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.
Рис. 1.9. Колонна с ситчатыми тарелками
Колонны с колпачковыми тарелками менее чувствительны к загрязнениям, чем колонны с ситчатыми тарелками, и отличаются более высоким интервалом устойчивой работы (рис. 1.10). Газ на тарелку 1 поступает по патрубкам 2, разбиваясь затем прорезями колпачка 3 на большое число отдельных струй. Прорези колпачков наиболее часто выполняются в виде зубцов треугольной или прямоугольной формы. Далее газ проходит через слой жидкости, перетекающей по тарелке от одного сливного устройства 4 к другому. При движении через слой значительная часть мелких струй распадается, и газ распределяется в жидкости в виде пузырьков. Интенсивность образования пены и брызг на колпачковых тарелках зависит от скорости движения газа и глубины погружения колпачка в жидкость.
1–тарелка, 2–газовые патрубки, 3–колпачки, 4–сливные трубы.
Рис. 1.10. Схема работы колпачковой тарелки.
Клапанные и балластные тарелки (рис. 1.11). Эти тарелки получают за последнее время все более широкое распространение, особенно для работы в условиях значительно меняющихся скоростей газа.
Принцип действия клапанных тарелок состоит в том, что свободно лежащий над отверстием в тарелке круглый клапан 1 с изменением расхода газа своим весом автоматически регулирует величину площади зазора между клапаном и плоскостью тарелки для прохода газа и тем самым поддерживает постоянной скорость газа при его истечении в барботажный слой. При этом с увеличением скорости газа в колонне гидравлическое сопротивление клапанной тарелки увеличивается незначительно. Высота подъема клапана ограничивается высотой кронштейна-ограничителя 2 и обычно не превышает 8 мм. Пластинчатые клапаны (рис. 1.11) работают так же, как и круглые. Они имеют форму неравнобокого уголка, одна из полок которого (более длинная) закрывает прямоугольное отверстие в тарелке.
Достоинства клапанных и балластных тарелок: сравнительно высокая пропускная способность по газу и гидродинамическая устойчивость, постоянная и высокая эффективность в широком интервале нагрузок по газу. Последнее достоинство является особенностью клапанных и балластных тарелок по сравнению с тарелками других конструкций.
К недостаткам этих тарелок следует отнести их повышенное гидравлическое сопротивление, обусловленное весом клапана или балласта.
Не менее распространёнными колонами являются колонны с тарелками без сливных устройств В тарелке без сливных устройств (рис. 1.12) газ и жидкость проходят через одни и те же отверстия или щели
а, б–с круглыми клапанами, в–пластинчатым клапаном, г – балластная, 1–клапан, 2–кронштейн-ограничитель, 3–балласт.
Рис. 1.11. Клапанные тарелки.
1–колонна, 2–тарелки, 3–распределитель жидкости.
Рис. 1.12. Колонна с тарелками без сливных устройств.
На тарелке одновременно с взаимодействием жидкости и газа путем барботажа происходит сток части жидкости на нижерасположенную тарелку — «прокаливание» жидкости. Поэтому тарелки такого типа обычно называют провальными. К ним относятся дырчатые, решетчатые, трубчатые и волнистые тарелки.
Дырчатые тарелки (рис. 1.13) аналогичны по устройству ситчатым тарелкам и отличаются от последних лишь отсутствием сливных устройств. Диаметр отверстий в этих тарелках равен 4—10 мм, а суммарная площадь сечения всех отверстий по отношению к сечению колонны составляет 10—25 % d.
а б
а — дырчатая; б — решетчатая; 1 — тарелка; 2 — отверстия; 3 — щели.
Рис. 1.13. Провальные тарелки.
Решетчатые тарелки (рис. 1.13,б) имеют отверстия в виде выфрезерованных или выштампованных щелей шириной 3—8 мм.
Дырчатые и решетчатые провальные тарелки отличаются простотой конструкции, низкой стоимостью изготовления и монтажа, сравнительно небольшим гидравлическим сопротивлением.
К достоинству трубчатых провальных тарелок относится легкость отвода тепла от барботажного слоя на тарелке путем пропускания охлаждающего агента по трубам, из которых состоит тарелка. Однако эти тарелки в сравнении с дырчатыми и решетчатыми значительно сложнее по устройству и монтажу.
Основной недостаток колонн с дырчатыми, решетчатыми и трубчатыми провальными тарелками — небольшой интервал изменения скоростей газа и жидкости, в пределах которого поддерживается устойчивая и эффективная их работа.
Широкое распространение в промышленности в качестве абсорберов получили колонны, заполненные насадкой — твердыми телами различной формы. В насадочной колонне (рис. 1.14) насадка 1 укладывается на опорные решетки 2, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и стока жидкости. Последняя с помощью распределителя 3 равномерно орошает насадочные тела и стекает вниз. По всей высоте слоя насадки равномерное распределение жидкости по сечению колонны обычно не достигается, что объясняется пристеночным эффектом — большей плотностью укладки насадки в центральной части колонны, чем у ее стенок. Вследствие этого жидкость имеет тенденцию растекаться от центральной части колонны к ее стенкам. Поэтому для улучшения смачивания насадки в колоннах большого диаметра насадку иногда укладывают слоями (секциями) высотой 2—3 м и под каждой секцией, кроме нижней, устанавливают перераспределители жидкости 4.
1 — насадка; 2 — опорная решетка; 3 — распределитель жидкости;
4 — перераспределитель жидкости;
Рис. 1.14. Насадочный абсорбер.
В насадочной колонне жидкость течет по элементу насадки главным образом в виде тонкой пленки, поэтому поверхностью контакта фаз является в основном смоченная поверхность насадки, и насадочные аппараты можно рассматривать как разновидность пленочных. Однако в последних пленочное течение жидкости происходит по всей высоте аппарата, а в насадочных абсорберах — только по высоте элемента насадки. При перетекании жидкости с одного элемента насадки на другой пленка жидкости разрушается и на нижележащем элементе образуется новая пленка. При этом часть жидкости проходит через расположенные ниже слои насадки в виде струек, капель и брызг. Часть поверхности насадки бывает смочена неподвижной (застойной) жидкостью. Основными характеристиками насадки являются ее удельная поверхность и свободный объем.
Выбор насадок. Для того чтобы насадка работала эффективно, она должна удовлетворять следующим основным требованиям: 1) обладать большой поверхностью в единице объема; 2) хорошо смачиваться орошающей жидкостью; 3) оказывать малое гидравлическое сопротивление газовому потоку; 4) равномерно распределять орошающую жидкость; 5) быть стойкой к химическому воздействию жидкости и газа, движущихся в колонне; 6) иметь малый удельный вес; 7) обладать высокой механической прочностью; 8) иметь невысокую стоимость.
Насадок, полностью удовлетворяющих всем указанным требованиям, не существует, так как, например, увеличение удельной поверхности насадки влечет за собой увеличение гидравлического сопротивления аппарата и снижение предельных нагрузок. В промышленности применяют разнообразные по форме и размерам насадки, которые в той или иной мере удовлетворяют требованиям, являющимся основными при проведении конкретного процесса абсорбции.
Насадки изготавливают из разнообразных материалов (керамика, фарфор, сталь, пластмассы и др.), выбор которых диктуется величиной удельной поверхности насадки, смачиваемостью и коррозионной стойкостью.
В качестве насадки используют также засыпаемые навалом в колонну куски кокса или кварца размерами 25—100 мм. Однако вследствие ряда недостатков (малая удельная поверхность, высокое гидравлическое сопротивление и т. д.) кусковую насадку сейчас применяют редко. Широко распространена насадка в виде тонкостенных керамических колец высотой, равной диаметру (кольца Рашига), который изменяется в пределах 15—150 мм. Кольца малых размеров засыпают в абсорбер навалом. Большие кольца (размерами не менее 50x50 мм) укладывают правильным и рядами, сдвинутыми друг относительно друга. Этот способ заполнения аппарата насадкой называют загрузкой в укладку, а загруженную таким способом насадку — регулярной. Регулярная насадка имеет ряд преимуществ перед нерегулярной, засыпанной в абсорбер навалом: обладает меньшим гидравлическим сопротивлением, допускает большие скорости газа.
Основными достоинствами насадочных колонн являются простота устройства и низкое гидравлическое сопротивление. Недостатки: трудность отвода тепла и плохая смачиваемость насадки при низких плотностях орошения. Отвод тепла из этих аппаратов и улучшение смачиваемости достигаются путем рециркуляции абсорбента, что усложняет и удорожает абсорбционную установку. Для проведения одного и того же процесса требуются насадочные колонны обычно большего объема, чем барботажные.
Для разделения смеси бензол – хлорбензол применяется ректификационное разделение. Процесс разделения требуется проводить непрерывным способом. Так как нам не известны предыдущие стадии процесса, то перед подачей на колонну необходимо предусмотреть накопительный бак, который будет обеспечивать непрерывную подачу смеси на ректификационную колонну в случае сбоев на предыдущих этапах производства, так как эти сбои могут привести к остановке колонны. По этой же причине необходимо предусмотреть два нагнетательных насоса, передающих исходную смесь с накопительного бака, через теплообменники на ректификацию (на случай выхода одного из них из строя).
Питание требуется подавать в колонну при температуре кипения, для этого необходимо подогреть его. С этой целью перед подачей на колонну устанавливается теплообменник. Так как исходная смесь бензол – хлорбензол кипит при температуре 111 ºС, то для подогрева, с целью экономии греющего пара, целесообразно использовать тепло кубового остатка. Для отвода конденсата предусматриваем отдельную канализационную систему, позволяющую возвращать конденсат обратно на парогенерацию. В колонне исходная смесь разделяется на два потока
Хлорбензол, как более труднолетучий компонент, собирается внизу (в кубовой части) колонны, а бензол, как легколетучий компонент, в верхней части колонны. Для обеспечения потока пара через колонну устанавливается кипятильник кубового остатка. Часть кубового остатка в виде продукта отводится и собирается в бак. Целесообразно предусмотреть установку сборных баков как для бензола, так и для хлорбензола, т.к. не известно по технологической линии, куда направляются продукты ректификации. Для транспортировки по дальнейшей технологической линии продуктов, из сборных баков продукт транспортируются насосами. Перед подачей хлорбензола в сборную ёмкость его необходимо охладить, что осуществляется также при помощи теплообменников. В целях экономии энергии, рационально использовать тепло кубового остатка для нагревания питания. При этом также уменьшается количество теплообменников, если этого тепла достаточно, чтобы нагреть питание до температуры кипения, или уменьшается поверхность теплообменника при использовании дополнительного подогрева с помощью греющего пара. Для образования флегмы пары, содержащие преимущественно легколетучий компонент, конденсируют в теплообменнике-дефлегматоре и разделяют на отводимый в виде продукта поток и на поток, возвращаемый как флегму обратно в колонну.
Так как в дефлегматоре продукт только конденсируется, но не охлаждается, то перед подачей в сборную ёмкость его необходимо охладить. Охлаждение продукта в теплообменнике и дефлегматоре осуществляется с помощью воды, как наиболее дешевого теплоносителя. Для оборотной воды после её выхода из теплообменников и отвода предусматриваем отдельную канализационную систему, для возможности раздельного направления на регенерацию. Для сборных ёмкостей продуктов также устанавливаем отводы для промывных вод.
Так как в технологическом процессе используются легко текучие и чистые жидкости с небольшим расходом, то используем центробежные насосы. В качестве теплообменников используем кожухотрубчатые теплообменники, как наиболее распространённые и вполне подходящие для реализации нашей технологической схемы.
В качестве ректификационной колоны выбираем тарельчатую. Она, в отличии от других колон, обеспечивает равномерное распределение жидкости по сечению колоны, даёт возможность разделять смеси с любой степенью чистоты, применяются не только для малых диаметров, но и для больших. Кроме этого незначительное гидравлическое сопротивление не требует большёго увеличения давления, а значит и температура кипения в нижней части колонны не связана с дополнительным расходом энергии.
В ректификационной колонне в качестве устройств, на которых происходит взаимодействия жидкой и паровой фазы используются ситчатые тарелки. К преимуществу данных тарелок перед другими тарелками можно отнести, простоту их устройства, лёгкость монтажа и ремонта, сравнительно низкое гидравлическое сопротивление, достаточно высокую эффективность. Кроме этого немаловажным преимуществом ситчатых тарелок является их малая цена по сравнению с другими видами тарелок.
Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный процесс разделения исходной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента) и кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).
1,2 – подогреватели исходной смеси; 3 – ректификационная колонна; 4 –дефлегматор; 5 – делитель флегмы; 6 – холодильник дистиллята; 7 – ёмкость для готового продукта; 8 – ёмкость для кубовой смеси; 9-13 – насосы; 14 – конденсатоотводчик.
Рис 2.1 Технологическая схема
Легколетучим компонентом является бензол, т.к. его температура кипения ниже, чем температура кипения хлорбензола.