Автор работы: Пользователь скрыл имя, 06 Апреля 2014 в 16:20, курсовая работа
В химической промышленности осуществляются разнообразные процессы, в которых исходные материалы в результате химического взаимодействия претерпевают глубокие превращения, сопровождающиеся изменением агрегатного состояния, внутренней структуры и состава вещества. Наряду с химическими процессами протекают физические и физико-химические процессы. К ним относятся: перемешивание жидкостей и твердых материалов, нагревание и охлаждение веществ, выпаривание растворов, сушка материалов и др.
1 – ёмкость для исходной смеси; 2 – подогреватель; 3 – ректификационная колонна( а-укрепляющая часть, б- исчерпывающая часть); 4 – кипятильник; 5 – дефлегматор; 6 – делитель флегмы; 7 – холодильник; 8 – сборник дистиллята; 9 – сборник кубового остатка;10-холодильник остатка.
Рис. 1.4 Схема ректификационной установки
Следовательно, с помощью кипятильника создается восходящий поток пара. Пары проходят через слой жидкости на нижней тарелке, которую будем считать первой, ведя нумерацию тарелок условно снизу вверх.
Пусть концентрация жидкости на первой тарелке равна х1 (по низкокипящему компоненту), а ее температура t1.
В результате взаимодействия между жидкостью и паром, имеющим более высокую температуру, жидкость частично испаряется, причем в пар переходит преимущественно НК. Поэтому на следующую (вторую) тарелку поступает пар с содержанием НК y1 > x1.
Испарение жидкости на тарелке происходит за счет тепла конденсации пара. Из пара конденсируется и переходит в жидкость преимущественно ВК, содержание которого в поступающем на тарелку паре выше равновесного с составом жидкости на тарелке. При равенстве теплот испарения компонентов бинарной смеси для испарения 1 моль НК необходимо сконденсировать 1 моль ВК, т. е. фазы на тарелке обмениваются эквимолекулярными количествами компонентов.
На второй тарелке жидкость имеет состав х2, содержит больше НК, чем на первой (х2 > х1), и соответственно кипит при более низкой температуре (t2 <t1). Соприкасаясь с ней, пар состава у1 частично конденсируется, обогащается НК и удаляется на вышерасположенную тарелку, имея состав y2> x2 и т. д.
Таким образом, пар, представляющий собой на выходе из кипятильника почти чистый ВК, по мере движения вверх все более обогащается низкокипящим компонентом и покидает верхнюю тарелку колонны в виде почти чистого НК, который практически полностью переходит в паровую фазу на пути пара от кипятильника до верха колонны.
Пары конденсируются в дефлегматоре 5, охлаждаемом водой, и получаемая жидкость разделяется в делителе 6 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), представляет собой почти чистый НК. Однако, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, жидкость все более обогащается ВК, конденсирующимся из пара. Когда жидкость достигает нижней тарелки, она становится практически чистым ВК и поступает в кипятильник, обогреваемый глухим паром или другим теплоносителем.
На некотором расстоянии от верха колонны к жидкости из дефлегматора присоединяется исходная смесь, которая поступает на так называемую питающую тарелку колонны. Для того чтобы уменьшить тепловую нагрузку кипятильника, исходную смесь обычно предварительно нагревают в подогревателе 2 до температуры кипения жидкости на питающей тарелке.
Питающая тарелка как бы делит колонну на две части, имеющие различное назначение. В верхней части 3 а (от питающей до верхней тарелки) должно быть обеспечено, возможно, большее укрепление паров, т. е. обогащение их НК тем, чтобы в дефлегматор направлялись пары, близкие по составу к чистому НК. Поэтому данная часть колонны называется укрепляющей. В нижней части 3б (от питающей до нижней тарелки) необходимо в максимальной степени удалить из жидкости НК, т. е. исчерпать, жидкость, для того чтобы в кипятильник стекала жидкость, близкая по составу к чистому ВК. Соответственно эта часть колонны называется исчерпывающей.
В дефлегматоре 5 могут быть сконденсированы либо все пары, поступающие из колонны, либо только часть их соответствующая количеству возвращаемой в колонну флегмы. В первом случае часть конденсата, остающаяся после отделения флегмы, представляет собой дистиллят (ректификат), или верхний продукт, который после охлаждения в холодильнике 7 направляется в сборник дистиллята 8. Во втором случае несконденсированные в дефлегматоре пары одновременно конденсируются и охлаждаются в холодильнике 7, который при таком варианте работы служит конденсатором-холодильником дистиллята.
Жидкость, выходящая из низа колонны (близкая по составу ВК) также делится на две части. Одна часть, как указывалось, направляется в кипятильник, а другая — остаток (нижний продукт) после охлаждения водой в холодильнике 10 направляется в сборник 9.
В производствах небольшого масштаба используются ректификационные установки периодического действия (рис. 1.5.).
1 — куб; 2 — ректификационная колонна; 3 — дефлегматор; 4 — делитель флегмы; 5 — холодильник; 6 — сборники дистиллята.
Рис. 1.5 Схема периодически действующей ректификационной установки
Исходную смесь загружают в куб 1, снабженный нагревательным устройством. Смесь подогревается до кипения и ее пары поступают под нижнюю тарелку ректификационной колонны 2. Поднимаясь по колонне, пары обогащаются НК, которым обедняется стекающая вниз флегма, поступающая из дефлегматора 3 на верхнюю тарелку колонны. Пары из колонны направляются в дефлегматор 3, где они полностью или частично конденсируются. В случае полной конденсации жидкость разделяется с помощью делителя 4 на флегму и дистиллят. Конечный продукт (дистиллят) охлаждают в холодильнике 5 и направляют в сборники 6.
После того как достигнут заданный состав остатка в кубе (об этом судят по температуре кипения жидкости в нем) остаток сливают, загружают куб исходной смесью и операцию повторяют.
В промышленности часто разделяют не бинарные, а многокомпонентные смеси, ректификация которых является более сложным и менее изученным процессом. В отличие от бинарных смесей—систем, обладающих лишь двумя степенями свободы, многокомпонентная смесь представляет собой систему, число степеней, свободы которой равно числу компонентов, составляющих эту смесь.
Отсюда вытекает сложность анализа и расчета процессов ректификации таких смесей. Если для бинарной смеси известны общее давление перегонки и мольная доля одного из компонентов в дистилляте, то, согласно правилу фаз, этими условиями однозначно определяются состав дистиллята и температура его конденсации.
В случае же разделения многокомпонентной смеси состоящей из n компонентов и имеющей n степеней свободы, при задании указанных выше двух параметров остаются неизвестными еще n — 2 степени свободы.
Поэтому содержание остальных компонентов в дистилляте можно найти только подбором, учитывая, что существует ряд смесей различного состава, которые при данном давлении имеют одинаковую температуру кипения.
Вместе с тем при разделении многокомпонентных смесей усложняется и аппаратурное оформление процесса ректификации. Многокомпонентную смесь нельзя разделить в одной колонне подобно бинарной смеси. В общем случае число колонн для ректификации многокомпонентной смеси должно быть на одну меньше, чем число компонентов, на которые разделяется смесь, т. е. для разделения смеси из n компонентов требуется (n-1) колонна.
На рис. 1.6 в колонне 1 наименее летучий из компонентов (компонент С) отделяют в виде остатка. Другие два компонента (В и А), отводимые в качестве дистиллята, после конденсации поступают в колонну 2, где разделяются на дистиллят (компонент А) и остаток (компонент В менее летучий, чем А). Более экономична подача компонентов А+ В в колонну 2 в парообразном состоянии; при этом в дефлегматоре первой колонны конденсируется только флегма, необходимая для орошения колонны.
По другому варианту (рис.1.7) в колонне 1 отделяют в виде дистиллята наиболее летучий компонент А, а смесь двух других (В+С) подают на разделение в колонну 2. Из этой колонны относительно более летучий компонент В получают в качестве дистиллята, а компонент С является остатком.
Компоненты А и В более летучи, чем компонент С.
Рис. 1.6. Схема установки для ректификации трехкомпонентных смесей
Компонент А более летуч, чем компоненты В и С.
рис. 1.7. Схемы установок для ректификации трехкомпонентных смесей
Разделение компонентов с близкими температурами кипения, относительные летучести α которых близки к единице, сопряжено со значительными трудностями. При работе с такими смесями линия равновесия настолько сближается с диагональю диаграммы у — х, что для их разделения требуется очень большое число единиц переноса. Величина α может быть увеличена и разделение облегчено при изменении давления перегонки, обычно путем проведения процесса ректификации под вакуумом.
Предельным случаем близкокипящих смесей являются нераздельно кипящие, или азеотропные, смеси, для которых α=1. Чтобы разделить эти смеси, нужно значительно изменять давление, что связано с усложнением и удорожанием установки. Относительно дорогим способом разделения азеотропных смесей является также молекулярная дистилляция .
В ряде случаев более эффективны такие методы разделения азеотропных смесей, которые основаны на введении в разделяемую смесь добавочного компонента, так называемого разделяющего агента, обладающего избирательным действием. При его добавлении летучесть и коэффициент активности для низкокипящего компонента возрастают значительно больше, чем для высококипящего, что и облегчает разделение смеси. Применяя различные разделяющие агенты и подбирая их концентрацию, можно изменять в широких пределах относительные летучести компонентов исходной смеси и соответственно распределение ее компонентов между жидкостью и паром.
Проведение процессов ректификации в присутствии разделяющих агентов является общим признаком методов экстрактивной и азеотропной ректификации. Вместе с тем эти методы существенно отличаются друг от друга. При азеотропной ректификации разделяющий агент образовывает азеотропную смесь с одним или несколькими компонентами исходной смеси, в виде которой он отгоняется из ректификационной колонны в качестве дистиллята. При экстрактивной ректификации разделяющий агент должен обладать значительно меньшей относительной летучестью, чем компоненты исходной смеси, и не образовывать с ними азеотропных смесей. Он отводится из колонны с кубовым остатком.
Барботажные колонны в процессах ректификации наиболее широко, распространены. Они применимы для больших производителей, широкого диапазона изменений нагрузок по пару и жидкости и могут обеспечить весьма четкое разделение смесей. Недостаток – относительно высокое гидравлическое сопротивление в условиях ректификации не имеет такого существенного значения, как в процессах абсорбции, где величина Р связана со значительными затратами энергии на перемещение газа через аппарат.
При ректификации повышение гидравлического сопротивления приводит лишь к некоторому увеличению давления и соответственно к повышению температуры кипения жидкости в кипятильнике колонны. Однако тот же недостаток (значительное гидравлическое сопротивление) сохраняет свое значение для процессов ректификации под вакуумом.
К барботажным колоннам относятся тарельчатые колонны со сливными устройствами. В этих колоннах перелив жидкости с тарелки на тарелку осуществляется при помощи специальных устройств — сливных трубок, карманов и т. п. Нижние концы трубок погружены в стакан на нижерасположенных тарелках и образуют гидравлические затворы, исключающие возможность прохождения газа через сливное устройство.
Принцип работы колонн такого типа виден из рис. 1.8, где в качестве примера показан абсорбер с ситчатыми тарелками. Жидкость поступает на верхнюю тарелку 1, сливается с тарелки на тарелку через переливные устройства 2 и удаляется из нижней части колонны. Газ поступает в нижнюю часть аппарата, проходит последовательно сквозь отверстия или колпачки каждой тарелки. При этом газ распределяется в виде пузырьков и струй в слое жидкости на тарелке, образуя на ней слой пены, являющийся основной областью массообмена и теплообмена на тарелке. Отработанный газ удаляется сверху колонны.
К тарелкам со сливными устройствами относятся: ситчатые, колпачковые, клапанные и балластные, пластинчатые и др.
Ситчатые тарелки. Колонка с ситчатыми тарелками (рис. 1.9) представляет собой вертикальный цилиндрический корпус 1 с горизонтальными тарелками 2, в которых равномерно по всей поверхности просверлено значительное число отверстий диаметром 1—5 мм. Для слива жидкости и регулирования ее уровня на тарелке служат переливные трубки 3, нижние концы которых погружены в стаканы 4.
1–тарелка, 2–сливные устройства.
Рис. 1.8. Тарельчатая колонна со сливными устройствами.
Ситчатые тарелки устойчиво работают в довольно широком интервале скоростей газа, причем в определенном диапазоне нагрузок по газу и жидкости эти тарелки обладают высокой эффективностью. Вместе с тем ситчатые тарелки чувствительны к загрязнениям и осадкам, которые забивают отверстия тарелок. В случае внезапного прекращения поступления газа или значительного снижения его давления с ситчатых тарелок сливается вся жидкость, и для возобновления процесса требуется вновь запускать колонну.
а б
а–схема устройства колонны, б–схема работы тарелки, 1–корпус, 2–тарелка, 3–переливная труба, 4–стакан.