Понятие процесса ректификации. Теоретические основы процесса ректификации Что такое процесс ректификации

В ректификационной колонне (рисунок 2.2) снизу движутся пары, а сверху навстречу парам подают жидкость, представляющую собой почти чистый низкокипящий компонент (флегма). На каждой тарелке колонны пар и жидкость вступают в контакт. При этом из пара

конденсируется преимущественно высококипящий компонент, а из флегмы испаряется преимущественно низкокипящий компонент (рисунок 2.3).

В результате этого составы пара и жидкости изменяются, приближаясь к равновесным. Пар становится богаче низкокипящим компонентом, а жидкость насыщается высококипящим компонентом. Пар конденсируют в конденсаторе. Часть этого конденсата идет в виде флегмы на орошение колонны, а другую часть – дистиллят отбирают как готовый продукт. Жидкость, выходящую из нижней части колонны, называют кубовым остатком.

Рисунок 2.2 – Схема ректификационной колонны

Рисунок 2.3 – Схема взаимодействия жидкости и пара

Обычно ректификационный аппарат состоит из двух частей – верхней и нижней, каждая из которых представляет собой организованную поверхность контакта фаз между паром и жидкостью. Исходная смесь F подается в среднюю часть колонны и в результате процесса делится на две части: часть, обогащенную низкокипящим компонентом (НК) – дистиллят D , и часть, обедненную НК – кубовый остаток W .

2.3.3 Непрерывная ректификация

При осуществлении непрерывной ректификации исходная смесь вводится на тарелку питания, которая делит колонну на две части (рисунок 2.4). В верхней части колонны должно быть обеспечено возможно большее укрепление паров, т.е. обогащение их НК с тем, чтобы в дефлегматор направлялись пары, близкие по составу к чистому HК. Поэтому данная часть колонны называется укрепляющей. В нижней части колонны (от питающей до нижней тарелки) необходимо в минимальной степени удалить из жидкости низкокипящий компонент, т.е. исчерпать жидкость для того, чтобы в кипятильник стекала жидкость, близкая по составу к чистому высококипящему компоненту. Соответственно эта часть колонны называется исчерпывающей.

1 – ректификационная колонна (1а – укрепляющая часть, 1б – 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

Рисунок 2.4 – Схема ректификационной установки непрерывного действия

Пар для питания ректификационной колонны образуется в кубе путем испарения части жидкocти, поступающей в куб; жидкость для орошения аппарата W (флегма) получается в дефлегматоре путем конденсации пара, имеющего состав, аналогичный составу дистиллята.

Тепло, необходимое для испарения смеси, сообщается ей в кубе. В дефлегматоре производится отвод тепла, вследствие чего поступающие в него пары полностью или частично конденсируются.

Уравнения материального баланса ректификационной колонны непрерывного действия:

, (2.1)

, (2.2)

где F , D , W – массовые или мольные расходы питания, дистиллята и кубового остатка;

–содержание низкокипящего компонента в питании, дистилляте и кубовом остатке, массовые или мольные доли.

Уравнения рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части ректификационной колонны

, (2.3)

б) нижней (исчерпывающей) части колонны

, (2.4)

где y и x – переменные по высоте колонны неравновесные концентрации, мольные доли легколетучего компонента в паре и в жидкости в данном сечении колонны;

R = Ф / D – флегмовоe число;

–относительный (на 1 кмоль дистиллята) мольный расход питания.

В ректификационной колонне, в отличие от абсорбционной, принимают на основании теоретических предпосылок постоянными по высоте колонны общие мольные расходы пара и жидкости, в соответствии с этим в уравнениях (2.3) и (2.4) применяются мольные расходы и концентрации. В верхней части колонны, выше ввода исходной жидкой смеси, постоянный по высоте колонны мольный расход жидкости равен
, в нижней части колонны он равен . Постоянный по высоте мольный расход пара одинаков в верхней и нижней частях колонны.

Цель статьи – разобрать теоретические и некоторые практические аспекты работы домашней ректификационной колонны, нацеленной на получение этилового спирта, а также развеять самые распространенные в Интернете мифы и разъяснить моменты, о которых «умалчивают» продавцы оборудования.

Ректификация спирта – разделение многокомпонентной спиртосодержащей смеси на чистые фракции (этиловый и метиловый спирты, воду, сивушные масла, альдегиды и другие), имеющие разную температуру кипения, путем многократного испарения жидкости и конденсации пара на контактных устройствах (тарелках или насадках) в специальных противоточных башенных аппаратах.

С физической точки зрения ректификация возможна, поскольку изначально концентрация отдельных компонентов смеси в паровой и жидкой фазах отличается, но система стремится к равновесию – одинаковому давлению, температуре и концентрации всех веществ в каждой фазе. При контакте с жидкостью пар обогащается легколетучими (низкокипящими) компонентами, в свою очередь, жидкость – труднолетучими (высококипящими). Одновременно с обогащением происходит обмен теплом.

Момент контакта (взаимодействия потоков) пара и жидкости называется процессом тепломассообмена.

Благодаря разной направленности движений (пар поднимается вверх, а жидкость стекает вниз), после достижения системой равновесия в верхней части ректификационной колонны можно по отдельности отобрать практически чистые компоненты, входившие в состав смеси. Сначала выходят вещества с более низкой температурой кипения (альдегиды, эфиры и спирты), потом – с высокой (сивушные масла).

Состояние равновесия. Появляется на самой границе разделения фаз. Достигается только при одновременном соблюдении двух условий:

1. Равное давление каждого отдельно взятого компонента смеси.
2. Температура и концентрация веществ в обеих фазах (паровой и жидкой) одинакова.

Чем чаще система приходит в равновесие, тем эффективнее тепломасообмен и разделение смеси на отдельные составляющие.

Разница между дистилляцией и ректификацией

Как видно на графике, из 10% спиртового раствора (браги) можно получить самогон 40%, а при второй перегонке этой смеси выйдет 60-градусный дистиллят, при третьей – 70%. Возможны следующие интервалы: 10-40; 40-60; 60-70; 70-75 и так далее до максимума – 96%.

Теоретически, чтобы получить чистый спирт, требуется 9-10 последовательных дистилляций на самогонном аппарате. На практике перегонять спиртосодержащие жидкости концентрацией выше 20-30% взрывоопасно, к тому же из-за больших затрат энергии и времени экономически невыгодно.

С этой точки зрения, ректификация спирта – это минимум 9-10 одновременных, ступенчатых дистилляций, которые происходят на разных контактных элементах колонны (насадках или тарелках) по всей высоте.

Работа ректификационной колонны

Ректификационная колонна – устройство, предназначенное для разделения многокомпонентной жидкой смеси на отдельные фракции по температуре кипения. Представляет собой цилиндр постоянного или переменного сечения, внутри которого находятся контактные элементы – тарелки или насадки.

Также почти каждая колонна имеет вспомогательные узлы для подвода исходной смеси (спирта-сырца), контроля процесса ректификации (термометры, автоматика) и отбора дистиллята – модуль, в котором конденсируется, а затем принимается наружу извлеченный из системы пар определенного вещества.

Спирт-сырец – продукт перегонки браги методом классической дистилляции, который можно «заливать» в ректификационную колонну. Фактически это самогон крепостью 35-45 градусов.

Флегма – сконденсировавшийся в дефлегматоре пар, стекающий по стенкам колонны вниз.

Флегмовое число – отношение количества флегмы к массе отбираемого дистиллята. В спиртовой ректификационной колонне находятся три потока: пар, флегма и дистиллят (конечная цель). В начале процесса дистиллят не отбирают, чтобы в колонне появилась достаточно флегмы для тепломассообмена. Потом часть паров спирта конденсируют и отбирают из колонны, а оставшиеся спиртовые пары и дальше создают поток флегмы, обеспечивая нормальную работу.

Для работы большинства установок флегмовое число должно быть не меньше 3, то есть 25% дистиллята отбирают, остальной – нужен в колонне для орошения контактных элементов. Общее правило: чем медленнее отбирать спирт, тем выше качество.

Контактные устройства ректификационной колонны (тарелки и насадки)

Отвечают за многократное и одновременное разделение смеси на жидкость и пар с последующей конденсацией пара в жидкость – достижение в колонне состояния равновесия. При прочих равных условиях, чем больше в конструкции контактных устройств, тем эффективнее ректификация в плане очистки спирта, поскольку увеличивается поверхность взаимодействия фаз, что интенсифицирует весь тепломасообмен.

Теоретическая тарелка – один цикл выхода из равновесного состояния с повторным его достижением. Для получения качественного спирта требуется минимум 25-30 теоретических тарелок.

Физическая тарелка – реально работающее устройство. Пар проходит сквозь слой жидкости в тарелке в виде множества пузырьков, создающих обширную поверхность контакта. В классической конструкции физическая тарелка обеспечивает примерно половину условий для достижения одного равновесного состояния. Следовательно, для нормальной работы ректификационной колонны требуется в два раза больше физических тарелок, чем теоретических (расчетных) минимум – 50-60 штук.

Насадки. Зачастую тарелки ставят только на промышленные установки. В лабораторных и домашних ректификационных колоннах в качестве контактных элементов используются насадки – скрученная специальным образом медная (либо стальная) проволока или сетки для мытья посуды. В этом случае флегма стекает тонкой струйкой по всей поверхности насадки, обеспечивая максимальную площадь контакта с паром.

Конструкций очень много. Недостаток самодельных проволочных насадок – возможная порча материала (почернение, ржавчина), заводские аналоги лишены подобных проблем.

Свойства ректификационной колонны

Материал и размеры. Цилиндр колонны, насадки, куб и дистилляторы обязательно делают из пищевого, нержавеющего, безопасного при нагревании (равномерно расширяется) сплава. В самодельных конструкциях в качестве куба чаще всего используются бидоны и скороварки.

Минимальная длина трубы домашней ректификационной колонны – 120-150 см, диаметр – 30-40 мм.

Система нагрева. В процессе ректификации очень важно контролировать и быстро регулировать мощность нагрева. Поэтому самым удачным решением является нагрев с помощью ТЭНов, вмонтированных в нижнюю часть куба. Подвод тепла через газовую плиту не рекомендуется, поскольку не позволяет быстро менять температурный диапазон (высокая инертность системы).

Контроль процесса. Во время ректификации важно следовать инструкции производителя колонны, в которой обязательно указываются особенности эксплуатации, мощность нагрева, флегмовое число и производительность модели.

Очень сложно контролировать процесс ректификации без двух простейших приспособлений – термометра (помогает определить правильную степень нагрева) и спиртометра (измеряет крепость полученного спирта).

Производительность. Не зависит от размеров колонны, поскольку, чем выше царга (труба), тем больше физических тарелок находится внутри, следовательно, качественнее очистка. На производительность влияет мощность нагрева, которая определяет скорость движения потоков пара и флегмы. Но при переизбытке подаваемой мощности колонна захлебывается (перестает работать).

Средние значения производительности домашних ректификационных колон – 1 литр в час при мощности нагрева 1 кВт.

Влияние давления. Температура кипения жидкостей зависит от давления. Для успешной ректификации спирта давление вверху колонны должно быть приближено к атмосферному – 720-780 мм.рт.ст. В противном случае при уменьшении давления снизится плотность паров и увеличится скорость испарения, что может стать причиной захлебывания колонны. При слишком высоком давлении падает скорость испарения, делая работу устройства неэффективной (нет разделения смеси на фракции). Для поддержания правильного давления каждая колонна для ректификации спирта оборудована трубкой связи с атмосферой.

О возможности самодельной сборки. Теоретически, ректификационная колонна не является очень сложным устройством. Конструкции успешно реализуются умельцами в домашних условиях.

Но на практике без понимания физических основ процесса ректификации, правильных расчетов параметров оборудования, подбора материалов и качественной сборки узлов, использование самодельной ректификационной колоны превращается опасное занятие. Даже одна ошибка может привести к пожару, взрыву или ожогам.

В плане безопасности прошедшие испытания (имеют подтверждающую документацию) заводские колонны надежнее, к тому же поставляются с инструкцией (должна быть подробной). Риск возникновения критической ситуации сводится только к двум факторам – правильной сборке и эксплуатации согласно инструкции, но это проблема почти всех бытовых приборов, а не только колонн или самогонных аппаратов.

Принцип работы ректификационной колонны

Куб наполняют максимум на 2/3 объема. Перед включением установки обязательно проверяют герметичность соединений и сборки, перекрывают узел отбора дистиллята и подают охлаждающую воду. Только после этого можно начать нагрев куба.

Оптимальная крепость подаваемой в колонну спиртосодержащей смеси – 35-45%. То есть в любом случае перед ректификацией требуется дистилляция браги. Полученный продукт (спирт-сырец) потом перерабатывают на колонне, получая почти чистый спирт.

Это значит, что домашняя ректификационная колонна не является полной заменой классического самогонного аппарата (дистиллятора) и может рассматриваться лишь как дополнительная ступень очистки, более качественно заменяющая повторную дистилляцию (вторую перегонку), но нивелирующая органолептические свойства напитка.

Справедливости ради отмечу, что большинство современных моделей ректификационных колон предполагают работу в режиме самогонного аппарата. Для перехода к дистилляции нужно лишь перекрыть штуцер соединения с атмосферой и открыть узел отбора дистиллята.

Если одновременно перекрыть оба штуцера, то нагретая колонна может взорваться из-за избыточного давления! Не допускайте подобных ошибок!

На промышленных установках непрерывного действия зачастую брагу перегоняют сразу, но это возможно благодаря гигантским размерам и особенностям конструкции. Например, стандартом считается труба 80 метров высоты и 6 метров диаметра, в которой установлено в разы больше контактных элементов, чем на ректификационных колоннах для дома.

После включения жидкость в кубе доводится нагревателем до кипения. Образовавшийся пар поднимается вверх по колонне, затем попадает в дефлегматор, где конденсируется (появляется флегма) и по стенкам трубы возвращается в жидком виде в нижнюю часть колонны, на обратном пути контактируя с поднимающимся паром на тарелках или насадках. Под действием нагревателя флегма снова становится паром, а пар вверху опять конденсируется дефлегматором. Процесс становится циклическим, оба потока непрерывно контактируют друг с другом.

После стабилизации (пара и флегмы достаточно для равновесного состояния) в верхней части колонны скапливаются чистые (разделенные) фракции с самой низкой температурой кипения (метиловый спирт, уксусный альдегид, эфиры, этиловый спирт), внизу – с самой высокой (сивушные масла). По мере отбора нижние фракции постепенно поднимаются вверх по колонне.

В большинстве случаев стабильной (можно начинать отбор) считается колонна, в которой температура не меняется на протяжении 10 минут (общее время прогрева – 20-60 минут). До этого момента устройство работает «само на себя», создавая потоки пара и флегмы, которые стремятся к равновесию. После стабилизации начинается отбор головной фракции, содержащей вредные вещества: эфиры, альдегиды и метиловый спирт.

Ректификационная колонна не избавляет от необходимости разделять выход на фракции. Как и в случае с обычным самогонным аппаратом приходится собирать «голову», «тело» и «хвост». Разница только в чистоте выхода. При ректификации фракции не «смазываются» – вещества с близкой, но хотя бы на десятую долю градуса разной температурой кипения не пересекаются, поэтому при отборе «тела» получается почти чистый спирт. Во время обычной дистилляции разделить выход на фракции, состоящие только из одного вещества, невозможно физически какая бы конструкция не использовалась.

Если колонна выведена на оптимальный режим работы, то при отборе «тела» трудностей не возникает, так как температура всё время стабильна.

Нижние фракции («хвосты») при ректификации отбирают, ориентируясь по температуре или по запаху, но в отличие от дистилляции эти вещества не содержат спирта.

Возвращение спирту органолептических свойств. Зачастую «хвосты» требуются, чтобы вернуть спирту-ректификату «душу» – аромат и вкус исходного сырья, например, яблока или винограда. После завершения процесса в чистый спирт добавляют некоторое количество собранных хвостовых фракций. Концентрацию рассчитывают эмпирическим путем, экспериментируя на небольшом количестве продукта.

Преимущество ректификации в возможности добыть практически весь содержащийся в жидкости спирт без потери его качества. Это значит, что «головы» и «хвосты», полученные на самогонном аппарате, можно переработать на ректификационной колонне и получить безопасный для здоровья этиловый спирт.

Захлебывание ректификационной колонны

Каждая конструкция имеет предельную скорость движения пара, после которой течение флегмы в кубе сначала замедляется, а потом и вовсе прекращается. Жидкость накапливается в ректификационной части колонны и происходит «захлебывание» – прекращение тепломассообменного процесса. Внутри происходит резкий перепад давления, появляется посторонний шум или бульканье.

Причины захлебывания ректификационной колонны:

• превышение допустимой мощности нагрева (встречается наиболее часто);
• засорение нижней части устройства и переполнение куба;
• очень низкое атмосферное давление (характерно для высокогорий);
• напряжение в сети выше 220В – в результате мощность ТЭНов возрастает;
• конструктивные ошибки и неисправности.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Основными задачами научной дисциплины «Процессы и аппараты» являются изучение физико-химических основ процессов, используемых во всех отраслях химической технологии, а также рассмотрение принципов устройства и методов расчета аппаратов, предназначенных для проведения этих процессов, а также выявление общих закономерностей протекания различных процессов и разработка методов расчета аппаратуры.

Овладение этой наукой позволяет осуществлять в производственных условиях наилучшие (оптимальные) технологические режимы, повышать производительность аппаратуры и улучшать качество продукции; дает возможность разрабатывать более рациональные технологические схемы и типы аппаратов при проектировании новых производств, правильно оценивать результаты лабораторных исследований и быстро реализовать их в производственных условиях.

Развитие производства химического и нефтезаводского оборудования находится в прямой связи с развитием химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Когда переработка нефти сводилась главным образом к простейшей перегонке, то соответственно и аппаратурное оформление процессов было очень простым. В качестве нагревателя применялся куб, для ректификации - дефлегматор и т.д. По мере совершенствования и усложнения процессов переработки нефти требовалось соответствующее совершенствование аппаратуры.

Аппараты, применяемые для каждого из этих процессов, также являются однотипными, хотя их конструкция может существенно отличаться в зависимости от специфических особенностей различных производств.

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

1.1 Теоретические основы процесса

Ректификация - диффузионный массообменный процесс разделения смеси жидкости на фракции по температуре кипения за счет многократного контактирования поднимающихся вверх паров и стекающей вниз жидкости (флегмы). При этом пар непрерывно обогащается низкокипящим (легколетучим) компонентом, а жидкость - высококипящим (труднолетучим) компонентом.

Ректификацией может быть достигнута любая заданная степень разделения жидких смесей. Ректификация является сложным процессом дистилляции. Ректификация осуществляется в колонных аппаратах, имеющих тарелки или насадки, а также пленочные колонны.

Процесс ректификации предназначен для разделения жидких смесей на практически чистые компоненты или фракции, различающиеся температурой кипения. ректификация дистиллят жидкость пар

Высококипящий компонент (ВКК) - составная часть разделяемой смеси, кипящая при более высокой температуре. Является труднолетучим и более тяжелым компонентом.

Низкокипящий компонент (НКК) - составная часть разделяемой смеси, кипящая при более низкой температуре. Является легколетучим и более легким компонентом.

Ректификат - продукт, выходящий из верхней части колонны.

Кубовый остаток - продукт, выходящий из нижней части колонны.

Флегма - часть ректификата, возвращаемая на верхнюю тарелку колонны в качестве орошения.

Различают несколько видов ректификации:

Непрерывная бинарная ректификация. Разделяемая смесь непрерывно подается в среднюю часть колонны, дистиллят отбирается из дефлегматора, а обедненный легколетучим компонентом остаток отводится из куба колонны, флегма поступает на орошение в верхнюю часть колонны.

Периодическая ректификация. Работает для укрепления паров. Применяют в тех случаях, когда использование непрерывной нецелесообразно: если разделение смеси требует определенного времени для накопления продуктов и их количество невелико или в условиях часто меняющегося состава исходной смеси. Периодическая ректификация может осуществляться двумя способами:

При постоянном флегмовом числе;

При постоянном составе дистиллята.

Экстрактивная ректификация. Применяется для разделения бинарной смеси, летучести компонентов которой близки. Для облегчения разделения такой смеси и упрощения устройства ректификационной колонны в смесь добавляется третий компонент - экстрагент.

Азеотропная ректификация. Применяется для разделения азеотропных смесей, т.е. смесей, имеющих точки на фазовых диаграммах, в которых составы пара и жидкости равны. Для этого к смеси добавляется другой компонент, образующий с одним из компонентов исходной смеси новую более летучую азеотропную смесь. Новая смесь отгоняется в качестве дистиллята, другой чистый компонент выводится в виде кубового остатка.

Факторы, оказывающие влияние на процесс ректификации:

Разность между рабочими и равновесными концентрациями. Чем больше разность, тем скорость массообмена выше.

Разность между температурами кипения кубовой жидкости и дистиллята. Чем выше разность, тем большее происходит обогащение пара низкокипящим компонентом, а стекающей вниз флегмы - высококипящим.

Физические свойства сред. Иногда возможно существенное изменение физических свойств сред по высоте колонны, что может повлиять не только на скорость массопереноса, но и на величину поверхности контакта фаз (ухудшение или улучшение смачиваемости насадки, изменение размеров пузырьков и т.д.), что может быть связано с изменением поверхностного натяжения жидкости вследствие изменения ее состава и температуры.

Равновесие в системах жидкость-пар.

В общем случае жидкая смесь может состоять из нескольких компонентов. В простейшем случае из двух, например из компонентов А и В. Характер поведения жидкой смеси зависит главным образом от природы составляющих ее веществ и давления.

Для идеальных растворов характерно то, что сила взаимодействия между всеми молекулами (одноименными и разноименными) равна. При этом общая сила, с которой молекула удерживается в смеси, не зависит от состава смеси. Очевидно, что парциальное давление в этом случае должно зависеть лишь от числа молекул, достигающих в единицу времени поверхности жидкости со скоростью, необходимой для преодоления сил внутреннего притяжения молекул, т. е. при данной температуре давление соответствующего компонента возрастает пропорционально его содержанию в жидкой смеси (закон Рауля):

pА = РоА. ХА

рВ = РоВ(1-хА)

где pA, pB - парциальные доля компонентов А и В, Па;

PоA, PоB, - давления паров чистых компонентов А и В, Па;

xA, (1 - xA) - мольные доли компонентов А и В, %.

По закону Дальтона парциальные давления паров в системе:

рВ = Р (1 - у)

где Р - общее давление паров в системе, Па;

у, (1 - у) - мольные доли компонентов А и В, %.

Для установившегося равновесия из уравнений законов Рауля и Дальтона:

1 - у = (1 - х)

Поскольку процессы в аппаратах осуществляются практически всегда при изобарических условиях, равновесную зависимость рассматриваемого процесса можно представить как функции двух переменных t - x, t - y и y - x. При этом графики t - y и t - x можно совместить.

1.2 Технологическая схема установки

Установка состоит из ректификационной колонны 1, представляющей собой вертикальный цилиндрический корпус, внутри которого расположены контактные устройства (насадка, тарелка). Снизу вверх по колонне движется поток пара, поступающий из испарителя 9, находящегося рядом или под самой колонной. Поступающий в колонну пар по составу представляет собой практически чистый высококипящий компонент. На каждой тарелке при его перемешивании по колонне происходит конденсация поднимающегося пара, и за счет теплоты его конденсации - испарение находящегося в этой зоне низкокипящего компонента.

Таким образом, происходит постоянное удаление из поднимающегося пара высококипящего компонента и обогащение пара низкокипящим. В результате в верхней части колонны в дефлегматоре 2 конденсируются практически чистые пары низкокипящего компонента. Получаемая жидкость в делителе 3 делится на 2 потока. Первый поток - флегма, возвращается в колонну, создавая тем самым нисходящий поток жидкости, состоящей практически из чистого низкокипящего компонента. Стекая вниз по колонне и взаимодействуя с восходящим паром, флегма постоянно обогащается конденсирующимся в ней высококипящим компонентом, заменяющим постоянно испаряющийся низкокипящий компонент. В результате жидкость, достигающая нижней части колонны и поступающая в испаритель, состоит практически из высококипящего компонента.

Подаваемую на разделение исходную смесь подогревают до температуры кипения в теплообменнике 10 и подают в питающую зону колонны.

Зона питания делит колонну на две части. Верхняя (укрепляющая) часть 1а обеспечивает наибольшее укрепление поднимающихся паров, т.е. обогащение их низкокипящим компонентом. Нижняя, или кубовая (исчерпывающая) часть 1б, обеспечивает наибольшее удаление из жидкости низкокипящего компонента.

Второй поток жидкости, получаемый в дефлегматоре и называемый дистиллятом, поступает в холодильник - теплообменник 4, а затем в сборник 6 и перекачивается в качестве целевого продукта насосом 5.

Жидкость, выходящая из нижней части колонны, также делится на два потока. Первый возвращается в испаритель, далее в виде пара подается в колонну, второй, называемый кубовым остатком, после охлаждения в холодильнике 8 направляется в сборник 7.

Классификация ректификационных колонн.

В ректификационных установках используют главным образом аппараты двух типов: насадочные и тарельчатые ректификационные колонны. Кроме того, для ректификации под вакуумом применяют пленочные и роторные колонны различных конструкций.

Насадочные, барботажные, а также некоторые пленочные колонны по конструкции внутренних устройств (тарелок, насадочных тел и т. д.) аналогичны абсорбционным колоннам. Однако в отличие от абсорберов ректификационные колонны снабжены теплообменными устройствами - кипятильником (кубом) и дефлегматором. Кроме того, для уменьшения потерь тепла в окружающую среду ректификационные аппараты покрывают тепловой изоляцией.

Барботажные колонны в процессах ректификации наиболее широко распространены. Они применимы для больших производительностей, широкого диапазона изменений нагрузок по пару и жидкости и могут обеспечить весьма четкое разделение смесей. Недостаток барботажных аппаратов -относительно высокое гидравлическое сопротивление - в условиях ректификации не имеет такого существенного значения, как в процессах абсорбции.

В насадочных колоннах используются насадки различных типов, но в промышленности наиболее распространены колонны с насадкой из колец Рашига. Меньшее гидравлическое сопротивление насадочных колонн по сравнению с барботажными особенно важно при ректификации под вакуумом. Даже при значительном вакууме в верхней части колонны вследствие большого гидравлического сопротивления ее разрежение в кипятильнике может оказаться недостаточным для требуемого снижения температуры кипения исходной смеси.

В самой ректификационной колонне не требуется отводить тепло, как в абсорберах. Поэтому трудность отвода тепла из насадочных колонн является скорее достоинством, чем недостатком насадочных колонн в условиях процесса ректификации.

В насадочных колоннах поверхностью контакта фаз является смоченная поверхность насадки. Поэтому насадка должна иметь, возможно, большую поверх-ность в единице объема. Вместе с тем для того, чтобы насадка работала эффективно, она должна удовлетворять следующим требованиям:

1) хорошо смачиваться орошающей жидкостью, т.е. материал насадки по отношению 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 жидкости и газу; для этого насадка должна также иметь большие значения или SCB;

4) иметь малую плотность;

5) равномерно распределять орошающую жидкость;

6) быть стойкой к агрессивным средам;

7) обладать высокой механической прочностью;

8) иметь невысокую стоимость.

Классификация тарельчатых контактных устройств:

Способу организации перелива жидкости с тарелки на тарелку

различают тарелки с переточными устройствами и тарелки без переточных устройств (провального типа). У тарелок первого типа жидкость перетекает с тарелки на тарелку через специальные каналы, которые не предназначены для прохода пара. У тарелок второго типа пар (газ) и жидкость проходят через одни и те же отверстия, при этом места стока жидкости и прохода газа (пара) устанавливаются на тарелке случайным образом;

По числу потоков жидкости тарелки выполняют одно-, двух- и многопоточными. Последние применяют в колоннах большого диаметра и при значительных расходах жидкости с целью обеспечения равномерного уровня жидкости на тарелке и распределения паров по площади контактного устройства;

В зависимости от диаметра аппарата тарелки выполняют со сплошным полотном или разборной конструкции. Первые применяют при сравнительно небольших диаметрах колонн, причем для ремонта на таких тарелках предусматривают люки. Разборные тарелки собирают из отдельных элементов, размеры которых позволяют заносить их в колонну через люки.

В зависимости от направления движения газовой и жидкой фаз в зоне контакта различаются тарелки с перекрестным током (барботажные), прямоточные (струйные) и противоточные. Прямоточные тарелки наиболее производительны, однако они не обладают достаточно высокой эффективностью. Поэтому на практике стремятся задержать развитие прямоточного движения, устанавливая отбойники или вертикальные перегородки в каналах смежных элементов тарелки, изменяя при этом направление ввода пара в смежные элементы.

По типу контактных смежных элементов тарелки разделяют: на колпачковые, клапанные, ситчатые, решетчатые, S - образные, комбинированные и специальные.

Для создания уровня жидкости на тарелке верхние концы переливных труб делают немного выше плоскости тарелки. Чтобы жидкость перетекала только по переливным трубам, а не через патрубки, верхние концы патрубков должны быть выше уровня жидкости. Нижние края колпачков погружены в жидкость так, чтобы уровень жидкости был выше верха прорезей.

Перфорацию выполняют либо в виде круглых отверстий диаметром 2-6 мм и шагом t = (3 - 5) d.Относительная площадь отверстий составляет от 8 до 30 % в зависимости от производительности тарелки по пару. При отсутствии переливного устройства ситчатая тарелка работает в провальном режиме, т. е. через отверстия снизу вверх проходит газ, а сверху вниз - жидкость.

Некоторую разновидность ситчатой провальной тарелки представляют собой конструкции с переменной величиной перфорации - тарелки с двойной перфорацией имеют в центральной части отверстия малого диаметра (~ 2 мм), а на периферийной кольцевой части отверстия большого диаметра (~ 6 - 8 мм). В таких тарелках через мелкие отверстия проходит газ, а через крупные - жидкость и газ, т.е. крупные отверстия выполняют роль переливного устройства.

1.3 Характеристика используемых веществ

Физические своиства: В природе вода существует сразу в трех агрегатных состояниях. При нормальных условиях это жидкое вещество без цвета, запаха и вкуса. При падении температуры вода кристаллизируется и превращается в лед. При повышении температуры жидкость переходит в газообразное состояние - водяной пар. Вода характеризируется высокой плотностью, которая составляет примерно 1 грамм на кубический сантиметр. Кипение воды наступает при повышении температуры до ста градусов по Цельсию. А вот при падении температуры до 0 градусов жидкость превращается в лед. Интересно, что снижение атмосферного давления вызывает изменение данных показателей - вода закипает при меньшей температуре. Теплопроводность воды составляет примерно 0,58 Вт/(м*К). Еще один важный показатель - это ее высокое поверхностное натяжение, которое практически равно соответствующему показателю у ртути.

Химические свойства:

1) Вода реагирует со многими металлами с выделением водорода:

2Na + 2H2O = H2 + 2NaOH (бурно)

2K + 2H2O = H2 + 2KOH (бурно)

3Fe + 4H2O = 4H2 + Fe3O4 (только при нагревании)

Не все, а только достаточно активные металлы могут участвовать в окислительно-восстановительных реакциях этого типа. Наиболее легко реагируют щелочные и щелочноземельные металлы I и II групп.

Из неметаллов с водой реагируют, например, углерод и его водородное соединение (метан). Эти вещества гораздо менее активны, чем металлы, но все же способны реагировать с водой при высокой температуре:

C + H2O = H2 + CO (при сильном нагревании)

CH4 + 2H2O = 4H2 + CO2 (при сильном нагревании)

2) Электролиз. Вода разлагается на водород и кислород при действии электрического тока. Это также окислительно-восстановительная реакция, где вода является одновременно и окислителем, и восстановителем.

3) Вода реагирует со многими оксидами неметаллов.

Основные константы воды:

Молярная масса, г/моль 18,016

Температура в °С:

замерзания (при =0,1МПа) 0,00

кипения 100,00

Применение воды:

Земледелие

Выращивание достаточного количества сельскохозяйственных культур на открытых засушливых землях требует значительных расходов воды на ирригацию, доходящих до 90 % в некоторых странах.

Питьё и приготовление пищи.

Уксусная кислота:

Физические свойства:

Агрегатное состояние - жидкое;

Цвет - бесцветная прозрачная жидкость;

Запах - резкий уксусный;

Растворимость в воде - хорошая;

Температура кипения - 1180С;

Температура плавления - 170С;

Химические свойства:

Кислота диссоциирует обратимо в водном растворе:

CH?COOH = CH?COO? + H?.

1) Взаимодействие с сильными основаниями с образованием солей:

CH?COOH + KOH = CH?COOK + H?O

2) Взаимодействие с активными металлами (а), основными оксидами (б), солями более слабых кислот:

а) 2CH?COOH + Mg = (CH?COO)?Mg + H?

б) 2CH?COOH + MgO = (CH?COO)?Mg + H?O

в) CH?COOH + NaHCO? = CH?COONa + CO? + H?O

3) Взаимодействие со спиртами (реакция этерификации):

CH?COOH + C?H?OH = CH?COOC?H? + H?O

4) Реакция замещения атома водорода у a-углеродного атома на атом галогена:

CH?COOH + Cl? = (кат. P кр) CH?(Cl)COOH + HCl

Основные константы уксусной кислоты:

Молекулярная масса - 60,052

Температура кипения (при давлении 0,1013 М П а) - 1 1 8 ,5°С

Удельная теплота плавления - 195,7 кДж/кг

Удельная теплоемкость жидкости (при 20°С) - 2,04 кДж/кг

Удельная теплоемкость паров при постоянном давлении - 6,45 кДж/кгтрад

Плотность при 20°С - 1,04923 г/смЗ

Температура плавления - 16,63°С

Применение уксусной кислоты:

Уксусную кислоту применяют для получения лекарственных и душистых веществ, как растворитель (например, в производстве ацетилцеллюлозы, ацетона). Она используется в книгопечатании и крашении

Уксусная кислота используется как реакционная среда для проведения окисления различных органических веществ. В лабораторных условиях это, например, окисление органических сульфидов пероксидом водорода, в промышленности - окисление пара-ксилола кислородом воздуха в терефталевую кислоту.

1.4 Охрана труда и окружающей среды

Охрана труда - это система сохранения жизни и здоровья работников в процессе трудовой деятельности, включающая в себя правовые, социально-экономические, организационно-технические, санитарно-гигиенические, лечебно-профилактические, реабилитационные и иные мероприятия.

Опасными факторами на производстве являются:

Пожароопасность;

Электрические (электрический ток, статическое электричество);

Концентрация вредных веществ в воздухе рабочей зоны;

Электромагнитные излучения;

Вибрация;

Освещение;

Для защиты глаз от воздействий вредных и опасных производственных факторов применяют защитные очки. Основные виды спецодежды: комбинезоны, куртки, брюки, костюмы, халаты и т.д.

Предельно допустимая концентрация (ПДК) вредного вещества в воздухе рабочей зоны - это такая концентрация вредного вещества, которая при ежедневной работе в течение 8 часов или другой продолжительности, но не более 40 часов в неделю, в течении всего рабочего стажа не может вызывать заболеваний или отклонения в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследования. Пожары наносят громадный материальный ущерб и в ряде случаев сопровождаются гибелью людей. Поэтому защита от пожаров является важнейшей обязанностью каждого члена общества и проводится в общегосударственном масштабе.

Противопожарная защита имеет своей целью изыскание наиболее эффективных, экономически целесообразных и технически обоснованных способов и средств предупреждения пожаров и их ликвидации с минимальным ущербом при наиболее рациональном использовании сил и технических средств тушения.

Вредные вещества могут оказывать местное и общее действие на организм. Местное действие чаще всего проявляется в виде раздражения или химического ожога места непосредственного соприкосновения с ядом; обычно таковым бывает кожный покров или слизистые оболочки глаз, верхних дыхательных путей и полости рта. Оно является следствием химического воздействия раздражающего или токсического вещества на живые клетки кожного покрова и слизистых. В легкой форме оно проявляется в виде покраснения кожного покрова или слизистых, иногда в их припухлости, ощущении зуда или жжения; в более тяжелых случаях болезненные явления более выражены, а изменение кожного покрова или слизистых может быть вплоть до их изъязвления.

При наличии нескольких видов сырьевых материалов или технологических процессов для получения одной и той же продукции необходимо отдавать предпочтение тем материалам, в которых содержится меньше токсических веществ или имеющиеся вещества обладают наименьшей токсичностью, а также тем процессам, при которых не выделяются токсические вещества или последние обладают наименьшей токсичностью.

Технологические процессы с использованием или возможностью образования токсических веществ должны быть по возможности непрерывными, чтобы устранить или сократить до минимума выделение вредностей на промежуточных этапах технологического процесса. С этой же целью необходимо использовать максимально герметичное технологическое оборудование и коммуникации, в которых могут находиться токсические вещества.

При превышении допустимой напряженности и плотности потока энергии электромагнитного поля необходимо применять основные средства и способы защиты:

Экранирование рабочего места;

Удаление рабочего места от источника электромагнитного поля;

Рациональное размещение в рабочем помещении оборудования, излучающего электромагнитную энергию;

Установление рациональных режимов работы оборудования и обслуживающего персонала;

Применение предупреждающей сигнализации (световой, звуковой);

Применение средств индивидуальной защиты.

Эффективным и часто применяемым методом защиты от низкочастотных и радиоизлучений является экранирование. Для экранов используют главным образом материалы с большой электрической проводимостью (медь, латунь, алюминий и его сплавы, сталь). Экраны должны быть заземлены.

В производственных условиях очень часто шум имеет непостоянный характер. В этих условиях наиболее удобно пользоваться некоторой средней величиной, называемой эквивалентным (по энергии) уровнем звука Lэкв и характеризующей среднее значение энергии звука к дБА. Этот уровень измеряется специальными интегрирующими шумомерами или рассчитывается.

Нормативы уровней шума регламентируются «Санитарными нормами допустимых уровней шума на рабочих местах» № 3223-85, утвержденными Минздравом в зависимости от их классификации по спектральному составу и временным характеристикам, виду трудовой деятельности. В качестве индивидуальных защитных средств при работе в шумных помещениях используются различные противошумы (антифоны).

По источникам загрязнения выделяют два вида загрязнения атмосферы:

естественное;

антропогенное.

По характеру загрязнителя загрязнение атмосферы бывает трёх видов:

физическое (механическое (пыль, твердые частицы), радиоактивное (радиоактивное излучение и изотопы), электромагнитное (различные виды электромагнитных волн, в том числе радиоволны), шумовое (различные громкие звуки и низкочастотные колебания) и тепловое загрязнение (например, выбросы тёплого воздуха и т. п.)

химическое (загрязнение газообразными веществами и аэрозолями. На сегодняшний день основные химические загрязнители атмосферного воздуха это: оксид углерода (IV), оксиды азота, диоксид серы, углеводороды, альдегиды, тяжёлые металлы (Pb, Cu, Zn, Cd, Cr), аммиак, пыль и радиоактивные изотопы)

биологическое (в основном загрязнение микробной природы. Например, загрязнение воздуха вегетативными формами и спорами бактерий и грибов, вирусами, а также их токсинами и продуктами жизнедеятельности.)

Основными источниками загрязнения атмосферы являются:

Природные (естественные загрязнители минерального, растительного или микробиологического происхождения, к которым относят извержения вулканов, лесные и степные пожары, пыль, пыльцу растений, выделения животных и др.)

Искусственные (антропогенные), которые можно разделить на несколько групп:

Транспортные (загрязнители, образующиеся при работе автомобильного, железнодорожного, воздушного, морского и речного транспорта;

Производственные (загрязнители, образующиеся как выбросы при технологических процессах, отоплении;

Бытовые (загрязнители, обусловленные сжиганием топлива в жилище и переработкой бытовых отходов.

Мероприятия по защите окружающей среды от выбросов производства:

Необходимо проектировать любое производство так, чтобы выбросы были минимальны;

Необходимо строго соблюдать технологические режимы производства;

Необходима обязательная герметизация оборудования на производствах, где присутствуют и получаются химические соединения;

Борьба с потерями при транспортировке (предотвращение аварий газо- и нефтепроводов);

Борьба с эмиссией (выделением) промышленных газов в атмосферу;

Обязательная переработка и утилизация отходов, вторичное использование отходов.

Сточные воды - любые воды и атмосферные осадки, отводимые в водоёмы с территорий промышленных предприятий и населённых мест через систему канализации или самотёком, свойства которых оказались ухудшенными в результате деятельности человека.

Сточные воды классифицированы по следующим признакам:

по источнику происхождения:

производственные (промышленные) сточные воды (образующиеся в технологических процессах производств);

бытовые (хозяйственно-бытовые) сточные воды (образующиеся в результате бытовой жизнедеятельности человека);

поверхностные сточные воды (делятся на дождевые и талые-образующиеся при таянии снега, льда, града);

Очистка сточных вод - это разрушение или удаление из них загрязняющих веществ, обеззараживание и удаление патогенных организмов.

Существует большое многообразие методов очистки, которые можно разделить на следующие основные группы по основным используемым принципам: физические (основаны на гравиметрических и фильтрационных методах разделения); химические (основаны на реакциях компонентов сточных вод с реагентами); физико-химические (основаны на совмещении физических и химических методов в процессе очистки сточных вод); биологические (в основе этих методов лежит использование микроорганизмов, разлагающих органические соединения в сточных водах).

Техника безопасности при обслуживании аппарата.

Ректификационные колонны перед пуском должны быть осмотрены, проверена исправность и готовность к работе всех связанных с ними аппаратов и трубопроводов, исправность контрольно-измерительных приборов, регуляторов температуры и давления в колонне, измерителей уровня жидкости в нижней части колонны, приемниках ректификата, ректификационных емкостях и емкостях остатка.

Пуск ректификационной установки в работу должен производиться строго в установленной последовательности, которая должна быть указана в технологической инструкции.

При работе ректификационной колонны необходимо непрерывно контролировать параметры процесса и исправность аппарата.

Для улавливания жидкости, которая может быть выброшена вместе с парами и газами через предохранительный клапан наружу на линии за предохранительным клапаном следует иметь сепаратор. Уровень жидкости в сепараторе не должен превышать установленного предела.В зимнее время на открытых установках не реже одного раза в смену необходимо проверять состояние колонны, продуктопроводов, водяных линий, дренажных отростков на паропроводах и аппаратах, спускных линий и т. д.

В этот период следует обеспечить непрерывное движение в коммуникации для предотвращения их разрыва. Спускные и дренажные линии, а также наиболее опасные участки для подачи воды, щелочи, других замерзающих жидкостей должны быть утеплены.

Необходимо следить за тем, чтобы поврежденные участки теплоизоляции ректификационных колонн и их опор своевременно ремонтировались. Теплоизоляция должна быть чистой, исправной и выполнена так, чтобы при утечках не могли образовываться скрытые потоки жидкости по корпусу.

Чистку внутренней поверхности колонны следует вести осторожно не искрящими инструментами.

Отложения, снимаемые со стенок при очистке необходимо складывать в металлическую посуду и удалять из помещения или с установки.

При обнаружении утечки в ректификационных колоннах необходимо подать водяной пар или азот к местам пропуска для предотвращения возможного воспламенения или образования смесей взрывоопасных концентраций.

2. ИНЖЕНЕРНЫЙ РАЗДЕЛ

2.1 Теоретический расчет аппарата

Работа ректификационной колонны характеризуется материальным балансом по потокам и каждому компоненту смеси. Для бинарной смеси обычно составляют баланс по низкокипящему компоненту.

Материальный баланс может вычисляться в массовых и мольных долях. Расчеты ректификационных аппаратов количество и состав фаз удобнее проводить в молярных величинах.

Для процессов, осуществляемых в ректификационных аппаратах при противоточном взаимодействии потоков жидкости и пара, принимают следующие допущения:

Мольные теплоты испарения компонентов одинаковы, т.е. при конденсации каждого Кмоль пара испаряется такое же количество Кмоль жидкости. Следовательно, количество пара, движущегося в аппарате снизу вверх, выраженное в Кмоль, одинаково в любом сечении ректификационной колонны.

При конденсации пара в дефлегматоре изменения его состава не происходит, т.е. состав пара, выходящего из верхней части колонны, равен составу получаемого дистиллята и флегмы (yD = xD).

При испарении кубовой жидкости в испарителе изменение ее состава не происходит, т.е. состав жидкости, выгружаемой из нижней части колонны, равен составу возвращаемого в колонну пара (yW = xW).

Теплоты смешения компонентов разделяемой смеси равны нулю.

Материальный баланс для всей колонны.

Уравнение материального баланса состоит из двух равенств:

по входящим и выходящим потокам:

GF = GD + GW (1.1)

где GF - количество смеси, поступающей на ректификацию;

GW - количество получаемого кубового остатка;

по низкокипящему компоненту в этих потоках:

GF xF = GD xD + GW xW (1.2)

где xF, xD, xW - содержание низкокипящего компонента соответственно в исходной смеси, дистилляте, кубовом остатке;

GF - количество смеси, поступающей на ректификацию;

GD - количество получаемого дистиллята;

GW - количество получаемого кубового остатка.

Далее рассчитывают рабочее флегмовое число при некотором значении ц. Флегмовое число - отношение количества дистиллята, возвращенного в колонну в виде жидкости (флегмы), к количеству дистиллята, отобранного в качестве готового продукта.

R = ц? Rmin (1.8)

где ц - коэффициент избытка флегмы (при расчетах колонн обычно выбирается в пределах 1..4);

R - флегмовое число;

Rmin - минимальное флегмовое число.

Определение числа теоретических тарелок:

Существуют графические и аналитические методы определения числа теоретических тарелок (ЧТТ).

Среди графических методов определения ЧТТ наибольшее распространение получили метод Мак - Кэба - Тиле и метод Поншона - Савари.

Число теоретических тарелок по методу Мак - Кэба - Тиле определяется по результатам построения ступенчатой линии, проведенной между кривой равновесия и рабочими линиями в интервале концентраций (xD, xW). Число теоретических тарелок равно числу полученных таким образом ступеней, пронумерованных сверху вниз

Метод достаточно прост, но обеспечивает относительно небольшую точность расчета в тех случаях, когда рабочая и равновесная линии располагаются близко друг к другу.

Метод Поншона - Савари применяется, если мольные теплоты испарения разделяемых компонентов неодинаковы. Метод основан на применении энтальпийной диаграммы, либо диаграммы у - х, в которой рабочие линии построены по данным энтальпийной диаграммы. Этот метод расчета не нашел широкого применения из-за ограниченности данных по энтальпиям газовых систем.

Реальное число тарелок (число действительных тарелок, ЧДТ) в колонне всегда больше числа теоретических.

Выбор флегмового числа.

Выбор оптимального флегмового числа связан с необходимостью снижения эксплуатационных и энергетических затрат без потери качества получаемых продуктов. С этой целью задаются некоторые значения Rmin < R < R? и на диаграмму у - х наносят соответствующие им рабочие линии процесса. Далее проводят построение ступеней на диаграмме у - х для каждого R и строят график зависимости числа тарелок в колонне от флегмового числа. Это наиболее простой метод выбора флегмового числа.

Определение оптимального флегмового числа.

Для нахождения оптимального флегмового числа, на диаграмме у - х проводят построения рабочих линий при некоторых значениях ц, взятых обычно в диапазоне от 1 до 4. Далее находят общее количество теоретических тарелок (ЧТТ) и строят график зависимости числа тарелок от флегмового, в координатах: ЧТТ (R + 1) - ось ординат и R - ось абсцисс.

После нахождения отрезка В строят рабочие линии и проводят ступени между рабочей и равновесной линиями, подсчитывают общее число тарелок (ЧТТ).

Определение скорости пара и диаметра колонны.

Средняя концентрация жидкости в верхней части колонны вычисляется по формуле:

а) в верхней части колонны.

б) в нижней части колонны.

Средние температуры пара определяются по диаграмме t - x, y:

а) при yсрв

б) при yсрн

А также вычисляем среднюю температуру пара во всей колонне по формуле: где - средняя температура пара во всей колонне, К;

Средняя температура пара в верхней части колонны, К;

Средняя температура пара в нижней части колонны, К.

Средняя мольная масса нижней части колонны вычисляется по формуле:

Мсрн = yсрн + (1 - yсрн) (2.7)

Средняя мольная масса верхней части колонны вычисляется по формуле:

Мсрн = yсрв + (1 - yсрв) (2.8)

где yсрн - средняя концентрация пара в нижней части колонны;

Молярная масса воды, кг/моль;

Молярная масса уксусной кислоты, кг/моль;

Мсрн - средняя молярная масса пара в нижней части колонны, кг/моль.

Мольная масса дистиллята вычисляется по формуле:

MD = хD + (1 - хD) (3.4)

где - молярная масса уксусной кислоты, кг/моль;

Молярная масса воды, кг/моль;

MD - мольная масса дистиллята, кг/моль.

Определение высоты колонны:

Общая высота колонны Н равна сумме высот отдельных ее секций (рисунок 14) вычисляется по формуле:

H = h1 + h2 + h3 + h4 + h5 + h6 + h7 (3.7)

h2 = hт (ЧДТв - 1) (3.9)

ЧДТв - число действительных тарелок верха.

где hт - расстояние между тарелками, м.

h4 = hт (ЧДТн - 1) (4.1)

где hт - расстояние между тарелками, м.

ЧДТн - число действительных тарелок низа колонны.

h5 - обычно выбирается в пределах 1-2 м.

2.2 Практический расчёт аппарата

Материальный баланс для всей колонны

Из уравнения материального баланса по входящим и выходящим потокам (1.1) и уравнения материального баланса по низкокипящему компоненту (1.2) выражается и вычисляется GD:

GF xF = GD xD + GW xW

GF xF = (GF - GW) xD + GW xW

Строится равновесная кривая и находится значение y*F =83

Выбор оптимального флегмового числа.

Для нахождения Rопт строятся диаграммы у-x.

Для нахождения оптимального флегмового числа задаются значения ц: 1; 2; 2,5; 3; 4.

R = 1 1,6 = 1,6

2) При ц = 2

R = 2 1,6 = 3,2

3) При ц = 2,5

R = 2,5 1,6 = 4

4) При ц = 3

R = 3 1,6= 4,8

5) При ц = 4

R = 4 1,6 = 6,4

Строится график нахождения оптимального флегмового числа находится точка минимума кривой, соответствующей некоторому значению R и определяется оптимальное флегмовое число.

Находится температура верха при хD и температура низа колонны при xW, определяется плотность хлороформа при температуре верха и плотность бензола при температуре низа колонны.

Tверха = 101оС;

Тниза= 108 оС;

(100 оС) = 958 кг/м3;

(105 оС) = 962 кг/м3.

По графику определяется С при заданном расстоянии между тарелками hт = 500мм. для ситчатых тарелок.

2.3 Выбор конструкционного материала

Все конструкционные материалы, применяемые для изготовления массообменной аппаратуры, можно объединить в две группы: металлы и неметаллические материалы.

Для изготовления аппаратов используются стали различных марок: углеродистая сталь (фланцы, болты, валы, трубные решетки, корпуса); высококачественная углеродистая сталь (корпуса, днища, детали эмалированной аппаратуры, а также аппаратура, работающая при высоком давлении и при температуре от - 40 до + 450°С и т. д.), стальное литье (реакторы типа автоклавов, фасонные детали и т д),листовая сталь (аппараты, работающие под давлением до 0,6 МПа и температуре 450 °С);

легированные (специальные) стали - нержавеющие, кислотостойкие, жаропрочные и т.д. (аппараты, выдерживающие воздействие кислот или щелочей при нормальной и повышенной температуре); различные специальные сплавы, такие как ферросилид, антихлор и т, д. (аппараты, работающие в условиях воздействия азотной или соляной кислоты).

В нашем случае Выбор материала производится исходя из условий работы аппарата. Так как среда агрессивная (вода - уксусная кислота), для данных условий ректификации подходит хромоникелевая сталь. Из хромоникелевых сталей наиболее широкое распространение для химического аппаратно- и машиностроения получили стали, содержащие 17-19% Cr и 8-10% Ni. По справочнику выбираем для деталей колонны легированную сталь Х18Н10Т, скорость коррозии 0,1 мм/год. Данная сталь обладает наибольшей химической и коррозионной стойкостью при ее рабочих параметрах, обладает хорошей свариваемостью и допускает холодную и горячую механическую обработку, а также является недефицитной и устойчива в уксусной кислоте любой концентрации при любой температуре до температуры кипения включительно

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведя расчет ректификационной колоны непрерывного действия мы получили следующие результаты:

Количество полученного дистиллята - 4081,1 кг/ч

Количество полученного кубового остатка - 4915,9 кг/ч

Средняя концентрация жидкости в верху колонны - 86

В низу колонны - 39,5

Средняя концентрация пара в верху колонны - 92,3

В низу колонны - 43,35

Средняя температура воды - 375,5 К

Средняя температура пара - 377, К

Средняя молярная масса для верха колонны - 56,6 кг/ моль

Для низа колонны - 36,1 кг/моль

Средняя плотность пара для низа и верха колонны - 1,6кг/

Средняя плотность воды для верха и низа колонны - 960кг/

Скорость пара в колонне - 1,9м/сек.

Мольная масса дистиллята - 18,4кг/моль

Объемный расход проходящего через колонну пара при Тср - 7,5 /с

Диаметр колонны - 2,2 метра

Высота колонны - 25,2 метра

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Ахметов С. А., Сериков Т. П., Кузеев И. Р., Баязитов М. И. «Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа».- СПб: Недра,2006. - 868 с.

2. Бобрецкий Н.В., Юфин В.А. «Основы нефтяной и газовой промышленности».- М.: Недра, 1998. - 199 с.

3. Вержичинская С.В., Дигуров Н.Г., Синицин С.А. «Химия и технология нефти и газа: учебное пособие». - М.: ФОРУМ: ИНФРА, 2007. - 400 с.

4. Данилов А. М. «Книга для чтения по переработке нефти». - СПб: Химиздат, 2012. - 352 с.

5. Кафаров В.В. «Равновесие между жидкостью и паром». - М.: Химия, 2002. -248с.

6. Кутепов А.М. «Процессы и аппараты». - М.: Химия, 2004. - 304 с.

7. Медведева В. С. «Охрана труда и противопожарная защита в химической промышленности». -М. : Химия, 1989. - 288 с.

8. Павлов К.Ф., Романов П.Т. «Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии». - М.: Химия, 1987. - 640 с.

9. Плановский А.Н., Николаев П.И. «Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии». - М.: Химия, 2002. - 302 с.

10. Суханов В. П. «Переработка нефти».-М.: Высшая школа, 1979.-335 с.

11. Фарамазов С.А. «Оборудование нефтеперерабатывающих заводов и его эксплуатация». - М.: Химия, 1984. - 328 с.

12. Эрих В.Н. «Химия нефти и газа». - М.: Химия, 1986. - 282 с.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Технологическая схема процесса ректификации. Конструкция тарельчатой ректификационной колонны и массообменных тарелок. Равновесные составы жидкости и пара. Материальный баланс процесса ректификации. Молекулярная масса смеси, расходы флегмы и пара.

курсовая работа , добавлен 19.09.2014


Физическая сущность ректификации. Экономические и технические преимущества технологии Линас по сравнению с традиционными ректификационными технологиями. Расчет ректификационной насадочной колонны для разделения бинарной смеси этиловый спирт-вода.

курсовая работа , добавлен 04.04.2013


Основы процесса ректификации и расчета ректификационных колонн. Схема работы и виды колпачковых тарелок. Принципиальная схема процесса ректификации. Тепловой расчёт установки. Расчет тарельчатой ректификационной колонны. Подробный расчет дефлегматора.

курсовая работа , добавлен 20.08.2011


Процесс ректификации играет ведущую роль среди процессов разделения промышленных смесей. В промышленности разделению подвергаются многокомпонентные смеси как простых зеотропных, так и сложных азеотропных смесей. Методы разделения неидеальных смесей.

дипломная работа , добавлен 04.01.2009


Определение состава продуктов полного сгорания газа. Расчет адиабатной температуры горения газовой смеси при постоянном объеме и при постоянном давлении. Кинетические константы реакции самовоспламенения природного газа. Предел воспламенения газовой смеси.

курсовая работа , добавлен 19.02.2014


Ацетон и хлороформ входят в состав смеси растворителей, которые применяются в производстве термостабилизатора стабилина-9. Для их регенерации было предложено использовать экстрактивную ректификацию с тяжелокипящим разделяющим агентом диметилформамидом.

дипломная работа , добавлен 04.01.2009


Общие подходы к синтезу технологических схем разделения. Поливариантность организации технологического процесса разделения. Критерии оптимизации. Методы синтеза технологических схем разделения. Методы синтеза, основанные на эвристических правилах.

дипломная работа , добавлен 04.01.2009


Описание установки непрерывного действия для ректификации. Определение рабочего флегмового числа и диаметра колонны. Вычисление объемов пара и жидкости. Расчет кипятильника. Выбор насоса для выдачи исходной смеси на установку, анализ потерь напора.

курсовая работа , добавлен 26.11.2012


Средняя плотность пара в ректификационной колонне. Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре, получаемой в кубе-испарителе, в водяном холодильнике кубового остатка, в водяном холодильнике дистиллята. Расчет удельных диаметров фланцев.

курсовая работа , добавлен 13.10.2011


Суть перегонки жидкостей - процесса, в котором разделяемая жидкая смесь нагревается до кипения, а образующийся пар отбирается и конденсируется. Равновесие в системе пар-жидкость. Закон Рауля. Материальный баланс непрерывной ректификации бинарных смесей.

Одним из наиболее распространенных методов разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или большего числа компонентов, является перегонка (дистилляция и ректификация). В широком смысле перегонка представляет собой процесс, включающий частичное испарение разделяемой смеси и последующую конденсацию образующихся паров, осуществляемые однократно или многократно. В результате конденсации получается жидкость, состав которой отличается от состава исходной смеси.

Ректификация представляет собой процесс многократного частичного испарения жидкости и конденсации паров. Процесс осуществляется путем контакта потоков пара и жидкости, имеющих различную температуру, и проводятся обычно в колонных аппаратах. При каждом контакте из жидкости испаряется преимущественно низкокипящий компонент (НКК), которым обогащаются пары, а из паров конденсируются преимущественно высококипящий компонент (ВКК), переходящий в жидкость. Такой двусторонний обмен компонентами, повторяемый многократно, позволяет получить, в конечном счете, пары, представляющие собой почти чистый НКК. Эти пары после конденсации в отдельном аппарате дают дистиллят (ректификат) и флегму - жидкость, возвращаемую для орошения колонны и взаимодействия с поднимающимися парами. Пары получают путем частичного испарения снизу колонны остатка, являющегося почти чистым ВКК.

Процессы ректификации осуществляются в аппаратах, технологическая схема которых зависит от назначения аппарата и давления в нем, а конструкция - от способа организации контакта фаз.

При ступенчатом осуществлении процесса ректификации в колонных аппаратах контакт пара и жидкости может происходить в противотоке (на тарелках провального типа), в перекрестном токе (на колпачковых тарелках), в прямотоке (струйные тарелки).

Если процесс ректификации осуществляется непрерывно во всем объеме колонного аппарата, то контакт пара и жидкости при движении обеих фаз может происходить только в противотоке. Современные ректифицирующие аппараты можно классифицировать в зависимости от технологического назначения, давления и внутреннего устройства, обеспечивающего контакт между паром и жидкостью.

По технологическому назначению ректификационные аппараты подразделяются на колонны атмосферно-вакуумных установок, термического и каталитического крекингов, вторичной перегонки нефтепродуктов, а также для ректификации газов, стабилизации легких нефтяных фракций и т.д.

К современным ректификационным аппаратам предъявляются следующие требования: высокая разделительная способность и производительная способность, достаточная надежность и гибкость в работе, низкие эксплуатационные расходы, небольшой вес и простота, техничность конструкции.

Последние требования не менее важны чем первые, поскольку они не только определяют капитальные затраты, но и в значительной мере влияют на величину, эксплутационных расходов, обеспечивают легкость и удобства изготовления аппарата, монтажа и демонтажа, ремонта, контроля, испытания, а также безопасность эксплуатации и пр.

Кроме перечисленных выше требований ректификационные аппараты должны отвечать также требованиям государственных стандартов, ведомственных нормалей и инспекций Гостехнадзора.

Технологическая схема аппарата зависит от состава разделяемой смеси, требований к качеству получаемых продуктов, от возможностей уменьшения энергетических затрат, назначения аппарата, его места в технологической цепочке всей установки и от многих других факторов.

Процесс ректификации жидких смесей осуществляется на ректификационных установках, состоящих из нескольких аппаратов. Рассмотрим принцип разделения двухкомпонентной смеси ректификацией на примере работы подобной установки (рис. 10.1). Подлежащая разделению смесь непрерывно подается в ректификационную колонну через ввод, расположенный несколько выше середины корпуса колонны. Введенная жидкая смесь опускается по контактным устройствам (тарелкам) в нижнюю часть колонны, называемую кубом. Навстречу потоку жидкости поднимается пар, образующийся в результате кипения жидкости в кубе колонны. Образующиеся пары содержат в основном НКК и некоторое количество ВКК. При взаимодействии пара с жидкостью на тарелках колонны ВКК конденсируется и уносится вниз колонны потоком жидкости. За счет этого в поднимающихся парах возрастает количество НКК . Таким образом, при подъеме паров они обогащаются НКК , в то время как жидкость, стекающая вниз, обогащается ВКК .

Исходная смесь из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подается в теплообменник 3, где подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси. Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с под­нимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка, т. е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обо­гащается легколетучим компонентом

Рис. 10.1. Принципиальная схема ректификационной установки:

1 - ёмкость для исходной смеси; 2, 9 - насосы; 3- теплообменник- подогреватель исходного сырья; 4 – кипятильник; 5 – ректификационная колонна; 6 – дефлегматор; 7 – холодильник дистиллята; 8 – емкость для сбора дистиллята; 10 – холодильник кубовой жидкости; 11 – емкость для кубовой жидкости.

Для более полного обо­гащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с за­данным флегмовым числом жидкостью (флегмой), которая получается в дефлегматоре 6 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из де­флегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7, и направляется в промежуточную емкость 8.

Из кубовой части колонны насосом 9 непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 10 и напра­вляется в емкость 11.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят с высоким содержанием легко­летучего компонента и кубовой остаток, обогащенный трудно­летучим компонентом.

Ректификацию многокомпонентных смесей, а они в практике встречаются чаще, чем двухкомпонентные, протекает по рассмотренной выше схеме, хотя число используемой при этом аппаратуры увеличивается.

В ректификационных установках используют главным образом аппараты двух типов: колонны со ступенчатым контактом фаз (тарельчатые) и непрерывным контактом (пленочные и насадочные).

Ректификацию многокомпонентных смесей можно проводить в различной последовательности, с использованием многих простых колонн (на одну меньше числа компонентов исходной смеси) и с использованием одной сложной колонны.

Для процесса ректификации в основном применяют тарельчатые колонны. В них устанавливают горизонтальные тарелки с устройствами, обеспечивающими хороший контакт между жидкостью и паром.

Диаметр колонны определяют в зависимости от производительности установки и скорости паров в колонне, которую выбирают в пределах 0,6 - 1,0 м/с . Находят применение ректификационные колонны различных размеров: от небольших колонн диаметром 300 - 400 мм до высокопроизводительных установок, с колоннами диаметром 6, 8, 10, 12 м и более.

Высота колонны зависит от числа тарелок и расстояния между ними. Чем меньше расстояние между тарелками, тем ниже колонна. Однако при уменьшении расстояния между тарелками увеличивается унос брызг и возникает опасность перебросав жидкости с нижних тарелок на верхние, что существенно уменьшает к.п.д. установки. Расстояние между тарелками обычно принимают в зависимости от диаметра колонны с учетом возможности ремонта и чистки колонны. Рекомендуемые расстояния между тарелками ректификационных колонн в зависимости от их диаметра приведены ниже:

Диаметр колонны, мм до 800, 800 - 1600, 1600 - 2000

Расстояние между тарелками, мм 200 -350, 350 - 400, 400 - 500

Диаметр колонны, мм от 2000 - 2400 и свыше 2400

Расстояние между тарелками, мм 500 - 600, свыше 600.

Число тарелок ректификационной колонны или высота насадки определяются технологическим расчетом; оно зависит от физико-химических свойств разделяемых компонентов, требуемой чистоты разделения и к.п.д. тарелки. Обычно ректификационные колонны имеют 10 - 30 тарелок, но колонны для разделения смесей с близкими температурами кипения насчитывают сотни тарелок и имеют соответственно высоту до 30 - 90 м .

Ректификационные колонны работают обычно при атмосферном или небольшим избыточным давлением. Ограниченное применение находят вакуумные колонны и колонны, работающие при повышенном давлении. Ректификацию под вакуумом применяют в том случае, когда хотят снизить температуру в колонне, что бывает необходимо при разделении компонентов с высокой температурой кипения или веществ, нестойких при высокой температуре. Ректификацию под повышенным давлением используют для разделения сжиженных газов и легколетучих жидкостей.

Ректификация — процесс разделения смесей взаимно растворимых компонентов, различающихся по температурам кипения, путем противоточного многократного контактирования неравновесных жидкости и пара. Контактирование осуществляется, как правило, в колонных аппаратах на тарельчатых или насадочных контактных устройствах противоточно — пар снизу вверх, жидкость сверху вниз.

Колонный аппарат представляет собой вертикальную стальную трубу с размещенными внутри контактными устройствами. В тарельчатых колоннах контакт происходит ступенчато на отдельных ступенях, называемых тарелками (ситчатые, колпачковые, клапанные и т.д.), обычно путем барботажа пара сквозь слой жидкости или путем распылительного перемешивания, или другим способом, обеспечивающим максимально эффективный тепло- и массообмен. В насадочных колоннах контакт осуществляется непрерывно между паром и жидкой пленкой в слое насадки с развитой поверхностью, которой заполнена колонна (щебень, кольца, пружины, сетки и т.п.).

Жидкость, относительно богатая легкокипящими компонентами, имеющая относительно более низкую температуру, поступает на контактное устройство сверху. Пар, богатый высококипящими компонентами, имеющий более высокую температуру, поступает на контактное устройство снизу. На контактном устройстве жидкость и пар стремятся к равновесию путем тепло- и массообмена. Если равновесие между паром и жидкостью, покидающими контактное устройство достигается, то такое контактное устройство называется теоретической ступенью или теоретической тарелкой.

Простая дистилляция («самогонный аппарат») обеспечивает однократный хороший контакт жидкости и пара и эквивалентна одной теоретической ступени. Реальные тарелки промышленных колонн имеют эффективность 0,3...0,8 теоретической ступени. Для насадочных колонн есть величина, называемая высотой эквивалентной теоретической тарелке, — это высота слоя насадки, массообменная эффективность которого эквивалентна одной теоретической ступени. Эта высота может быть 100...600мм. На контактных устройствах пар обогащается низкокипящим компонентом, а жидкость высококипящим. Проходя последовательно ряд ступеней, жидкость и пар достигают заданных концентраций компонентов. Вверху колонны концентрируется низкокипящие компоненты, внизу — высококипящие. Наращивая число ступеней, можно получить любую заданную четкость разделения компонентов. По высоте колонны концентрации компонентов меняются иногда весьма нелинейно.

В аппаратах непрерывной ректификации сырье вводят примерно на середине высоты колонны, т.е. на ту тарелку, где концентрации компонентов примерно равны таковым у сырья. Сверху колонны отбирают дистиллят, богатый низкокипящими компонентами. Снизу отбирают остаток, богатый высококипящими компонентами. Пары с верхней тарелки колонны охлаждаются в конденсаторе, часть в виде паров или жидкости отбирается как дистиллят, остальное возвращается в колонну в виде жидкости. Жидкость с нижней тарелки нагревается в кипятильнике, часть жидкости отбирается как нижний продукт (остаток), остальное в виде пара возвращается в колонну.

Отношение массового расхода жидкости, поступающей из конденсатора в колонну, к массовому расходу дистиллята называется флегмовым числом . Отношение массового расхода паров из кипятильника к массовому расходу остатка называется паровым числом . Эти числа характеризуют режим работы верхней (выше питания) и нижней (ниже питания) секций колонны. Чем выше флегмовое (и паровое) число, тем легче (меньшим числом ступеней) достигается заданная четкость раделения смеси ректификацией, но также возрастают удельные затраты энергии и уменьшается производительность колонны. Флегмовое (и паровое) число не может быть меньше определенного минимального, при котором заданная четкость ректификации не достигается при сколь угодно большом числе ступеней.

При периодической ректификации в кипятильник соответствующего объема (называемый кубом колонны) загружается порция сырья, в процессе ректификации сырье не добавляют и состав кубового остатка непрерывно меняется от состава сырья до заданного высококипящего остатка. Соответственно сверху колонны отбирают дистиллят изменяющегося по времени состава. Если число компонентов смеси невелико (2...5), а количество ступеней и флегмовое число достаточны для сравнительно четкого разделения, то состав дистиллята и температура на верхней тарелке изменяется ступенчато, вначале дистиллят состоит из концентрированного самого низкокипящего компонента (назовем его первым компонентом), затем следует короткий переходный период, когда дистиллят представляет собой смесь переменного состава, в которой концентрация первого компонента убывает, а концентрация второго компонента возрастает, далее дистиллят состоит из концентрированного второго компонента, и т.д. для всех компонентов. Дистиллят переходных периодов традиционно называют bad cuts, его смешивают со следующей порцией сырья.

Если четкость разделения невелика и/или количество компонентов велико (нефтяные смеси), то ступенчатость состава дистиллята становится незаметной, состав дистиллята и температура на верхней тарелке меняются непрерывно. Многокомпонентные смеси могут быть разделены на индивидуальные компоненты повторной ректификацией узких фракций дистиллятов, содержащих уже небольшое число компонентов. Особенности ректификации нефтяных смесей обусловлены требованиями к качеству разделения на фракции и тем, что нефтяные смеси состоят из тысяч компонентов. Многокомпонентность нефтяных смесей обуславливает непрерывный состав дистиллята при периодической ректификации для любого практически достижимого числа ступеней и флегмового числа.

Качество разделения на фракции определяется по результатам простой дистилляции (стандарт ASTM D86) проб данной фракции, по температурам 5% и 95% отгона. Стандартами на соответствующие нефтепродукты определяется, что перекрытие температур 95% и 5% отгона между соседними фракциями должно быть не более 10...15С. Например, если 95% бензиновой фракции, полученной на данной колонне, отгоняется по D86 не более чем при 180С, то 5% дизельной фракции, полученной на этой же колонне, должно отгоняться по D86 не менее чем при 170С.