МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯИ НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФГУ ВПО “ОМКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ”
им. Ф. М. Достоевского
Кафедра химической технологииКурсовой проект
По дисциплине«Процессы и аппараты химической технологии»
Расчет тарельчатой ректификационнойколонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол
Выполнила
студенткагруппы ХТ-401
СулейменоваС.А.
Научныйруководитель:
доценткафедры
химическойтехнологии
Полякова Т.Н.
К защитедопущена:
Зав. кафедройхимической технологии
“____”______________200 г.Омск – 2008
Введение
1.Теоретические основы разрабатываемого процесса
1.1. Общие сведения о процессе ректификации
1.2. Основные технологические схемы для проведенияразрабатываемого процесса
1.2.1. Периодическая ректификация
1.2.2. Непрерывная ректификация
1.2.3. Экстрактивная и азеотропная ректификация
1.3. Типовое оборудование для проектируемой установки
1.3.1. Барботажные колонны
1.3.2. Насадочные колонны
1.3.3. Пленочные аппараты
1.3.4. Центробежные ректификаторы
1.4. Тарельчатые колонны
1.4.1. Колпачковые колонны
1.4.2. Ситчатые колонны
2. Теоретические основы расчета тарельчатых ректификационныхколонн
2.1 Материальный баланс ректификационной колонны
2.2. Расчет флегмового числ
2.3. Уравнения рабочих линий
2.4. Определение числа тарелок и высоты колонны
2.5. Определение средних массовых расходов пара и жидкости вверхней и нижней частях колонны
2.6. Определение скорости пара и диаметра колонны
2.7. Гидравлическое сопротивление тарельчатых колонн
2.8. Расчет числа действительных тарелок графоаналитическимметодом (построением кинетических линий)
3. Расчетная часть
3.1. Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число
3.2. Число теоретических тарелок
3.3. Средние массовые расходы пара и жидкости в верхней инижней частях колонны
3.4. Скорость пара и диаметр колонны
3.5. Высота колонны
3.6. Расчет гидравлического сопротивления тарелок колонны
3.7. Расчет числа действительных тарелок графоаналитическимметодом (построение кинетических кривых)
4. Выбор конструкционного материала аппарата и опор
Заключение
Чертежи
Список литературы
Приложения
/>Введение
Ректификацияизвестна с начала девятнадцатого века, как один из важнейших технологическихпроцессов главным образом спиртовой и нефтяной промышленности. В настоящеевремя ректификацию всё шире применяют в самых различных областях химическойтехнологии, где выделение компонентов в чистом виде имеет весьма важноезначение: при получении окисиэтилена, акрилонитрила, капролактама. Также ректификация широко используется ив других отраслях народного хозяйства: цветной металлургии, коксохимической илесохимической промышленностях.
Так, одним из способов получения бензола является ректификация. Бензол (C6H6)— ароматический углеводород – входит в состав бензина, широко применяется впромышленности, является исходным сырьём для производства лекарств, различныхпластмасс, синтетической резины, красителей. В физическом весе пластмасс около30%, в каучуках и резинах – 66%, в синтетических волокнах – до 80% приходитсяна ароматические углеводороды, родоначальником которых является бензол. Бензолвходит в состав сырой нефти, но в промышленных масштабах по большей частисинтезируется из других её компонентов. Ректификационные колонны беспечиваютполучение бензола и толуола чистотой 99,9%, содержание толуола в смеси ксилоловне превышает 1,5%. Применяют при получение отдельных фракций и индивидуальныхуглеводородов из нефтяного сырья в нефтеперерабатывающей и нефтехимической, атакже в химико — фармацевтической промышленностях.
Целью данной работы является определение основных характеристик процессаи размеров тарельчатой ректификационной колонны непрерывного действия дляразделения бинарной смеси бензол-толуол.
1.Теоретические основыразрабатываемого процесса/> 1.1. Общие сведения о процессе ректификации
Ректификация представляетсобой процесс многократного частичного испарения жидкости и конденсации паров.Процесс осуществляется путем контакта потоков пара и жидкости, имеющихразличную температуру, и проводится обычно в колонных аппаратах. При каждомконтакте из жидкости испаряется преимущественно легколетучий или низкокипящийкомпонент, которым обогащаются пары, а из паров конденсируется преимущественнотруднолетучий или высококипящий компонент, переходящий в жидкость. Такойдвухсторонний обмен компонентами, повторяемый многократно, позволяет получить,в конечном счете, пары, представляющие собой почти чистый низкокипящийкомпонент. Эти пары после конденсации в отдельном аппарате образуют дистиллят(ректификат) и флегму – жидкость, возвращаемую для орошения колонны ивзаимодействия с поднимающимися парами. Пары получают путем частичногоиспарения снизу колонны остатка, являющегося почти чистым высококипящимкомпонентом. Достаточно высокая степень разделенияоднородных жидких смесей на компоненты может быть достигнута путемректификации. Сущность процессов, из которых складывается ректификация, иполучаемые при этом результаты можно проследить с помощью t–х, удиаграммы(см. рис. 1.1).
/>
Рис. 1.1. Диаграмма t–x, у.
Нагревисходную смесь состава х1до температуры кипения получим находящийсяв равновесии с жидкостью пар (точка b). Отбор и конденсация этого пара дают жидкостьсостава x2,обогащенную низкокипящим компонентом (х2> х1). Нагрев эту жидкость до температуры кипения t2, получим пар (точка d),конденсация которого дает жидкость с еще большим содержаниемнизкокипящего компонента, имеющую состав ха, и т. д. Проводя,таким образом, последовательно ряд процессов испарения жидкости и конденсациипаров, можно получить в итоге жидкость (дистиллят), представляющую собойпрактически чистый низкокипящий компонент.
Аналогично, исходя из паровой фазы, соответствующей составужидкости x4, путем проведения ряда последовательных процессов конденсации ииспарения можно получить жидкость (остаток), состоящую почти целиком извысококипящего компонента.
В простейшем виде процесс многократного испарения можноосуществить в многоступенчатой установке, в первой ступени которой испаряетсяисходная смесь.
На вторую ступень поступает на испарение жидкость, оставшаясяпосле отделения паров в первой ступени, в третьей ступени испаряется жидкость,поступившая из второй ступени (после отбора из последней паров) и т. д.
Аналогично может быть организован процесс многократнойконденсации, при котором на каждую следующую ступень поступают для конденсациипары, оставшиеся после отделения от них жидкости (конденсата) в предыдущейступени.
При достаточно большом числе ступеней таким путем можно получитьжидкую или паровую фазу с достаточно высокой концентрацией компонента, которымона обогащается. Однако выход этой фазы будет мал по отношению к ее количествув исходной смеси. Кроме того, описанные установки отличаются громоздкостью ибольшими потерями тепла в окружающую среду.
Значительно более экономичное, полное и четкое разделение смесейна компоненты достигается в процессах ректификации, проводимых обычно в болеекомпактных аппаратах – ректификационных колоннах.
Процесс ректификации осуществляется путем многократного контактамежду неравновесными жидкой и паровой фазами, движущимися относительно другдруга.
При взаимодействии фаз между ними происходит массо- и теплообмен,обусловленные стремлением системы к состоянию равновесия. В результате каждогоконтакта компоненты перераспределяются между фазами: пар несколько обогащаетсянизкокипящим компонентом, а жидкость – высококипящим компонентом. Многократноеконтактирование приводит к практически полному разделению исходной смеси.
Таким образом, отсутствие равновесия (и соответственно наличиеразности температур фаз) при движении фаз с определенной относительной скоростьюи многократном их контактировании являются необходимыми условиями проведенияректификации.
Рассмотрим смесь, состоящую из двух компонентов А и В. Характерповедения жидкой смеси зависит главным образом от природы составляющих еевеществ и давления.
Для идеальных растворов характерно то, что сила взаимодействиямежду всеми молекулами (одноименными и разноименными) равна. При этом общаясила, с которой молекула удерживается в смеси, не зависит от состава смеси.Очевидно, что парциальное давление в этом случае должно зависеть лишь от числамолекул, достигающих в единицу времени поверхности жидкости со скоростью,необходимой для преодоления сил внутреннего притяжения молекул, т. е. приданной температуре давление соответствующего компонента возрастает пропорциональноего содержанию в жидкой смеси (закон Рауля):
рА = РАхА (1.1)
рВ= РВ(1–хА) (1.2)
По степени растворимости компонентов смеси жидкости подразделяютна взаиморастворимые в любых соотношениях, частично растворимые и практическивзаимонерастворимые. В свою очередь смеси со взаиморастворимыми компонентами влюбых соотношениях делятся на:
идеальныерастворы, которые подчиняются закону Рауля;
нормальныерастворы – жидкие смеси, частично отклоняющиеся от закона Рауля, но необразующие смесей: с постоянной температурой кипения (азеотропов);
неидеальныерастворы– жидкости со значительными отклонениями от закона Рауля, втом числе смеси с постоянной температурой кипения (азеотропы).
Смесь двух жидкостей, взаиморастворимых в любых соотношениях,представляет собой систему, состоящую из двух фаз и двух компонентов, и поправилу фаз имеет две степени свободы:
С=К–Ф+2=2–2+2=2 (1.3)
Длятехнических расчетов наиболее важной является диаграмма t–х, у, так какобычно процессы перегонки в промышленных аппаратах протекают при Р=const, т. е. в изобарныхусловиях. На этой диаграмме (см. рис. 1.2) по оси абсцисс отложены концентрациижидкой х и паровой у фаз, отвечающие различным температурам./>
По законуДальтона рА= Рy*A, и тогда
y*A= pA/P=(PA/P)xA, (1.4)
но
Р=pA+pB=PAxA+PB(1–xB)=PB+(PA–PB)xA (1.5)
тогда
xA=(P–PB)/(PA–PB) (1.6)
/>
Рис. 1.2. Диаграмма t–х, у.
По уравнению (1.6) по известным РАи РBпри заданной температуре t1, t2и т.д.находят хA, хBи т.д., а затем по уравнению (1.4)–соответствующие значения у*A1, у*А2ит.д. и по найденным точкам строят линии кипения жидкости (кривая tA A2A1 tB) и конденсации паров (кривая tA B2Bl tB). Уравнение (1.6) устанавливает связьмежду концентрациями (по жидкости) и заданными давлениями (общим Р инасыщенных паров РАи РB). Отрезки А1В1,А2В2и т.д., соединяющие точки равновесныхсоставов жидкой и паровой фаз, являются изотермами.
Точки, лежащие на кривой tA A2 A1tB,,отвечают жидкой фазе, находящейся при температуре кипения. Очевидно, чтолюбая точка, лежащая ниже этой кривой, характеризует систему, состоящую толькоиз жидкой фазы. Аналогично, любая точка, лежащая выше кривой tAB2В1tB, характеризует систему, температура которой вышетемпературы начала конденсации пара, т. е. пары в этой точке являютсяперегретыми, и система состоит только из паровой фазы. Точки, находящиеся междукривыми кипения и конденсации (например, точка С на рис. 1.2), характеризуютсистемы, температуры которых выше температуры кипения жидкости данного составаи ниже температуры конденсации паров этого же состава. Таким образом, эти точкиотвечают равновесным парожидкостным системам.
Для идеальных бинарных систем получено уравнение (1.7), котороеописывает линию равновесия:
у*А=ахА/[1+хА(а–1)], где (1.7)
а=РА/РВ – относительная летучестькомпонента А (иногда а называют коэффициентом разделения).
Для смеси, состоящей из n компонентов, например, А, В, С,D, на основезаконов Рауля и Дальтона имеем:
yA=(РA/Р)хA; yB=(РB/Р)хB; yC=(РC/Р)хC; yD=(РD/Р)хD (1.8)
Поскольку
P=PAxA+PBxB+PCxC+PDxD+…=/> (1.9)
то для любого j-го компонента
yj=PjXj//> (1.10)
Разделив числитель и знаменатель правой части уравнения (1.10) навеличину РА:
yj=аjXj//>, где (1.11)
аA=РА/РВ; ав=РВ/РА; аC=РС/РАи т.д.
Зависимость давления насыщенного пара от температуры хорошоописывается эмпирическим уравнением Антуана:
lnРА=А–В/(Т+C), где (1.12)
А – постоянная, не зависящая от температуры;
В и С – константы, определяемые по справочникам;
T – абсолютная температура.
Уравнение (1.12) описывает температурную зависимость давленийпаров в интервале температур до нескольких десятков градусов и при давлениях,не слишком близких к критическим.
Реальные жидкие смеси могут значительно отклоняться от законаРауля. Если зависимость полного давления (или сумма парциальных давлений) паровот состава жидкой смеси проходит выше линий, характеризующих те же зависимостидля идеальных смесей (см. рис. 1.3), то такое отклонение называютположительным, если ниже – отрицательным отклонением от закона Рауля. Этиотклонения определяются изменением активности молекул в растворе, диссоциацией,гидратацией и др. Степень отклонения реальной системы от закона Рауля выражаютвеличиной коэффициента активности />:
pA=PAxA/> (1.13)
Для смесей с положительным отклонением от закона Рауля/>>1; для смесей сотрицательным отклонением – /> часто затруднительно,поэтому диаграммы P–х обычно строят по экспериментальным (справочным) данным.
/>
Рис. 1.3. Диаграмма P–x для смеси с положительнымотклонением от закона Рауля (пунктиром показаны соответствующие линии дляидеального раствора)./> 1.2.Основные технологические схемы для проведения разрабатываемого процесса
Процессы ректификации осуществляются периодически или непрерывнопри различных давлениях: при атмосферном давлении, под вакуумом (для разделениясмесей высококипящих веществ), а также под давлением больше атмосферного (дляразделения смесей, являющихся газообразными при нормальных температурах)./> 1.2.1 Периодическая ректификация
Периодически действующие ректификационные установки применяют дляразделения жидких смесей в тех случаях, когда использованиенепрерывнодействующих установок нецелесообразно. /> />
Один из возможныхвариантов установки показан на рис. 1.4.
Рис. 1.4. Схема установки для проведения периодической ректификации:
1 – куб;2 – колонна; 3 – дефлегматор; 4 – делитель потоков; 5 – холодильник; 6 –сборники.
Исходную смесь периодически загружают в куб – кипятильник 1, гдедоводят до кипения. Образующиеся пары поднимаются по колонне 2, в которойпроисходит противоточное взаимодействие этих паров с жидкостью (флегмой),поступающей из дефлегматора 3. Часть конденсата после делителя потокавозвращается в колонну в виде флегмы, другая часть – дистиллят Р – черезхолодильник 5собирается в сборниках 6,7 в виде отдельных фракций.Процесс ректификации заканчивают обычно после того, как будет достигнут заданный средний состав дистиллята./> 1.2.2 Непрерывная ректификация
Рассмотрим, как реализуются указанные выше условия вректификационных колоннах непрерывного действия (см. рис. 1.5), которыенаиболее широко применяются в промышленности.
/>
Рис. 1.5. Схема непрерывнодействующей ректификационной установки:
1 – ректификационная колонна (а – укрепляющая часть, б –исчерпывающая часть); 2 – кипятильник; 3 – дефлегматор; 4 –делитель флегмы; 5 – подогреватель исходной смеси; 6 –холодильник дистиллята (или холодильник–конденсатор); 7 – холодильник остатка(или нижнего продукта); 8,9 – сборники; 10 – насосы.
Ректификационная колонна 1 имеет цилиндрический корпус, внутрикоторого установлены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Снизувверх по колонне движутся пары, поступающие в нижнюю часть аппарата изкипятильника 2, который находится вне колонны, т.е. является выносным,либо размещается непосредственно под колонной. Следовательно, с помощьюкипятильника создается восходящий поток пара. Пары проходят через слой жидкостина нижней тарелке, которую будем считать первой, ведя нумерацию тарелок условноснизу вверх.
Пусть концентрация жидкости на первой тарелке равна х1(по низкокипящему компоненту), а ее температура t1. В результатевзаимодействия между жидкостью и паром, имеющим более высокую температуру,жидкость частично испаряется, причем в пар переходит преимущественнонизкокипящий компонент. Поэтому на следующую (вторую) тарелку поступает пар ссодержанием низкокипящего компонента у1>х1.
Испарение жидкости на тарелке происходит за счет тепла конденсациипара. Из пара конденсируется и переходит в жидкость преимущественновысококипящий компонент, содержание которого в поступающем на тарелку паре вышеравновесного с составом жидкости на тарелке. При равенстве теплот испарениякомпонентов бинарной смеси для испарения 1 мольнизкокипящего компонентанеобходимо сконденсировать 1 моль высококипящего компонента, т.е. фазы натарелке обмениваются эквимолекулярными количествами компонентов.
На второй тарелке жидкость имеет состав x2, содержитбольше низкокипящего компонента, чем на первой (х2>x1),и соответственно кипит при более низкой температуре (t21частично конденсируется, обогащаетсянизкокипящим компонентом и удаляется на вышерасположенную тарелку, имея состав y2>x2, и т. д.
Таким образом, пар, представляющий собой на выходе из кипятильникапочти чистый высококипящий компонент, по мере движения вверх все болееобогащается низкокипящим компонентом и покидает верхнюю тарелку колонны в видепочти чистого низкокипящего компонента, который практически полностью переходитв паровую фазу на пути пара от кипятильника до верха колонны.
Пары конденсируются в дефлегматоре 3, охлаждаемом водой, иполучаемая жидкость разделяется в делителе 4 на дистиллят и флегму,которая направляется на верхнюю тарелку колонны. Следовательно, с помощью –дефлегматора в колонне создается нисходящий поток жидкости.
Жидкость, поступающая на орошение колонны (флегма), представляетсобой почти чистый низкокипящий компонент. Однако, стекая по колонне ивзаимодействуя с паром, жидкость все более обогащается высококипящимкомпонентом, конденсирующимся из пара. Когда жидкость достигает нижней тарелки,она становится практически чистым высококипящим компонентом и поступает вкипятильник, обогреваемый глухим паром, или другим теплоносителем.
На некотором расстоянии от верха колонны к жидкости издефлегматора присоединяется исходная смесь, которая поступает на так называемуюпитающую тарелку колонны. Для того чтобы уменьшить тепловую нагрузкукипятильника, исходную смесь обычно предварительно нагревают в подогревателе 5до температуры кипения жидкости на питающей тарелке. Питающая тарелка как быделит колонну на две части, имеющие различное назначение. В верхней части 1а(от питающей до верхней тарелки) должно быть обеспечено, возможно, большееукрепление паров, т. е. обогащение их низкокипящим компонентом с тем, чтобы вдефлегматор направлялись пары, близкие по составу к чистому низкокипящемукомпоненту. Поэтому данная часть колонны называется укрепляющей. В нижней части1б(от питающей до нижней тарелки) необходимо в максимальной степениудалить из жидкости низкокипящий компонент, т.е. исчерпать жидкость для того,чтобы в кипятильник стекала жидкость, близкая по составу к чистомувысококипящему компоненту. Соответственно эта часть колонны называетсяисчерпывающей. В дефлегматоре 3 могут быть сконденсированы либо всепары, поступающие из колонны, либо только часть их соответствующая количествувозвращаемой в колонну флегмы. В первом случае часть конденсата, остающаясяпосле отделения флегмы, представляет собой дистиллят (ректификат), или верхнийпродукт, который после охлаждения в холодильнике 6 направляется всборник дистиллята 9. Во втором случае несконденсированные в дефлегматоре парыодновременно конденсируются и охлаждаются в холодильнике 6, который притаком варианте работы служит конденсатором-холодильником дистиллята. Жидкость,выходящая из низа колонны также делится на две части. Одна часть направляется вкипятильник, а другая – остаток (нижний продукт) после охлаждения водой вхолодильнике 7 направляется в сборник 8. Преимущества непрерывной ректификации по сравнению спериодической: условия работы установки не изменяются в ходе процесса, чтопозволяет установить точный режим, упрощает обслуживание и облегчаетавтоматизацию процесса; отсутствуют простои между операциями, что приводят кповышению производительности установки; расход тепла меньше, причем возможноиспользование тепла остатка на подогрев исходной смеси в теплообменнике.
Благодаря перечисленнымпреимуществам в производствах крупного масштаба применяют главным образомнепрерывную ректификацию, периодические процессы ректификации находятприменение лишь в небольших, неравномерно работающих производствах./> 1.2.3 Экстрактивная и азеотропная ректификация
Экстрактивнуюректификацию используют обычно для разделения смесей близкокипящих компонентов,характеризующихся низкой относительной летучестью. Разделение таких смесейприходится проводить в колоннах с очень большим числом теоретических тарелок ивысоким расходом пара из–за необходимости поддерживать большое флегмовое число.Схема установки для проведения экстрактивнойректификации представлена на рис.1.6.
/>
Рис. 1.6. Схема установки для экстрактивной ректификации бинарной смеси:
1 – колонна для экстрактивной ректификации; 2 – колонна дляразделения продукта В и экстрагирующего компонента С; 3 – насосы;4 – кипятильники; 5 – конденсаторы.
Исходную смесь, состоящую из компонентов А и В, подаютна тарелку питания колонны 1 для экстрактивной ректификации. Несколько вышетарелки питания вводят разделяющий агент С. Низкокипящий компонентотбирают в виде дистиллята, а смесь высококипящего компонента В иразделяющего компонента С из нижней части колонны 1 направляют наразделение в колонну 2. Разделяющий компонент, отбираемый в видекубового остатка, возвращают на орошение колонны 1.
При азеотропной ректификации (см. рис. 1.7) исходную азеотропнуюсмесь подают на тарелку питания колонны, которая орошается, сверху разделяющимагентом С. Расход разделяющего агента в основном зависит от составаисходной смеси. Так, при азеотропной ректификации расход разделяющегокомпонента увеличивается с повышением в исходной смеси концентрации техкомпонентов, которые отбираются в дистиллят. При экстрактивной ректификации,наоборот, расход разделяющего компонента возрастает при увеличении в исходнойсмеси концентрации компонентов, отбираемых в виде кубового остатка.
/>
Рис. 1.7. Схема установки для азеотропной ректификации: 1– колонна;2 – конденсатор; 3 – отстойник; 4 – кипятильник
Наиболее сложной задачей при использовании методов экстрактивной иазеотропной ректификации является выбор разделяющего компонента, который долженудовлетворять следующим требованиям:
1)обеспечивать, возможно, большее повышение коэффициентаотносительной летучести разделяемых компонентов;
2)достаточно легко регенерировать;
3)хорошо растворять разделяемые компоненты для предотвращениярасслаивания жидкой фазы при температурных условиях в колонне;
4)быть безопасным в обращении, доступным, дешевым, термическистабильным. Обычно при выборе разделяющего агента основываются на справочныхданных.
Методы азеотропной и экстрактивной ректификации находят широкоеприменение для разделения близкокипящих углеводородов нефти и сжиженныхприродных газов, жидких смесей в производстве жирных кислот, получениябезводного этилового спирта и др./> 1.3. Типовое оборудование для проектируемой установки
Для проведения процессов ректификации применяются аппаратыразнообразных конструкций, основные типы которых не отличаются отсоответствующих типов абсорберов.
В ректификационных установках используют главным образом аппаратыдвух типов: насадочные и тарельчатые ректификационные колонны. Кроме того, дляректификации под вакуумом применяют пленочные и роторные колонны различныхконструкций.
Насадочные, барботажные, а также некоторые пленочные колонны поконструкции внутренних устройств (тарелок, насадочных тел и т. д.) аналогичныабсорбционным колоннам. Однако в отличие от абсорберов ректификационные колонныснабжены теплообменными устройствами – кипятильником (кубом) и дефлегматором.Кроме того, для уменьшения потерь тепла в окружающую среду ректификационныеаппараты покрывают тепловой изоляцией.
Кипятильник или куб, предназначен для превращения в пар частижидкости, стекающей из колонны, и подвода пара в ее нижнюю часть (под насадкуили нижнюю тарелку). Кипятильники имеют поверхность нагрева в виде змеевика илипредставляют собой кожухотрубчатый теплообменник, встроенный в нижнюю частьколонны (см. рис. 1.8). Более удобны для ремонта и замены выносныекипятильники, которые устанавливают ниже колонны с тем, чтобы обеспечитьестественную циркуляцию жидкости.
/>
Рис. 1.8. Варианты установки дефлегматоров: а – на колонне; б–ниже верха колонны; 1 – дефлегматоры; 2 – колонны; 3 – насос.
В периодически действующих колоннах куб является не толькоиспарителем, но и емкостью для исходной смеси. Поэтому объем куба должен быть в1,3–1,6 раза больше его единовременной загрузки (на одну операцию). Обогревкипятильников наиболее часто производится водяным насыщенным паром.
Дефлегматор, предназначенный для конденсации паров и подачиорошения (флегмы) в колонну, представляет собой кожухотрубчатый теплообменник,в межтрубном пространстве которого обычно конденсируются пары, а в трубахдвижется охлаждающий агент (вода). Однако вопрос о направлении конденсирующихсяпаров и охлаждающего агента внутрь или снаружи труб следует решать в каждомконкретном случае, учитывая желательность повышения коэффициента теплопередачии удобство очистки поверхности теплообмена.
В случае частичной конденсации паров в дефлегматоре егорасполагают непосредственно над колонной, чтобы обеспечить большую компактностьустановки, либо вне колонны. При этом конденсат (флегму) из нижней частидефлегматора 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 устанавливаютвыше колонны, непосредственно на колонне или ниже верха колонны для того, чтобыуменьшить общую высоту установки. В последнем случае флегму из дефлегматора 1подают в колонну 2 насосом. Такое размещение дефлегматора частоприменяют при установке ректификационных колонн вне зданий, что болееэкономично в условиях умеренного климата./> 1.3.1 Барботажные колонны
Барботажные колонны применимы для больших производительностей,широкого диапазона изменений нагрузок по пару и жидкости и могут обеспечитьвесьма четкое разделение смесей. Недостаток барботажных аппаратов –относительно высокое гидравлическое сопротивление – в условиях ректификации неимеет такого существенного значения. При ректификации повышение гидравлическогосопротивления приводит лишь к некоторому увеличению давления и соответственно кповышению температуры кипения жидкости в кипятильнике колонны. Однако тот женедостаток (значительное гидравлическое сопротивление) сохраняет свое значениедля процессов ректификации под вакуумом./> 1.3.2 Насадочные колонны
В этих колоннах (см. рис. 1.9) используются насадки различныхтипов, но в промышленности наиболее распространены колонны с насадкой из колецРашига. Меньшее гидравлическое сопротивление насадочных колонн по сравнению сбарботажными особенно важно при ректификации под вакуумом. Даже призначительном вакууме в верхней части колонны вследствие большогогидравлического сопротивления ее разрежение в кипятильнике может оказаться недостаточнымдля требуемого снижения температуры кипения исходной смеси.
Для уменьшения гидравлического сопротивления вакуумных колонн вних применяют насадки с возможно большим свободным объемом.
В самой ректификационной колонне не требуется отводить тепло, какв абсорберах. Поэтому трудность отвода тепла из насадочных колонн являетсяскорее достоинством, чем недостатком насадочных колонн в условиях процессаректификации.
Однако и при ректификации следует считаться с тем, что равномерноераспределение жидкости по насадке в колоннах большого диаметра затруднено. Всвязи с этим диаметр промышленных насадочных ректификационных колонн обычно непревышает 0,8–1 м.
В насадочных колоннах поверхностью контакта фаз является смоченнаяповерхность насадки. Поэтому насадка должна иметь, возможно, большуюповерхность в единице объема. Вместе с тем для того, чтобы насадка работалаэффективно, она должна удовлетворять следующим требованиям:
1)хорошо смачиваться орошающей жидкостью, т.е. материал насадки поотношению к орошающей жидкости должен быть лиофильным;
2)оказывать малое гидравлическое сопротивление газовому потоку,т.е. иметь, возможно, большее значение свободного объема или сечения насадки;
3)создавать возможность для высоких нагрузок аппарата по жидкостии газу;
4)иметь малую плотность;
5)равномерно распределять орошающую жидкость;
6)быть стойкой к агрессивным средам;
7)обладать высокой механической прочностью;
8)иметь невысокую стоимость.
/>
Рис. 1.9. Насадочная ректификационная колонна с кипятильником: 1 –корпус; 2 – насадка; 3 – опорная решетка; 4 – перераспределитель флегмы; 5 –патрубок для слива кубового остатка; 6 – кипятильник; 7 – ороситель.
Очевидно, что насадок, которые бы полностью удовлетворяли всемуказанным требованиям, не существует, так как соответствие одним требованиямнарушает соответствие другим (например, увеличение удельной поверхности а насадкивлечет за собой повышение гидравлического сопротивления, а также снижение предельнодопустимых скоростей газа и т.д.).
Поэтому в промышленности используют большое число разнообразных поформе и размерам насадок, изготовленных из различных материалов (металла,керамики, пластических масс и др.), которые удовлетворяют основным требованиямпри проведении того или иного процесса ректификации./>1.3.3Пленочные аппараты
Эти аппараты применяются для ректификации под вакуумом смесей,обладающих малой термической стойкостью при нагревании (например, различныемономеры и полимеры, а также другие продукты органического синтеза).
В ректификационных аппаратах пленочного типа достигается низкоегидравлическое сопротивление. Кроме того, задержка жидкости в единице объемаработающего аппарата мала.
К числу пленочных ректификационных аппаратов относятся колонны срегулярной насадкой в виде пакетов вертикальных трубок диаметром 6–20 мм (многотрубчатыеколонны), а также пакетов плоскопараллельной или сотовой насадки с каналамиразличной формы, изготовленной из перфорированных металлических листов илиметаллической сетки. Одна из распространенных конструкций роторно–пленочныхколонн показана на рис. 1.10.
/>
Рис.1.10. Схема роторно–пленочнойректификационной колонны:
1 – колонна; 2 – рубашка для обогрева; 3 – ротор; 4 – роторныйиспаритель; 5 – конденсатор–дефлегматор; 6 – штуцер для ввода исходной смеси; 7– штуцер для ввода флегмы; 8 – штуцер для ввода пара; 9 – штуцер для выводаостатка.
Недостатки роторных колонн: ограниченность их высоты и диаметра(из–за сложности изготовления и требований, предъявляемых к прочности ижесткости ротора), а также высокие эксплуатационные расходы.
В случае загрязненных сред целесообразно применять регулярныенасадки, в том числе при работе под повышенным давлением. Для этих сред можноиспользовать также так называемые колонны с плавающейнасадкой. Вкачестве насадки в таких колоннах обычно применяют легкие полые шары изпластмассы, которые при достаточно высоких скоростях газа переходят вовзвешенное состояние. Вследствие их интенсивного взаимодействия такая насадкапрактически не загрязняется.
В колоннах с плавающей насадкой возможно создание более высокихскоростей, чем в колоннах с неподвижной насадкой. При этом увеличение скоростигаза приводит к расширению слоя шаров, что способствует снижению скорости газав слое насадки. Поэтому существенное увеличение скорости газового потока втаких аппаратах (до 3–5 м/с) не приводит к значительному возрастанию ихгидравлического сопротивления./> 1.3.4 Центробежные ректификаторы
Для интенсификациимассообмена и повышения эффективности разделения были предложены аппараты,работающие на принципе использования центробежной силы (колонны с вращающейсятрубой, горизонтальные аппараты с вращающимся спиралевидным ротором).
Центробежный пленочныйректификационный аппарат состоит из неподвижного кожуха, в котором вращается сбольшой скоростью ротор, состоящий из спиральной металлической ленты,ограниченной изнутри и снаружи сетчатыми цилиндрами. Начальная смесь движетсяпо стенкам спирали в виде тонкой пленки от центра к периферии. Пар движется сбольшой скоростью противотоком к жидкости, и взаимодействие фаз происходит наповерхности плёнки. Интенсивность массообмена определяется сопротивление жидкойи паровой пленок. Поэтому эффективность пленочной ректификации возрастает итурбулизацией потоков пара и жидкости.
Несмотря на сложностьустройства, центробежные ректификационные аппараты могут быть успешно примененыпри разделении смесей, требующем очень большого числа тарелок.
/>1.4. Тарельчатые колонны
Наиболее распространенными абсорбционными аппаратами являютсятарельчатые колонны. По своему устройству они делятся на колонны с колпачковымитарелками и колонны с ситчатыми тарелками./> 1.4.1 Колпачковые колонны
Эти колонны наиболеераспространены в ректификационных установках. На рис.1.11. схематическиизображена колонна небольшого диаметра, состоящая из тарелок 1, на каждой изкоторых имеется один колпачок 2 круглого сечения и патрубок 3 для прохода пара.Края колпачка погружены в жидкость. Благодаря этому на тарелке создаетсягидравлический затвор, и пар, выходящий из колпачка, должен проходить черезслой жидкости, находящийся на тарелке. Колпачки имеют отверстия или зубчатыепрорези для раздробления пара на мелкие пузырьки, т.е. для увеличения поверхностиего соприкосновения с жидкостью.
Приток и отвод жидкости,а также высоту жидкости на тарелке регулируют при помощи переливных трубок 4,которые расположены на диаметрально противоположных концах тарелки; поэтомужидкость течет на соседних тарелках во взаимно противоположных направлениях.
Схема работы колпачковойтарелки изображена на рис. 1.12. Выходящие через прорези колпачки пузырьки парасливаются в струйки, которые проходят через слой жидкости, находящейся натарелке, и над жидкостью образуется слой пены и брызг, – основная областьмассообмена и теплообмена между паром и жидкостью на тарелке.
При движении струйки параобычно сливаются друг с другом; при этом некоторая часть сечения прорезейобнажается, и образуются каналы, по которым газ проходит из-под колпачка сквозьжидкость. Поэтому поверхность взаимодействия газа с жидкостью непосредственно взоне барботажа невелика. Основная зона фазового контакта находится в областипены и брызг над жидкостью, которые образуются вследствие распыления пара в жидкостии уноса брызг при трении пара о жидкость.
/>
Рис. 1.11. Схема устройства тарельчатой (колпачковой) колонны: 1 –тарелка; 2 – колпачок; 3 – паровой патрубок; 4 – переливная трубка.
/>
Рис.1.12. Схема работы колпачковойтарелки./> 1.4.2 Ситчатые колонны
Колонны этого типа (см.рис. 1.13) состоят из вертикального цилиндрического корпуса 1 с горизонтальнымитарелками 2, в которых просверливается значительное число мелких отверстий,равномерно распределенных по всей поверхности тарелки. Для слива жидкости ирегулирования ее уровня на тарелке служат переливные трубки 3. Нижние концытрубок 3 погружены в стаканы 4 на лежащих ниже тарелках и образуютгидравлические затворы.
/>
Рис. 1.13. Схема устройства ситчатой колонны: 1 – корпус; 2 – ситчатаятарелка; 3 – переливная трубка; 4 – стакан.
Пар проходит черезотверстия тарелки (см. рис. 1.14) и распределяется в жидкости в виде мелкихструек; лишь на некотором расстоянии от дна тарелки образуется слой пены ибрызг – основная область массообмена и теплообмена на тарелке.
/>
Рис. 1.14. Схема работы ситчатойтарелки.
В определенном диапазоненагрузок ситчатые тарелки обладают большим к.п.д., чем колпачковые. Однакодопустимые нагрузки по жидкости и пару для ситчатых колонн относительноневелики. При слишком малой скорости пара (около 0,1 м/сек) происходит просачиваниежидкости через отверстия тарелки и в связи с этим резкое падение к.п.д.тарелки.
Давление и скорость пара,проходящего через отверстия сетки, должны быть достаточными для преодолениядавления слоя жидкости на тарелке и должны препятствовать ее стекания черезотверстия.
Проскок жидкости уситчатых тарелок возрастает с увеличением диаметра тарелки и отклонением ее отстрого горизонтального положения. Поэтому диаметр и число отверстий следуетподбирать так, чтобы жидкость удерживалась на тарелках и не увлекаласьмеханически паром. Обычно диаметр отверстий ситчатых тарелок принимают равным0,8 – 3 мм.
Ситчатые колонныэффективно работают только при определенных скоростях ректификации, ирегулирование режима их работы затруднительно. Кроме того, ситчатые тарелкитребуют весьма тщательной горизонтальной установки, так как иначе пары будутпроходить через часть поверхности сетки, не соприкасаясь с жидкостью.
Ситчатые тарелки уступаютколпачковым по допустимому верхнему пределу нагрузки; при значительных нагрузкахпотеря напора в них больше, чем у колпачковых.
При внезапном прекращенииподвода пара или значительном снижении его давления тарелки ситчатой колонныполностью опоражниваются от жидкости, и требуется заново запускать колонну длядостижения заданного режима ректификации.
Очистка, промывка иремонт ситчатых тарелок производятся относительно удобно и легко.
Чувствительность кколебаниям нагрузки, а также загрязнениям и осадкам, которые образуются приперегонке кристаллизующихся веществ и быстро забивают отверстия тарелки,ограничивают область использования ситчатых колонн; их применяют, главнымобразом, при ректификации спирта и жидкого воздуха (кислородные установки).
Для повышения к.п.д. вситчатых тарелках (как и в колпачковых) создают более длительный контакт междужидкостью и паром.