Классификация и выбор ректификационных установок и вспомогательного оборудования

Введение

 

Ректификация – разделение жидких однородных смесей на составляющие вещества или группы составляющих веществ  в результате взаимодействия паровой  смеси и жидкой смеси. Это массообменный  процесс, который осуществляется в  большинстве случаев в противоточных  колонных аппаратах с контактными  элементами (насадки, тарелки), аналогичными используемыми в процессе абсорбции.

 

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 рассмотрена на примере разделения двухкомпонентной смеси по заданию  на курсовую работу, где требуется  рассчитать ректификационную установку  для разделения смеси «этиловый  спирт-вода».

 

Ректификационная установка  даёт наиболее полное разделение смесей жидкостей, целиком или частично растворимых друг в друге. Процесс  заключается в многократном взаимодействии паров с жидкостью – флегмой, полученной при частичной конденсации  паров. В ректификационном аппарате снизу вверх движутся пары, а сверху подается жидкость, представляющая собой  почти чистый НКК. При соприкосновении поднимающихся паров со стекающей жидкостью происходит частичная конденсация паров и частичное испарение жидкости. При этом из паров конденсируется преимущественно ВКК, а из жидкости испаряется преимущественно НКК. Таким образом, стекающая жидкость обогащается ВКК, а поднимающиеся пары обогащаются НКК, в результате чего выходящие из аппарата пары представляют собой почти чистый НКК. Эти пары поступают в конденсатор, называемый дефлегматором, и конденсируются. Часть конденсата, возвращаемая на орошение аппарата, называется флегмой, другая часть отводится в качестве дистиллята.

 

Как и во всех массобменных процессах эффективность ректификации зависит от поверхности контакта фаз. Для увеличения поверхности массобмена используют различные контактные устройства насадочного или барботажного типа. Наиболее распространенными ректификационными установками являются барботажные колонны с различными типами тарелок: колпачковыми, ситчатыми, провальными и т.п. Наиболее универсальны колонны с колпачковыми тарелками, но при разделении незагрязненных жидкостей в установках с постоянной нагрузкой, хорошо зарекомендовали себя аппараты с ситчатыми тарелками, отличающимися простотой конструкции и легкостью в обслуживании.

 

В данной курсовой работе рассмотрены  основы процесса ректификации, классификация  ректификационных колонн по конструкции  внутреннего устройства, по периодичности  действия и по способу организации  движения потоков контактирующих фаз. Кроме того, представлены основные требования по выбору того или иного  типа колонны. Согласно заданию на курсовую работу, в котором указаны компоненты бинарной смеси: этанол-вода, выбрана  колонна с ситчатыми тарелками, и проведен её расчет по исходным данным, указанным в задании. Выполнен материальный и тепловой балансы, определены основные размеры аппарата и подобраны нормализованные конструктивные элементы.

 

 

1 Теоретические основы  процесса ректификации и описание  технологической схемы

 

 

 

1.1 Теоретические основы  процесса ректификации

 

Во многих химических производствах  необходимо производить выделение  чистых веществ из смесей жидкостей. Одним из наиболее распространенных методов разделения смесей является ректификация. Этот метод основан  на различии в температурах кипения, а, следовательно, и в летучести  компонентов смеси. Если летучесть  компонентов различна, то состав пара над жидкостью отличается от состава  жидкой смеси бóльшим содержанием низкокипящего (легколетучего) компонента – НКК. Вследствие этого при противоточном контакте жидкой смеси с парами, который осуществляется при ректификации в результате массообмена, пары будут обогащаться НКК, а жидкость – высококипящим (труднолетучим) компонентом – ВКК.

 

В конечном итоге пары будут  представлять собой более или  менее чистый НКК, а жидкость – ВКК.

 

Процесс ректификации осуществляется преимущественно в тарельчатых  или насадочных колонных аппаратах  периодическим или непрерывным  способом. На ректификацию поступает  исходная жидкая смесь, содержание в  которой НК составляет хf. В процессе ректификации смесь разделяется на две части: часть, обогащенную НКК – дистиллат и часть, обогащенную ВКК – кубовый остаток. Обозначим в долях НКК состав дистиллата – хр , а кубового остатка – хw .Исходная смесь подается в ту часть колонны, где жидкость имеет состав хf . Стекая вниз по колонне, она взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике. Пар имеет начальный состав, примерно равный составу кубового остатка хw, т.е. является обедненным НКК. В результате массообмена происходит переход НКК из жидкости в пар, а ВКК – из пара в жидкость.

 

В точке ввода исходной смеси пар может иметь в  пределе состав, равновесный с  исходной смесью. Для более полного  обогащения пара НКК верхнюю часть  колоны орошают жидкостью состава  хр, которая получается в дефлегматоре путем конденсации пара, выходящего из колонны. Эта часть конденсата называется флегмой. Другая часть конденсата пара выводится из дефлегматора в виде продукта разделения – дистиллата. Жидкость, отводимая из нижней части колонны, называется кубовым остатком. Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный процесс разделения подаваемой в колонну исходной бинарной смеси на дистиллат с высоким содержанием НКК и кубовый остаток, обогащенный ВКК. Если обозначить количество поступающей на ректификацию исходной смеси Gf, количество получаемого дистиллата Gp и количество кубового остатка Gw, то материальный баланс выразится равенством:

 

Gf = Gp + Gw                        (1)

 

Если заданы количество и  состав исходной смеси и составы  продуктов разделения, то для определения  количеств дистиллата и кубового остатка уравнение дополняют уравнением материального баланса для НКК:

 

Gf хf= Gp хp + Gw хw                             (2)

 

Степень разделения – чистота  получаемых при ректификации продуктов  – определяется физико-химическими  свойствами разделяемых веществ, размерами  и конструкцией аппарата, условиями  проведения процесса (гидродинамикой, давлением и пр.).

 

На рис 1 в координатах  состав пара (у) – состав жидкости (х) графически представлена типичная зависимость между равновесными (линия 1) и рабочими (линия 2 и 3) составами фаз для бинарной смеси. Уравнения линий рабочих концентраций для верхней и нижней частей колонны имеют различный вид:

 

·  для верхней части

 

yв = R / (R + 1) x + xp / (R + 1);                        (3)

 

·  для нижней части

 

yн = (R + f) / (R + 1) x – (f – 1) × × xw / (R + 1),                 (4)

 

где f = Gf / Gp – удельное количество поступающей исходной смеси;

 

R = GR / Gp – флегмовое число, представляющее собой отношение количества флегмы, подаваемой на орошение колонны к количеству дистиллата.

 

В уравнениях рабочих линий  составы взаимодействующих фаз  выражаются только в мольных долях  НКК.

 

 

 

 

Рис 1 – Х-Y-диаграмма. Зависимость между равновесными и рабочими составами фаз для смеси этиловый спирт-вода

 

При расчетах процессов ректификации принимаются следующие допущения, мало искажающие фактические условия  протекания процесса, но значительно  упрощающие расчет:

 

1 Разделяемая смесь следует  правилу Трутона, согласно которому отношение мольной теплоты испарения или конденсации к абсолютной температуре кипения для всех жидкостей является приближенно величиной постоянной.

 

Для смеси, состоящей из двух компонентов:

 

rсм / Tсм = r1 / T1 = r2 / T2 - const.                                     (5)

 

 

Отсюда следует, что при  конденсации 1 кмоль ВК в колонне испаряется 1 кмоль НК, т.е. мольное количество паров, поднимающихся по колонне постоянно.

 

2 Принимается, что Yp = xp , a Yw = xw , т.е. пренебрегается укрепляющим действием дефлегматора в процессе конденсации в нем паров и пренебрегается исчерпывающим действием кипятильника.

 

3 Теплоты смешения компонентов  разделяемой смеси равны нулю.

 

Кроме того, в расчетах исходят  из того, что смесь, подлежащая разделению, поступает в колонну нагретой до температуры кипения на питающей тарелке. В этом случае точка пересечения рабочих линий низа и верха колонны лежит на ординате x = хf .

 

Следует отметить, что питание  колонны исходной смесью может осуществляться в виде пара и в виде жидкости с температурой ниже

 

температуры кипения смеси. Из анализа уравнений рабочих  линий низа и верха колонны  с учетом сделанных допущений  следует, что рабочая линия верхней  части колонны пересекает диагональ  в точке А (при этом x = хр), а нижней – в точке В (x = хw). Между собой эти линии пересекаются в точке С, где x = хf.

 

По высоте точка С располагается между равновесной линией и диагональю и зависит от R, при Rmin точка С находится на равновесной линии, при Rmax – на диагонали.

 

По фазовой диаграмме (рис 1) графическим построением может  быть найдено число теоретических  ступеней изменения концентраций или  число "теоретических тарелок". За "теоретическую тарелку" принимается  такая условная тарелка, на которой (рис 1) пар состава у1, взаимодействуя с жидкостью состава х1, изменяет концентрацию до равновесной Y1*.

 

В этом случае число "теоретических  тарелок" определяется построением  ступеней между рабочими и равновесными линиями в пределах от хw до хр.

 

На реальных тарелках в  колонне не достигается равновесного состояния между паром и жидкостью. Поэтому для аналогичного изменения  концентрации требуется большее  число действительных тарелок.

 

Отношение числа "теоретических  тарелок" nт к числу действительных тарелок nд в колонне называют средним коэффициентом полезного действия тарелок (КПД колонны): ηср = nт / nд .

 

Величина КПД как мера интенсивности работы тарелок зависит  от гидродинамических условий на тарелке, физических свойств пара и  жидкости, кривизны равновесной линии. В связи с тем, что все эти  факторы могут изменяться с изменением концентрации, КПД каждой тарелки  η будет отличаться от среднего для  всех тарелок ηср. Величина ηср определяется опытным путем.

 

Проведение процесса ректификации требует затраты тепловой энергии. Тепло, необходимое для испарения  кубовой жидкости, подводится в кипятильник. Обычно подвод тепла осуществляется насыщенным водяным паром, а для  колонн малого диаметра можно использовать электронагрев.

 

Теоретический расход тепла  на проведение процесса определяется из уравнения теплового баланса:

 

Qк = Gp (R + 1) rp + Gp cp tp + Gw cw tw – Gf cf tf ,                 (6)

 

где rp – удельная теплота конденсации паров в дефлегматоре;

 

сf, cp, cw – соответственно, теплоемкости исходной смеси, дистиллата и кубового остатка;

 

tf, tp, tw – температуры кипения исходной смеси, дистиллата и кубовой жидкости, соoтвeтcтвeннo.

 

Теплоемкости и скрытая  теплота конденсации смесей рассчитывается по правилу аддитивности. Фактический расход тепла несколько больше рассчитанного по уравнению теплового баланса за счет потерь тепла в окружающую среду.

 

 

1.2 Принцип работы ректификационного  аппарата

 

Обычно ректификационный аппарат состоит из двух частей: верхней и нижней, каждая из которых  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 НКК.

 

В верхней ступени пар  начального состава соответствующий  составу исходной смеси, взаимодействует  с жидкостью, начальный состав которой  равен составу дистиллята. Вследствие этого пар обогащается НКК  до требуемого предела, а ВКК 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.

 

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.

 

В ректификационном аппарате снизу вверх движутся пары, а сверху подается жидкость, представляющая собой  почти чистый НКК. При соприкосновении поднимающихся паров со стекающей жидкостью происходит частичная конденсация паров и частичное испарение жидкости. При этом из паров конденсируется преимущественно ВКК, а из жидкости испаряется преимущественно НКК. Таким образом, стекающая жидкость обогащается ВКК, а поднимающиеся пары обогащаются НКК, в результате чего выходящие из аппарата пары представляют собой почти чистый НКК. Эти пары поступают в конденсатор, называемый дефлегматором, и конденсируются. Часть конденсата, возвращаемая на орошение аппарата, называется флегмой, другая часть отводится в качестве дистиллята.

 

Как и для всех массобменных процессов эффективность ректификации зависит от поверхности контакта фаз. Для увеличения поверхности массобмена используют различные контактные устройства насадочного или барботажного типа.

 

1.3 Описание технологической  схемы ректификационнй установки

 

Рассмотрим технологическую  схему ректификационной установки (рис 2).

 

Исходная смесь из расходной  емкости РЕ центробежным насосом  подается в подогреватель П, где нагревается до температуры кипения и поступает на питающую тарелку ректификационной колонны РК. Стекая по тарелкам жидкость, попадает в куб, из которого поступает в кипятильник К. Из кипятильника пары жидкости поступают в нижнюю часть колонны и двигаются навстречу исходной смеси, барботируя через нее и обогащаясь низкокипящим компонентом. Выходя из колонны пары, попадают в дефлегматор Д и конденсируются. Дистиллят поступает в разделитель Р, где разделяется на два потока: одна часть в качестве флегмы возвращается в колонну и стекает по тарелкам вниз, обогащаясь при этом высококипящим компонентом, а другая часть поступает в холодильник Х1, охлаждается и попадает в приемную емкость ПЕ2. По мере работы часть жидкости из куба отводится в холодильник Х2 и поступает в приемную емкость ПЕ1 в качестве кубового остатка.