Текст работы

Введение

Ректификация - это тепло и массообменный процесс, применяемый для разделения жидких смесей, компоненты которых различаются по температурам кипения.
Процесс осуществляется при контактировании потоков пара и жидкости, которые имеют разные составы и температуры: пар имеет более высокую температуру, чем вступающая с ним в контакт жидкость [1].
Физическая сущность процесса ректификации заключается в двустороннем массо- и теплообмене между неравновесными потоками пара и жидкости при высокой турбулизации поверхности контактирующих фаз. В результате массообмена пар обогащается низкокипящими, а жидкость - высококипящими компонентами. При определённом числе контактов можно получить пары, состоящие в основном из низкокипящих, а жидкость - из высококипящих компонентов [2].
При достаточно большом времени контакта пар и жидкость могут достичь состояния равновесия.
В реальных условиях равновесие уходящих из контактной зоны потоков пара и жидкости может не достигаться.
Процесс ректификации может осуществляться по периодической и непрерывной схемам.
При периодической ректификации смесь разделяют на отдельные компоненты (или фракции, кипящие в определенном интервале температур) путём последовательного их отбора при изменяющихся во времени рабочих параметрах процесса.
Ректификация по непрерывной схеме позволяет одновременно получать два и более продуктов при стационарных условиях процесса [1].
Процесс ректификации осуществляют в аппаратах - ректификационных колоннах. Для создания потока паров в нижнюю часть колонны подводят тепло, а поток жидкости (орошения, флегмы) создают путём отвода тепла из верхней части колонны, конденсируя соответствующее количество паров.
Часть колонны, служащая для выделения низкокипящих компонентов, называется концентрационной, или укрепляющей, другая часть, в которой выделяются высококипящие компоненты, называется исчерпывающей, или отгонной. Между этими основными частями колонны находится место ввода сырья (тарелка питания, секция питания, эвапорационное пространство) [1].
В нефтеперерабатывающей промышленности в основном применяют ректификационные колонны непрерывного действия.
Различают простые и сложные колонны.
Простые колонны обеспечивают разделение исходной смеси (сырья) на два продукта: ректификат (дистиллят) - продукт, обогащенный низкокипящими компонентами, кубовый остаток - продукт, обогащенный высококипящими компонентами.
Для разделения многокомпонентных и непрерывных смесей требуется система колонн, каждая из которых разделяет поступающую смесь на соответствующие компоненты.
Основными рабочими параметрами процесса ректификации являются давление и температура в системе, соотношение потоков жидкости и пара (флегмовое число), число контактных ступеней. При соответствующем выборе этих параметров обеспечивается разделение исходной смеси на компоненты, удовлетворяющие определённым требованиям [1].

1. Технологическая схема процесса ректификации

Технологическая схема процесса ректификации приведена на рисунке 1.1.


- ректификационная колонна; 2- подогреватель; 3 - кипятильник; 4 - дефлегматор; 5 - холодильник; 6 - тарелка
Рисунок 1.1 - Технологическая схема процесса ректификации

Для непрерывного проведения ректификации необходимо, чтобы поступающая на разделение смесь соприкасалась со встречным потоком пара с несколько большей концентрацией высококипящего компонента, чем в жидкой смеси. Поэтому исходную смесь подают в то место ректификационной колонны 1, которое соответствует этому условию. Место ввода исходной смеси, нагретой до температуры кипения в подогревателе 2, называют тарелкой питания. Поток пара, поднимающегося по ректификационной колонне, поддерживается испарением части кубовой жидкости в кипятильнике 3, а поток жидкости, текущей по колонне сверху вниз, - возвратом части флегмы, образующейся при конденсации выходящих из колонны паров в дефлегматоре 4.
Конструкция тарельчатой ректификационной колонны и массообменных тарелок

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. Таким образом, более подробно рассмотрим виды и конструкции тарелок [2].
Колпачковые желобчатые тарелки. Тарелки. этого типа применяются в колоннах диаметром от 1000 мм и более при расстояниях между тарелками 450 мм и более. Рабочая часть тарелки, укомплектована съемными желобами и колпачками. Для перетока жидкости служат переливные устройства (одно- или двухпоточные). Основные размеры тарелок регламентированы отраслевой нормалью Н 439 - 58. Вплоть до настоящего времени тарелки этого типа находятся в эксплуатации в колоннах различного технологического назначения. Единственным их практическим преимуществом является относительно небольшое число желобов и колпачков, которые требуется устанавливать при монтажных и ремонтных работах. В остальном все показатели этих тарелок низки, поэтому тарелки желобчатого типа повсеместно заменяют более современными [2].
Колпачковые тарелки с капсульными колпачками. Тарелки этого типа могут быть установлены в колоннах диаметром 400 мм и более, расстояние между тарелками от 200 мм и более. Тарелки могут иметь неразборную и разборную конструкции. Тарелки неразборной конструкции уплотнены в корпусе колонны периферийным сальником с набивкой из асбестового шнура.
По сравнению с желобчатыми колпачковые капсульные тарелки имеют примерно на 20% большую производительность, высокую эффективность, широкий рабочий диапазон (более 4) и меньшую металлоемкость (60 - 90 кг/м2 против 110 - 130 кг/м2) .
Хотя по производительности тарелки этого типа уступают тарелкам других современных типов и сравнительно трудоемки в изготовлении и монтаже, они находят применение благодаря универсальности областей практического использования и неприхотливости в эксплуатации [2].
Тарелки колпачковые из S-образных элементов. Диаметр колпачковых тарелок равен 1000 - 8000 мм. Расстояние между тарелками составляет 450 мм и более. Полотно тарелки набрано из элементов S-образного профиля, при сборке которых образуются каналы для прохода пара. Жидкость движется единым потоком и частично направляется паром в сторону слива, вследствие чего уменьшается градиент уровня жидкости на тарелке. Благодаря жесткости S-образных элементов, металлоемкость тарелок этого типа относительно невелика (55 - 90 кг/м2). По эффективности они находятся на одном уровне с колпачковой капсульной тарелкой, но производительность их на 20 - 30% выше [2].
Клапанные прямоточные тарелки. Применяются в колоннах диаметром 1000 мм и более при расстоянии между тарелками не менее 450 мм. По сравнению с S-образными тарелками они позволяют повысить производительность колонн примерно на 20 - 25%. Диапазон, рабочих нагрузок более 4. В области саморегулируемой работы клапанов тарелки обладают относительно небольшим сопротивлением. Металлоемкость составляет 55 - 80 кг/м2 [2].
Жалюзийно-клапанные тарелки. Тарелки применяются в колоннах диаметром 1000 мм и более при расстоянии между тарелками, составляющем не менее 450 мм. Рабочие характеристики практически аналогичны характеристикам клапанных прямоточных тарелок [2].
Сетчатые тарелки с отбойными элементами из просечного листа. Полотно тарелки и наклонные отбойники изготовлены из просечно-вытяжного листа. Свободное сечение полотна тарелки следует выбирать исходя из отсутствия провала жидкости; свободное сечение отбойников должно быть достаточно большим (не менее 30%), чтобы обеспечить пропуск текущей по тарелке жидкости. Контакт фаз происходит в прямотоке и частично в перекрестном токе на отбойниках. Благодаря относительно низкому сопротивлению эти тарелки применяются в вакуумных колоннах. Металлоемкость составляет 50 - 60 кг/м'.
Решетчатые тарелки провального типа. Стандартные решетчатые тарелки применяются в колоннах диаметром 400 мм и более при расстоянии между тарелками не менее 200 мм.
Тарелки этого типа не имеют специальных переливных устройств для жидкости, поэтому конструкция их предельно проста. Производительность тарелок провального типа примерно в 1,8 - 2 раза больше, чем колпачковых, металлоемкость не превышает 40 - 50 кг/м2. По сравнению с колпачковыми эти тарелки имеют меньшую эффективность и более узкий рабочий диапазон, который в среднем равен 2. Обычно рекомендуется выбирать свободное сечение тарелок равным 15 - 20%. При меньшем свободном сечении несколько увеличивается эффективность работы тарелок, однако, соответственно снижается их производительность.
Тарелки этого типа рекомендуются для применения в ректификационных колоннах, где требуется относительно небольшое число тарелок и ожидается сравнительно малое колебание рабочих нагрузок [2].
Сетчатые тарелки. Предназначены для колонн диаметром от 400 до 3600 мм при расстоянии между тарелками 200 мм и более.
По сравнению с колпачковыми производительность этих тарелок на 30 50% выше, а рабочий диапазон уже и обычно не более 2,5. Металлоемкость составляет 65 - 50 кг/м2. Тарелки весьма чувствительны к точности горизонтальной установки и не рекомендуются для работы на загрязненных средах, т. к. при этом возможна забивка отверстий [2].
жидкость пар равновесный тарелка
3. Равновесные составы жидкости и пара

Исходные данные: содержание низкокипящего компонента в сырье хF = 0,3;
содержание низкокипящего компонента в дистилляте хD= 0,96;
содержание низкокипящего компонента в кубовом остатке хW = 0,03;
расход сырья GF = 1000 кмоль/ч.
Ректификационная колонна предназначена для разделения смеси ацетон - этиловый спирт.
Равновесные составы жидкости и пара и температура кипения приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Равновесные составы жидкости и пара и температура кипения

х	0	5	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
у	0	15,5	26,2	41,7	52,4	60,5	67,4	73,9	80,2	86,5	92,9	100
t	78,3	75,4	73	69	65,9	63,6	61,8	60,4	59,1	58	57	56,1

. Материальный баланс процесса ректификации

Составляем уравнения материального баланса ректификационной колонны непрерывного действия [4]


(4.1)


где GF, GD, GW - мольные расходы сырья, дистиллята и кубового остатка;
xF, xD, xW - содержание низкокипящего компонента в сырье, дистилляте и кубовом остатке, мольные доли.
Подставив соответствующие параметры, получим

(4.2)
(4.3)

Решая совместно уравнения (4.2) и (4.3), определяем мольные расходы дистиллята и кубового остатка:



5. Флегмовое число

Так как кривая равновесия не имеет точек перегиба, минимальное флегмовое число определяем по формуле [4]

(5.1)

где уF* - содержание низкокипящего компонента в паре, равновесном с жидкостью в сырье, уF* = 0,524.
Подставив соответствующие значения, получим

Определяем рабочее число флегмы [4]

(5.2)


. Уравнения рабочих линий и кривая равновесия пар-жидкость

Определяем относительный мольный расход сырья [4]

(6.1)


Составляем уравнение рабочей линии верхней (укрепляющей) части ректификационной колонны

(6.2)



Составляем уравнение рабочей линии нижней (исчерпывающей) части ректификационной колонны

(6.3)



Строим кривую равновесия пар-жидкость в координатах у*-х (рисунок 6.1).

Рисунок 6.1 - Кривая равновесия пар-жидкость

. Молекулярная масса смеси, расходы флегмы и пара

Определяем расход флегмы [4]

(7.1)


Определяем мольный расход пара, одинакового по высоте колонны [4]

(7.2)

Определяем молекулярные массы смеси в верхней и нижней частях колонны [4]

(7.3)

где МА, МЭС - молекулярные массы ацетона и этилового спирта соответственно, МА = 58,08 кг/кмоль, МЭС = 46,07 кг/кмоль
хi - содержание низкокипящего компонента в кубовом остатке или дистилляте.
Подставив значения, получим


Определяем массовый расход пара для верхней и нижней частей колонны [4]

(7.4)



По таблице 3.1 интерполированием определяем температуру верха и низа колонны, получим


Определяем плотность пара в верхней и нижней частях колонны [4]
(7.5)



Определяем объёмный расход пара для верхней и нижней частей колонны [4]

(7.6)




. Определение числа тарелок

После построения рабочих линий для нижней и верхней частей колонны (пункт 6), строим с верхней точки теоретические тарелки (рисунок 6.1).
Находим на графике необходимое число ступеней изменения концентрации.
Получаем в верхней части колонны 16 ступеней, в нижней - 4, всего 20.
Определяем коэффициенты динамической вязкости ацетона и этилового спирта при соответствующих температурах верха и низа колонны по номограмме V [4]:




Определяем коэффициенты динамической вязкости жидкости в верхней и нижней частях колонны по формуле Аррениуса [4]

(8.1)



Определяем коэффициент летучести [4]

(8.2)

где Т2, Т1 - температуры кипения этилового спирта и ацетона соответственно,
Т2 = 351,46 К;
Т1 =329,16 К.
Подставив значения, получим

Определяем коэффициент полезного действия тарелок верха и низа колонны [4]

(8.3)


Определяем средний коэффициент полезного действия тарелки

(8.4)


Определяем число практических тарелок в верхней и нижней частях колонны [4]

(8.5)

где nТ - теоретическое число тарелок.
Подставив значения, получим



. Диаметр колонны

Определяем плотности ацетона и этилового спирта при температурах верха и низа колонны по таблице V [5]:




Определяем плотность жидкости верха и низа колонны [4]

(9.1)



Определяем допустимую рабочую скорость пара в верхней и нижней частях колонны [4]

(9.2)

где С - коэффициент зависящий от конструкции тарелок, расстояния между тарелками h, рабочего давления в колонне, по рисунку 7.2 [4], для колпачковых тарелок при h = 400 мм С = 0,044.


Определяем диаметры верхней и нижней частей колонны [4]

(9.3)


По стандартному ряду диаметров колонн [4] принимаем dВ = 3600 мм, dН = 3600 мм. Диаметр колонны принимаем одинаковым по всей высоте колонны и равным наибольшему из полученных значений d = 3600 мм.
Определяем высоту тарельчатой колонны [4]

(9.4)

где n - число тарелок в колонне, n = 37.
h - расстояние между тарелками, h = 400.

Исходя из полученного диаметра колонны, выбираем тарелки с параметрами, приведёнными в таблице 9.1 [2].

Таблица 9.1 - Параметры тарелки

Параметр	Значение
Диаметр колонны, мм	3600
Общая длина слива, мм	2900
Рабочая площадь тарелки, %	61,6
Свободное сечение тарелки, %	13,1
Число колпачков, мм	194
Диаметр колпачка, мм	150
Шаг колпачков, мм	190
Вес тарелки, кг	1000

Вычерчиваем схему колонны с основными размерами (рисунок 9.1).


Рисунок 9.1 - Схема колонны с основными размерами

Заключение

Тарельчатые колпачковые колонны наиболее часто применяют в ректификационных установках.
При проведении расчёта ректификационной колонны непрерывного действия для разделения бинарной смеси (ацетон - этиловый спирт) в качестве тарелок были выбраны колпачковые тарелки с круглыми колпачками.
Расчет мольных расходов ввёлся исходя из уравнений материальных балансов (см. уравнения (3.1) и (3,2)), которые справедливы для ректификационной колонны, обогреваемой глухим паром.
При определении числа теоретических тарелок был использован графический метод. Число теоретических тарелок оказалось равным двадцати (шестнадцать для укрепляющей части колонны и четыре для исчерпывающей части).
Число практических тарелок оказалось равным 37 (тридцать для укрепляющей части колонны и семь для исчерпывающей части).
При таком количестве тарелок расстояние между верхней и нижней тарелками оказалось равным Нт = 14,4 м.
Диаметр колонны принят равным диаметру верхней части колонны, который оказался наибольшим из двух рассчитанных d = 3,6 м.

Библиография

1 Г.Г. Робинович, П.М. Рябых, П.А. Хохряков Расчёты основных процессов и аппаратов нефтепереработки: 3 - е издание, переработанное и дополненное - М.: Химия, 1979. - 568 с.
И.А. Александров Ректификационные и абсорбционные аппараты. - М.: Химия, 1971 - 296 с.
Ю.Н. Дытнерский Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов, издание 2 - е, часть 2. - М.: Химия, 1995. - 368 с.
К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1976. -552 с.
С.А. Зонис, Г.А. Симонов Справочник химика, том 1. - Л.: Госхимиздат, 1963. - 1072 с.