Описание процесса ректификации

Описание процесса ректификации.

 

Ректификация – разделение жидких однородных смесей на составляющие вещества или группы составляющих веществ в результате противоточного взаимодействия паровой смеси и жидкой смеси.

Возможность разделения жидкой смеси на составляющие её компоненты ректификацией обусловлена тем, что состав пара, образующегося над жидкой смесью, отличается от состава жидкой смеси в условиях равновесного состояния пара и жидкости.

Сущность процесса ректификации рассмотрим на простейшем примере разделения двухкомпонентной смеси, как и в случае нашего задания по курсовому проектированию, где требуется спроектировать ректификационную установку для разделения смеси «бензол-толуол». При ректификации исходная смесь делится на две части: часть, обогащенную легколетучим компонентом (ЛЛК), называемую дистиллятом, и часть, обедненную ЛЛК, называемую  кубовым остатком.

Обозначим: Gf – количество смеси, поступающей на ректификацию;

Gp – количество поступающего дистиллята;

Gw – количество получающегося кубового остатка;

Xf, Xp, Xw – содержание ЛЛК в исходной смеси, дистилляте и

кубовом остатке соответственно.

Тогда материальный баланс разделения:

• для всей смеси:

Gf = Gp + Gw;

• для легколетучего компонента в смеси:

Gf*Xf = Gp*xp + Gw*Xw.

Обычно ректификационный аппарат состоит из двух частей: верхней и нижней, каждая из котрых представляет собой организованную поверхность контакта фаз между паром и жидкостью.

В нижней части исходная смесь взаимодействует с паром, начальный состав которого равен составу кубового остатка. Вследствие этого из смеси извлекается легколетучий компонент.

В верхней ступени пар начального состава соответствующий составу исходной смеси, взаимодействует с жидкостью, начальный состав которой равен составу дистиллята. Вследствие этого пар обогащается легколетучим компонентом до требуемого предела, а менее летучий компонент извлекается из паровой фазы.

Пар для питания ректификационной колонны получается многократным испарением жидкости, имеющей тот же состав, что и кубовый остаток, а жидкость – многократной конденсацией пара, имеющего состав, одинаковый с составом дистиллята.

Рассматривая взаимодействие пара и жидкости в колонне, принимается допущение:

1. Мольные теплоты испарения компонентов одинаковы, поэтому каждый кмоль пара при конденсации испаряет соответственно кмоль жидкости и, следовательно, мольный поток пара, движущегося снизу вверх, одинаков в любом сечении аппарата.
2. При конденсации пара в конденсаторе не происходит изменения состава пара, и, следовательно, состав пара, уходящего из колонны, равен составу дистиллята: Xp = Yp.
3. При испарении жидкости в нижней части аппарата не происходит изменения ее состава, и, следовательно, состав пара, образующегося в испарителе, равен составу кубового остатка: Xw = Yw.

 Полученный в конденсаторе  дистиллят делится на две части. Одна часть направляется обратно в колонну – флегма, другая является отбираемым продуктом – дистиллят. Отношение количества возвращенного в колонну дистиллята (флегмы) к количеству дистиллята, отобранного в виде продукта – называется флегмовым числом R.

Количество пара, полученного в нижней части колонны, и проходящего по ней, равно:

 

 

при D = R + 1.

Это равенство доказывает, что разделение смеси при ректификации возможно в результате взаимодействия потоков пара и жидкости в колонне, при кратности испарения равной R + 1, и кратности конденсации, равной R.

Флегмовое число:

Уравнения рабочих линий для верхней и нижней частей ректификационной колонны соответственно:

 

 

Эти уравнения связывают составы в паре (Y)  и жидкости (X) в любом произвольном сечении в соответственно укрепляющей и исчерпывающей частях колонны.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Описание технологической схемы ректификационной установки.

 

Разработанная ректификационная установка – непрерывного действия.

 

Исходная смесь поступает со склада в емкость Е1. На емкости устанавливают прибор для измерения уровня, который показывает и сигнализирует о предельном верхнем и нижнем его значении. При достижении верхней отметки прекращают подачу исходной смеси в емкость, при достижении нижней – возобновляют.

 

Из емкости Е1 жидкостная смесь окачивается центробежным насосом Н1. Насос продублирован на случай отказа запасным насосом Н2. Также предусмотрена обводная (байпасная) линия, работающая в случае останова установки на ремонт или профилактику, которая служит для спуска жидкости из трубопровода.

 

В установке предусмотрено рациональное использование тепла. Тепло отходящих потоков используется для нагревания всходящих, то есть нагревают исходную смесь за счет тепла жидкости, удаляющейся из нижней части колонны, так называемого кубового остатка. Данный теплообмен осуществляется в рекуператоре Х1. Это теплообменный кожухотрубчатый аппарат, в одно пространство которого подается насосом исходная смесь, а в другое – кубовый остаток.

 

После выхода из рекуператора исходная смесь нагревается, но не до температуры кипения. Дальнейший нагрев смеси осуществляют в подогревателе П. В трубное пространство этого кожухотрубчатого теплообменника поступает подогретая исходная смесь, а в межтрубное - греющий пар, подаваемый по трубопроводу из котельной. Пар, конденсируясь, отдает свое тепло исходной смеси, нагревая ее до температуры кипения.

Температура исходной смеси регулируется специальным прибором.

Далее кипящая смесь поступает в колонну на ректификацию.

 

В колонне пары исходной смеси идут вверх, обогащаясь бензолом, а жидкая фаза идет на орошение нижней части.

Жидкость, выводимая  из нижней части колонны, частично отводится в емкость Е2, проходя при этом через рекуператор Х1 (см. выше), а частично подается в кипятильник К, который нагревает остаток до температуры кипения и полностью испаряет его. После выхода из кипятильника кубовый остаток полностью переходит в пар. Нагрев осуществляют греющим паром, поступающим из котельной.

 

Сконденсировавшиеся пары греющего пара из подогревателя и кипятильника удаляют с помощью конденсатоотводчиков КО2 и КО1 соответственно. Для обеспечения непрерывной работы установки при ремонте и осмотре водоотводчиков их снабжают обводной (байпасной) линией.

 

Пар из кипятильника поднимается вверх по колонне, соединяется с парами исходной смеси, и, все более обогащаясь бензолом, выходит через верхний штуцер. Затем он направляется на конденсацию в дефлегматор Д.

 

В дефлегматоре пары бензола конденсируются за счет охлаждающей воды.

Конденсат поступает в емкость Е4. Здесь он делится на два потока: жидкость, отбираемую на орошение колонны – флегму и готовый продукт – дистиллят. Флегма закачивается в колонну насосом Н7, который продублирован насосом Н8. Для спуска жидкости при останове установки предусмотрена обводная (байпасная) линия.

 

Флегма, поданная в колонну на орошение, смешивается с исходной смесью и стекает по тарелкам в куб колонны.

 

Дистиллят, протекая по трубопроводу, подводится к холодильнику Х2, где он охлаждается до нужной температуры холодной водой. Охлаженный дистиллят поступает в емкость Е3. Здесь также установлен прибор для измерения уровня, включающий насос Н6 при достижении количеством готового продукта – бензола – заданной отметки.

 

Оборотная вода поступает по трубопроводу 1 и удаляется после выполнения заданных функций по трубопроводу 10.

 

Греющий пар подается по трубопроводу 2 и удаляется в виде конденсата по линии 3.

 

При остановке ректификационной установки на ремонт или профилактику спускают остатки жидкости из труб,  открывая байпасные линии, в емкости, а из них жидкость сливают в канализацию 5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Расчет тарельчатой  ректификационной колонны.

 

3.1 Определение производительности по дистилляту и кубовому остатку.

 

Материальный баланс всей ректификационной колонны может быть представлен двумя уравнениями:   по всему продукту

по легколетучему компоненту

где Xf, Xp, Xw – молярные составы (мольные доли) легколетучего компонента (ЛЛК) соответственно в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке.

Из этих формул, если вместо молярного состава в расчетах использовать массовый состав (соответственно af, ap, aw), то будем иметь:

• расход дистиллята:
• расход кубового остатка:

3.2 Определение молярных  концентраций исходной смеси, дистиллята  и кубового остатка.

где: х- содержание ЛЛК в бинарной смеси в мольных долях;

a - содержание ЛЛК в бинарной смеси компонентов А и В в массовых долях;

Ма и Мв – молекулярные веса компонентов А и В соответственно.

Для бензола Ма=78г/моль, для толуола Мв=92г/моль. Тогда:

3.3 Построение равновесной  кривой и изобары температур  кипения и конденсации (рис. 1)

Данные по равновесию приведены в таблице:

Таблица 1.

 

Хмол %	0	5	10	20	30	40	50	60	70	80	90	95	100
Умол %	0.000	10.838	20.57	37.23	50.84	62.061	71.374	79.16	85.71	91.254	95.97	98.063	100
T0  C	110.6	108.4	106.2	102.2	98.61	95.3	92.25	89.44	86.84	84.43	82.19	81.12	80.1

 

3.4 Определение минимального флегмового  числа (рис.2).

 

На диаграмме проводим прямую линию из т. Xp через Xf до пересечения с осью ординат. Полученный отрезок Bmax = 0.3513

Тогда:

3.5 Определение оптимального флегмового  числа (рис.2-6).

 

Для ряда значений флегмового числа, больших, чем Rmin=1.774, находим значения отрезков В (табл.2).

Таблица 2.

 

R	1.8	1.9	2.0	2.1	2.2	2.3	2.4	2.6
B	0.348	0.336	0.325	0.314	0.304	0.295	0.286	0.271

 

Отрезки В откладываем на диаграмме Y-X. Соединяем верхние точки отрезков В на диаграмме с точкой 2 и получаем ряд рабочих линий верхней части колонны. Соединяя точки 3 пересечения рабочих линий верхней части колонны с линией Xf с точкой 1, получим ряд рабочих линий нижней части колонны. Для каждого выбранного флегмового числа и значений X в пределах заданных концентраций жидкости от Xw=0.012 до Xp=0.974 по диаграмме находим движущие силы процесса 1/(Х-Х*), как величины отрезков по горизонтали между кривой равновесия и соответствующими линиями рабочих концентраций и вычисляем величины. Результаты приведены в таблице:

Таблица 3.

 

X	R = 1.8	R = 1.9	R = 2.0	R = 2.1	R = 2.2	R = 2.3	R = 2.4	R = 2.6
0.012	151.63	151.63	151.63	151.63	151.63	151.63	151.63	151.63
0.1	36.49	35.27	34.22	33.24	32.39	31.67	30.98	29.89
0.2	27.15	25.47	24.1	22.88	21.87	21.05	20.28	19.13
0.3	38.88	32.91	28.88	25.76	23.47	21.74	20.26	18.21
0.367	533.62	114.92	67.19	47.63	37.75	31.86	27.6	22.61
0.4	66.59	46.04	35.98	29.59	25.51	22.75	20.5	17.66
0.5	20.03	17.8	16.17	14.83	13.79	12.99	12.26	11.26
0.6	13.14	12.24	11.28	10.88	10.37	9.95	9.56	8.99
0.7	10.98	10.43	9.98	9.56	9.22	8.93	8.66	8.25
0.8	10.93	10.51	10.16	9.84	9.56	9.32	9.1	8.75
0.9	13.86	13.51	13.21	12.92	12.67	12.45	12.24	11.9
0.974	24.81	24.81	24.81	24.81	24.81	24.81	24.81	24.81