)

?р_ст - статическое сопротивление зависящее от запаса жидкости на тарелке

а) верхняя часть колонны:

ж - коэффициент сопротивления; ж = 4,5 - 5

- плотность пара в верхней части колонны

щ₀ - скорость пара в прорезях, м/с

-плотность пены, кг/м ³; =400-600 кг/м ³

- средне расстояние от низа колонны до уровня пны(высота слоя пены на тарелке), м

- высота прорези, м; =0,02 м

- высота слоя светлой жидкости; =0,5=10 мм

- высота перелива, м

- высота колпачка, м; =0,55 м

- средняя плотность жидкости, кг/м ³; =853,5 кг/м ³;

- площадь поперечного сечения колонны за ывчетом площадей приемного и сливного карманов, м ²; =0,5617 м ²;

- площадь занимаемая колпачками, м ²;

n - число колпачков

- наружный диаметр колпачков

- высота слоя жидкости над переливом

L - объем жидкости перетекающий с тарелки на тарелку, м ³/ч

- длина сливной перегородки; =0,8 м;

- коэффициент, учитывающий увеличение скорости и сужение потока жидкости в результате сжатия его стенками при подходе к сливной перегородки

при и =1,02

б) нижняя часть колонны:

Проверим, соблюдается ли расстояние между тарелками h = 0,3 м необходимое для нормальной работы тарелок условие:

Следовательно, вышеуказанное условие соблюдается.

Общее гидравлическое сопротивление тарелок:

?р = ?р^|·n_B + ?р^||n_H = 14•682,8 + 14·611,3 = 17361,4 Па = 0,17 кгс/см ²

5. Описание основного аппарата

Проводят ректификацию в башенных колонных аппаратах, снабжённых контактными устройствами (тарелками или насадкой) - ректификационных колоннах, в которых осуществляется многократный контакт между потоками паровой и жидкой фаз. Движущая сила ректификации - отличие фактических (рабочих) концентраций компонентов в паровой фазе от равновесных для данного состава жидкой фазы. Парожидкостная система стремится к достижению равновесного состояния. При контакте с жидкостью пар обогащается легколетучими (низкокипящими) компонентами - НК, а жидкость - труднолетучими (высококипящими) компонентами - ВК. Жидкость и пар движутся противотоком: пар - вверх, жидкость - вниз, поэтому при достаточно большой высоте колонны в её верхней части можно получить практически чистый целевой компонент. В зависимости от процесса, таковым компонентом может быть либо вещество, либо азеотропная смесь.

В зависимости от температур кипения разделяемых жидкостей ректификацию проводят под разным давлением: атмосферным - для кипящих при 30-150 °С, выше атмосферного - для жидкостей с низкими температурами кипения, например, сжиженных газов, в вакууме - для снижения температур кипения высококипящих. Ректификацию можно осуществлять непрерывно или периодически. Колонны для непрерывной ректификации состоят из двух ступеней: верхней - укрепляющей, где пар "укрепляется" - обогащается НК, и нижней - исчерпывающей, где жидкая смесь исчерпывается - из неё извлекаются НК и она обогащается ВК. При периодической ректификации в колонне производится только укрепление пара. Различают ректификацию бинарных (двухкомпонентных) и многокомпонентных смесей.

Тарельчатая ректификационная колонна состоит из отдельных, связанных между собой элементов: тарелок колонн, дефлегматора и куба испарителя.

В среднюю часть колонны поступает подлежащая ректификации смесь F, нагретая до температуры t_F. Смесь может подаваться в колонну в виде жидкости, паров или смеси паров и жидкости. При входе сырья в колонну происходит процесс однократного испарения, в результате которого образуются пары состава у^*_F и жидкость состава х^*_F, находящиеся в равновесии.

Для обеспечения ректификации необходимо в верхней части колонны навстречу парам организовать поток жидкости R (флегмы, орошения). Для этого на верху колонны тем или иным образом отнимается тепло. За счет этого часть паров, поднимающихся с верхней тарелки, конденсируется, образуя необходимый нисходящий поток жидкости.

В нижней части колонны нужно обеспечить восходящий поток паров. Для этого вниз колонны тем или иным образом подводится тепло. При этом часть жидкости, стекающей с нижней тарелки, испаряется, образуя поток паров.

Отбираемый сверху колонны продукт D, обогащенный НКК, называется ректификатом (или дистиллятом), - а снизу колонны W, обогащенный ВКК, - остатком (или нижним продуктом).

Та часть колонны, куда вводится сырье, называется секцией питания, или эвапорационным пространством, часть ректификационной колонны, находящаяся выше ввода сырья - верхней, концентрационной или укрепляющей, а ниже ввода сырья - нижней, отгонной или исчерпывающей. В обеих частях колонны протекает один и тот же процесс ректификации.

6. Охрана окружающей среды

Бензол и толуол пожароопасны, легковоспламеняющиеся жидкости. Концентрационные пределы взрываемости паровоздушной смеси 1,3--6,7 %.

Обладают слабым наркотическим действием. Пары толуола могут проникать через неповрежденную кожу и органы дыхания, вызывать поражение нервной системы (заторможенность, нарушения в работе вестибулярного аппарата), в том числе необратимое. Поэтому работать с толуолом и растворителями, в состав которых он входит, необходимо в прочных резиновых перчатках в хорошо проветриваемом помещении или с использованием вытяжной вентиляции.

Согласно другим источникам, толуол является сильно токсичным ядом, влияющим на функцию кроветворения организма, аналогично бензолу. Нарушение кроветворения проявляется в цианозе и гипоксии. Существует также толуольная токсикомания. В целом, толуол, как и другие гомологи бензола, токсичен, его длительное воздействие на организм может привести к необратимым поражениям ЦНС, кроветворных органов и создать предпосылки для возникновения энцефалопатии. Опыты на крысах не выявили рисков увеличения числа опухолей при долговременном воздействии толуола. Однако данные о канцерогенном воздействии на человека в настоящее время отсутствуют, и Агентство по охране окружающей среды относит толуол к канцерогенам группы D ("недостаточно данных для классификации").

Охрана труда.

ПДК бензола в воздухе рабочей зоны установлена равной 5 мг/м 3 (среднесменная за 8 часов) и 15 мг/м 3 (максимально-разовая). Однако по данным ряда исследований, порог восприятия запаха этого вещества может быть гораздо выше ПДК.

Для защиты от бензола следует использовать значительно более эффективные изменение технологии и средства коллективной защиты.

Бензол экологически небезопасное вещество, токсикант антропогенного происхождения. Основными источниками бензола, поступающего в окружающую среду со сточными водами или выбросами в атмосферу, являются нефтехимические и коксохимические промышленные предприятия, производство топлива и транспорт.

Из водоёмов бензол легко улетучивается, способен к трансформации из почв в растения, что несёт серьёзную угрозу экосистемам. Бензол обладает свойством кумуляции, вследствие своей липофильности он способен депонироваться в клетках жировой ткани животных, тем самым отравляя их. При очень высоких концентрациях - почти мгновенная потеря сознания и смерть в течение нескольких минут. При меньших концентрациях - возбуждение, подобное алкогольному, затем сонливость, общая слабость, головокружение, тошнота, рвота, головная боль, потеря сознания. Наблюдаются также мышечные подёргивания, которые могут переходить в тонические судороги. Зрачки часто расширены, не реагируют на свет. Дыхание сначала учащено, затем замедлено. Температура тела резко снижается. Пульс учащенный, малого наполнения. Кровяное давление понижено. Известны случаи сильной сердечной аритмии.

Иногда при тяжёлых отравлениях развиваются симптомы нервных заболеваний: повышение сухожильных рефлексов, двусторонний клонус, положительный симптом Бабинского, расстройство глубокой чувствительности, псевдотабетические расстройства с парестезиями, атаксией, параплегией и двигательными нарушениями (признаки поражения задних столбов спинного мозга и пирамидных путей).

При остром отравлении бензолом (парами бензола) пострадавшего необходимо в первую очередь вынести на свежий воздух, в случае остановки дыхания проводят искусственное дыхание до нормализованного, в качестве стимуляторов дыхания применяют кислород и лобелин. Применение адреналина в качестве аналептика категорически запрещено!



Вывод

В курсовой работе по теме "Рассчитать и спроектировать тарельчатую ректификационную колонну для разделения бинарной смеси бензол-толуол, производительностью F=20 т/ч. Исходные данные: Х_F = 17%; Х_Р=93%; Х_W=2%; t_F=29°С; Р = 0,38 МПа" была спроектирована ректификационная колонна, определены её размеры.

Мною были произведены расчёты:

- технологический расчёт;

- гидравлический расчёт.

Пояснительная записка была написана на основании содержания.

Выполняя курсовую работу по предмету "Процессы и аппараты химической технологии" я получил много знаний о процессе ректификации и об устройстве ректификационных колонн. Думаю, приобретенные при выполнение работы навыки понадобятся мне в будущей моей учебе.



Литература

1. Бензол // Большая советская энциклопедия: [в 30 т.] / гл. ред. А.М. Прохоров. - 3-е изд. - М. : Советская энциклопедия, 1969--1978.

2. Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И. и др. Под ред. Дытнерского Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/, М.:Химия, 1991.

3. Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов: Справочник. - Л.: Машиностроение 1981. - 382 с.

4. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов/Под ред. чл.-корр. АН СССР П.Г. Романкова. Л.:Химия, 1987

5. Тимонин А.С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования: Справочник. Т. 1,2 - Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 2002. - 852 с.

6. Омельяненко Л.М. и Сенкевич Н.А. Клиника и профилактика отравлений бензолом. - М., 1957.

7. Toxicological Profile for Toluene (ver. September 2000) // ATSDR

8. Иоффе. И.Л Проектирование процессов и аппаратов химически технологии учебник для техникумов Л.Х 1991.

Размещено на Allbest.ru

...