Процессы и аппараты ректификации

Введение

Ректификация – это  процесс разделения жидких смесей, который сводиться к одновременно протекающим и многократно повторяемым  процессам частичного испарения  и конденсации разделяемой смеси  на поверхности контакта фаз. Ректификацию чаще всего проводят в колонных аппаратах.

Ректификационные колонны  предназначены для проведения процессов  массообмена в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности. Колонные аппараты изготавливают диаметром 400–4000 мм для работы под давлением до 1,6 МПа в царговом (на фланцах) исполнении корпуса, для работы под давлением до 4,0 МПа – в цельносварном исполнении корпуса.

В зависимости от диаметра, колонные аппараты изготавливают с  тарелками различных типов. Колонные аппараты диаметром 400–4000 мм оснащают стандартными контактными и распределительными тарелками , опорами, люками, днищами и фланцами. На корпусе цельносваренного аппарата предусмотрены люки для обслуживания тарелок.

Большое разнообразие тарельчатых  контактных устройств затрудняет выбор  оптимальной конструкции тарелки. При этом наряду с общими требованиями (высокая интенсивность единицы  объема аппарата, его стоимость и  т.д.) ряд требований может определяться спецификой производства: большим интервалом устойчивой работы при изменении  нагрузок по фазам, способность тарелки  работать в среде загрязненных жидкостей, возможностью защиты от коррозии и  т.п. Зачастую эти качества становятся превалирующими, определяющими пригодность  той или иной конструкции для  использования в каждом конкретном процессе.

Расчет ректификационной колонны сводиться к определению  её основных геометрических размеров диаметр и высота. Оба параметра  в значительной мере определяются нагрузками по пару и жидкости, типом тарелки, свойствами взаимодействующих фаз .

Разделяемая смесь (бензол - толуол) близка по свойствам к идеальной  смеси, без образования азеотропных  смесей и других осложнений. Поэтому  ректификацию будем проводить при  атмосферном давлении на колпачковых тарелках. На питание колонны будем подавать исходную смесь, подогретую до температуры кипения; флегму будем подавать в виде жидкости при температуре кипения; кубовый остаток будем испарять и подавать в виде насыщенного пара в низ колонны.

Данная смесь обладает токсичными, коррозийными свойствами. Выберем для изготовления аппарата качественную легированную сталь Х17Н13М2Т  для деталей, сопряженных с органической смесью [4]. Для всех остальных элементов  конструкции – саль Ст3. Выполним аппарат цельносварным с люками для обслуживания.

 

1. Технологическая схема процесса ректификации

Исходную смесь из промежуточной  емкости-1 центробежным насосом-2 подают в теплообменник-3, где подогревают до температуры кипения и подают в колонну на ту тарелку, где кипит смесь того же состава х_F, т.е. на верхнюю тарелку нижней исчерпывающей части колонны. Верхняя часть колонны называется укрепляющей по легколетучему компоненту.

Внутри ректификационной колонны-4 расположены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Снизу  вверх по колонне движется пар, поступающий  из выносного куба – испарителя (кипятильника)-5 (куб – испаритель может размещаться и непосредственно  под колонной). На каждой тарелки  происходит частичная конденсация  пара труднолетучего компонента и за счет конденсации – частичное  испарение легколетучего компонента. Начальный состав пара примерно равен  составу кубового остатка х_W, т.е. обеднен легколетучим компонентом. Таким образом, пар, выходящий из куба – испарителя и представляющий собой почти чистый труднолетучий компонент, по мере движения вверх обогащается легколетучим компонентом и покидает колонну в виде почти чистого пара легколетучего компонента. Для полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава х_p, получаемой в дефлегматоре-6 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Пар конденсируется в дефлегматоре, охлаждаемом водой. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения – дистиллята, который охлаждается в теплообменнике-7 и направляется в промежуточную емкость-8. Флегма, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, обогащается труднолетучим компонентом.

Из куба – испарителя отводят нижний продукт или кубовый  остаток.

Из кубовой части колонны  насосом-9 непрерывно выводится кубовая  жидкость – продукт, обогащенный  труднолетучим компонентом, который  охлаждается в теплообменнике-10 и направляется в емкость-11.

 

Рисунок 1. Принципиальная схема  ректификационной установки непрерывного действия:

1-промежуточная ёмкость

2-центробежный насос

3-теплообменник

4– ректификационная колонна

5-куб-испаритель

6-дефлегматор

7-теплообменник

8-промежуточная ёмкость

9-насос

10- теплообменник

11-ёмкость.

 

 

1.1 Устройства  ректификационных аппаратов. Дефлегматор

 Для проведения процессов ректификации применяются аппараты разнообразных конструкций, основные типы которых не отличаются от соответствующих типов абсорберов

 В ректификационных  установках используют главным  образом аппараты двух типов:  насадочные и тарельчатые ректификационные  колонны. Кроме того, для ректификации  под вакуумом применяют пленочные  и роторные колонны различных  конструкций.

 Рассмотрим подробнее  дефлегматор. Дефлегматор, предназначенный для конденсации паров и подачи орошения (флегмы) в колонну, представляет собой кожухотрубчатый теплообменник, в межтрубном пространстве которого обычно конденсируются пары, а в трубах движется охлаждающий агент (вода). Однако вопрос о направлении конденсирующихся паров и охлаждающего агента внутрь или снаружи труб следует решать в каждом конкретном случае, учитывая желательность повышения коэффициента теплопередачи и удобство очистки поверхности теплообмена.

 В случае частичной конденсации паров в дефлегматоре его располагают непосредственно над колонной, чтобы обеспечить большую компактность установки, либо вне колонны. При этом конденсат (флегму) из нижней части дефлегматора подают непосредственно через гидравлический затвор наверх колонны, так как в данном случае отпадает необходимость в делителе флегмы.

 В случае полной конденсации паров в дефлегматоре его устанавливают выше колонны, непосредственно на колонне (см. рис. 2.а) или ниже верха колонны (рис.2.б) для того, чтобы уменьшить общую высоту установки. В последнем случае флегму из дефлегматора 1 подают в колонну 2 насосом. Такое размещение дефлегматора часто применяют при установке ректификационных колонн вне зданий, что более экономично в условиях умеренного климата.

 

 

 

Рис. 1.12. Варианты установки  дефлегматоров:

 

 а — на колонне;  б — ниже верха колонны; 1 —  дефлегматоры; 2 — колонны; 3 — насос.

 

2. Технологический  расчет

Основными задачами технологического расчёта процесса ректификации, являются определение основных геометрических размеров ректификационной колонны (её диаметра и высоты), а так же расхода  греющего пара в кубе колонны и  охлаждающей воды в дефлегматоре.  

 

2.1 Материальный баланс

Целью составления и решения  уравнения материального баланса  является определение неизвестных  материальных потоков.

Температуры кипения веществ  при Р=760мм.рт.ст.:

Бензол Т _кип=80,2 ˚С (НК);

Толуол Т _кип=110,8 ˚С (ВК).

Молекулярные массы веществ:

Бензол Мr =78,11 кг/моль;

Толуол Мr =92,13 кг/моль.

 

Уравнение материального  баланса имеет вид:

 (1)

где F– расход исходной смеси, кг/с;

P– расход верхнего продукта, кг/с;

W– расход нижнего продукта, кг/с;

– соответствующие массовые доли компонентов, кг/кг.

 

 

F=0.558+0.823 = 1.387 

1.388*0.4=0.558*0.95 + 0.83*0.03

0.555 = 0.555

Для расчетов выразим концентрации питания, дистиллята и кубового остатка  в мольных долях , X. M_б = 78, M_т = 92 – мольные массы бензола и толуола соответственно.

 X=(х_НК/M_НК)/(х_НК/M_НК +(1х_НК)/M_ВК)                      (2)

X_F = (0,4/78)/(0,4/78+(1–0,4)/92)=0,0051 кмоль/кмоль смеси

X_Р =(0,95/78)/(0,95/78+(1–0,95)/92)=0,012 кмоль/кмоль смеси

X_W =(0,03/78)/(0,03/78+(1–0,03)/92)=0,0003кмоль/кмоль смеси.

Для перевода массовых расходов F, P, W (кг/с) в мольные достаточно каждый из них разделить на соответствующую мольную массу вещества потока, которую можно рассчитать по уравнению:

 (3)

где  ─ мольные доли компонента, кмоль/кмоль;

 ─ мольные массы соответствующих  компонентов, кг/кмоль;

─ мольная масса потока, кг/кмоль.

 

М_смF = 78*0.0051+92(1-0.0051) = 91.928 кг/кмоль

М_смP = 78*0.012+92(1-0.012) = 91.83 кг/кмоль

М_смW = 78*0.00038+92(1-0.000038) = 91.99 кг/кмоль

 (4)

 (5)

 (6)

где F, P, W ─ массовые расходы, кг/с;

F_N, P_N, W_N─ мольные расходы, кмоль/с.

2.2 Построение фазовых  диаграмм 

 

С целью проведения дальнейших материальных расчётов требуется построение линий равновесия t-x-y диаграммы.

Таблица 2.2.1 - Содержания низкокипящего  и высококипящего компонентов при  различных температурах и давлении 760 мм. рт. ст.

Т, ˚C	РНК	Рвк	П	x	y
80,2	760	300	760	1	1
84	852	333	760	0,823	0,922
88	957	380	760	0,659	0,83
92	1078	432	760	0,508	0,720
96	1204	493	760	0,376	0,596
100	1344	559	760	0,256	0,453
104	1495	626	760	0,155	0,304
108	1659	705	760	0,058	0,128
110,4	1748	760	760	0	0

 

 

2.3 Определение рабочего  флегмового числа

Определение флегмового числа

Атмосферное давление:

Давление в колонне:

Строим таблицу равновесного состава c помощью интерполяции:

80	760	300
84	852	333	0,823	0,922
88	957	379,5	0,659	0,83
92	1078	432	0,508	0,72
96	1204	492,5	0,376	0,596
100	1344	559	0,256	0,453
104	1495	625,5	0,155	0,304
108	1659	704,5	0,058	0,127
110	1748	760	0	0

По таблице находим  состав пара равновесного с начальной  смесью, с дистиллятом и кубовым  остатком:

 

;

;

.

Рабочее (оптимальное) флегмовое число R определяет нагрузки ректификационной колонны по пару и по жидкости и наряду с производительностью колонны обуславливает геометрические размеры колонного аппарата и затраты теплоты на проведение процесса.

Исходным при выборе рабочего флегмового числа является минимальное его значение R_min.

R_min определяется по формуле [Иоффе]:

 (7)

где  - мольная доля продукта, кмоль/кмоль.

.

1. Принимаем коэффициент  избытка флегмы:

.

Рабочее флегмовое число: