Процессы и аппараты в нефтепнреработке

БОУ ОО СПО Омский промышленно-экономический  колледж

 

 

 

 

 

Курсовой  проект

по дисциплине: «Процессы и аппараты»

Расчет  ректификационной колонны

 

 

 

 

 

Выполнил  студент гр. БХ-30

Пушкарёв  Г. А

Проверил  преподаватель

Овчинникова О. Л

 

 

 

 

 

 

2012

 

 

 

 

Введение…...…...………………………………………………………….....……3

 

Лист задания

 

1 Теоретическая часть

 

1.1 Назначение и сущность ректификации..……………………………...8

 

1.2 Оборудование для ректификации………………………………...…..10

 

1.3 Диаграммы дистилляции…………………………….……………......13

 

1.4 Схема ректификационной установки с описанием………………….16

 

1.5 Материальный баланс и уравнение  рабочих линий ……….………..19

 

1.6 Флегмовое  число и его расчет………..…..………………………....25

 

          1.7 Характеристики  используемых веществ……………………………...26      

 

1.8 Охрана  труда и окружающей среды……………………….……….....28

        

         1.9 Выбор конструкционного материала…………………………………30

 

2 Расчетная часть I

 

Выводы……..…….………………..……………………………………………...38

 

Список использованной литературы……………………………………...……...39

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

 

Технологические процессы, скорость которых определяется скоростью  переноса вещества из одной фазы в другую, называются массообменными (диффузными) процессами.

Основными разновидностями массообменных  процессов являются: абсорбция, адсорбция, перегонка, ректификация, кристаллизация, сушка и экстракция.

Абсорбцией  называют процесс поглощения газа или пара жидким поглотителем. Обратный процесс – выделения из жидкостей растворенного газа – называют десорбцией. Абсорбция характеризуется избирательностью (селективностью), т.е. каждое вещество поглощается определенным поглотителем. Различают абсорбцию простую, основанную на физическом поглощении компонента жидким поглотителем, и хемосорбцию, которая сопровождается химической реакцией между извлекаемым компонентом и жидким поглотителем. Примером простой абсорбции служит производство газировки или соляной кислоты, хемосорбция широко применяется в производстве серной и азотной кислот, азотных удобрений и т.д. Аппараты, в которых идут данные процессы, называют абсорберами.

Адсорбция – это процесс избирательного поглощения одного или нескольких компонентов из жидкой или газовой смеси твердым поглотителем – адсорбентом. В качестве адсорбентов широко применяют твердые вещества с высокоразвитой поверхностью и высокой пористостью(активные угли, силикагели, алюмогели, цеолиты – водные алюмосиликаты кальция и натрия и др.) Адсорбция применяется в промышленности  для очистки и сушки жидкостей и газов, для разделения смесей различных жидкостей и газообразных веществ, извлечения летучих растворителей , осветления растворов, для очистки воды и др. Адсорбция используется в химической, нефтяной, лакокрасочной, полиграфической и других отраслях промышленности.

Для поглощения летучих растворителей и паров  органических веществ чаще всего  используют активированный уголь (противогазы), для сушки газов – силикагели и цеолиты, для очистки воды от растворенных солей – иониты. Адсорберы  работают как фильтры (обычно с неподвижным  слоем адсорбента). Все они периодического действия: после насыщения адсорбент  должен быть восстановлен (регенерирован) обратным процессом – десорбцией. Последняя протекает при нагреве  адсорбента острым паром, который отгоняет поглощенные вещества. Затем адсорбент  сушат, охлаждают и используют снова.

Перегонка и ректификация - основаны на различных температурах кипения фракций, составляющих жидкость. Существуют два принципиально отличных вида перегонки: простая (однократная) перегонка и ректификация.

Простая перегонка – это однократный  процесс частичного испарения низкокипящей фракции с последующей конденсацией образовавшихся паров, а ректификация – это процесс многократного (или непрерывного) испарения и  конденсации  паров исходной смеси. В результате ректификации получают более чистые конечные продукты. Жидкость, полученная в результате этого, называют дистиллятом, или ректификатом. Процессы перегонки и ректификации находят  широкое применение в химической и спиртовой промышленности, в  производстве лекарственных препаратов, в нефтеперерабатывающей промышленности и т.д. 

  Кристаллизацией называется  выделение твердой фазы  в виде кристаллов из растворов или расплавов. Кристаллизация начинается с образования центров (или зародышей) кристаллизации. Скорость их образования зависит от температуры, скорости перемешивания и т.д. С повышением температуры скорость роста кристаллов увеличивается, однако это приводит к образованию более мелких кристаллов и часто вызывает  снижение движущей силы процесса. Крупные кристаллы легче получить при медленном их росте без перемешивания и небольших степенях пересыщения растворов, однако это снижает производительность процесса кристаллизации. Нахождение оптимальной скорости кристаллизации и составляет одну из основных задач этого процесса.

Широко  применяются несколько способов кристаллизации: кристаллизация с охлаждением, кристаллизация с удалением части  растворителя, а также вакуум-кристаллизация. В зависимости от способа кристаллизации применяют кристаллизаторы периодического и непрерывного действия.

Кристаллизация  лежит в основе металлургических и литейных процессов, получения  покрытий, пленок, применяемых в  микроэлектронике, а также используется в химической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности. Кристаллизация является завершающей стадией в производстве минеральных солей, удобрений, органических и особо чистых веществ. Особое значение в промышленности имеет процесс кристаллизации металлов из расплавов.

Экстракция ( от позднелат. Exctractio – извлечение ), экстрагирование, процесс разделения смеси жидких или твёрдых веществ с помощью изберательных ( селективных ) растворителей ( экстрагентов ). Процесс Э. включает 3 последовательные стадии: смешение исходной смеси веществ с экстрагентом; механическое разделение (расслаивание) двух образующихся фаз; удаление экстрагента из обеих фаз и его регенирацию  с целью повторного использования. 

Сушкой называют процесс удаления влаги из различных (твердых, жидких и газообразных) материалов. Влага может быть удалена испарением, сублимацией, вымораживанием, токами высокой частоты, адсорбцией и т.д. Однако наиболее распространена сушка испарением за счет подвода теплоты. Более экономичным является последовательное удаление влаги фильтрацией, центрифугированием (с содержанием остаточной влаги 10…40 %), а затем тепловой сушкой. По способу подвода тепла к материалу различают: конвективную, контактную, радиационную, диэлектрическую (СВЧ) и другие.

Все перечисленные процессы характеризуются  переходом вещества из одной фазы в другую и называются массопередачей.

Скорость  массопередачи при заданной температуре  зависит от интенсивности молекулярной диффузии, т.е. способности самопроизвольного  проникновения одного вещества в  другое за счет беспорядочного движения молекул.  Процесс переноса массы  из одной фазы в другую происходит за счет разности концентраций вещества в этих фазах до тех пор, пока не будет достигнуты условия равновесия. Движущая сила процесса массопередачи  определяется разностью концентраций фаз (выражается через разницу между  рабочими и равновесными концентрациями распределяемого компонента в первой и второй фазах соответственно). Количество массы, передаваемое из одной  фазы в другую, зависит от поверхности  раздела фаз, продолжительности  процесса и разности концентраций.

В данной курсовой работе рассмотрены  основы процесса ректификации, классификация  ректификационных колонн по конструкции  внутреннего устройства, по периодичности  действия и по способу организации  движения потоков контактирующих фаз.  Согласно заданию на курсовую работу, в котором указаны компоненты бинарной смеси: хлороформ-бензол, выбрана колонна с ситчатыми тарелками, и проведен её расчет по исходным данным, указанным в задании. Выполнен расчет материального баланса и тепловой расчет, определены основные размеры аппарата.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лист задания

Рассчитать ректификационную колонну  непрерывного действия с ситчитыми тарелками для разделения под атмосферным давлением смеси хлороформ-бензол. Содержание низкокипящего компонента в питании X_F=38%, в дистилляте Х_D=96 %, в кубовом остатке X_W=7 % масс. Расход смеси 7000кг/час. В расчет входит выбор флегмового числа, определение основных размеров колонны – высоты и диаметра, количество расходов дистиллята и кубового остат

 

Таблица 1

Хлороформ - бензол
t-0С	% (мол.) хлороформа
	(x) В жидкости	(y) В паре
80,6	0	0
79,8	8	10
79,0	15	20
78,2	22	30
77,3	29	40
76,4	36	50
75,3	44	60
74,0	54	70
71,9	66	80
68,9	79	90
61,4	100	100

 

 

 

 

1 Теоретическая часть

 

1.1 Сущность, назначение и преимущества ректификации.

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

Возможность разделения жидкой смеси на составляющие её компоненты ректификацией обусловлена  тем, что состав пара, образующегося  над жидкой смесью, отличается от состава  жидкой смеси в условиях равновесного состояния пара и жидкости.

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

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

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2 Оборудование для ректификации и конструктивный материал

 

Колонны с тарелками, или тарельчатые  колонны, являются эффективными и наиболее распространенными аппаратами. Они  выполняются в виде вертикальных цилиндров, внутри которых одна под  другой размещено определенное количество горизонтальных перегородок – тарелок, обеспечивающих возможность течения жидкости сверху вниз, а газа или пара снизу вверх.

Различают тарельчатые колонны с переливными  устройствами и колонны с неорганизованным переливом жидкости, или с провальными  тарелками.

Колонны с  провальными тарелками по характеру  гидродинамики потоков аналогичны насадочным колоннам, работающим в  режиме подвисания. На тарелках одновременно происходит барботаж газа или пара через слой жидкости и частичное  «проваливание» жидкости. Газ (пар) движется снизу вверх только через часть  отверстий или щелей пульсирующим потоком. Распределение пропускающих газ или жидкость отверстий носит  статистический характер, жидкость стекает  с тарелки на тарелку в местах максимального статического давления.

Тарельчатые колонны с переливными устройствами. Эти аппараты снабжены горизонтальными  тарелками и переливными устройствами. Жидкость поступает на верхнюю тарелку, переливается через переливные устройства сверху вниз и удаляется из нижней части аппарата. Газ (пар) вводится в  нижнюю часть аппарата и перемещается вверх, распределяясь на каждой тарелке  в виде пузырьков или факелов. В зависимости от способа распределения  газа (пара) на тарелках различают тарелки  ситчатые и колпачковые.

 

Ситчатые тарелки

       Колонна с ситчатыми  тарелками представляет собой  вертикальный цилиндрический корпус 1 с горизонтальными тарелками  2, в которых равномерно по всей  поверхности просверлено значительное  число отверстий диаметром 1- 5мм. Для слива слива жидкости и  регулирования её уровня на  тарелки служат трубки, нижние  концы которых погружены в  стаканы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис 1. Колонна с ситчатыми тарелками

 

 

 

 

 

Рис 2. Ситчатая тарелка

Газ проходит сквозь отверстия и  распределяется в жидкости в виде струек и пузырьков. При слишком  малой скорости газа жидкость может  просачиваться через отверстия  тарелки на нижерасположенную, что  должно привести к существенному  снижению интенсивности массопередачи. Поэтому газ должен двигаться  с определённой скоростью и иметь  давление, достаточное для того чтобы, преодолевать давление слоя жидкости на тарелки и предотвратить стекание жидкости через отверстия тарелки.

Сетчатые тарелки отличаются простотой  устройства, легкостью монтажа, осмотра  и ремонта. Гидравлическое сопротивление  этих тарелок не велико. Ситчатые  тарелки устойчиво работают в  довольно широком интервале скоростей  газа, причем в определённом диапазоне  нагрузок по газу и жидкости, эти  тарелки обладают высокой эффективностью. Вместе с тем ситчатые тарелки  чувствительны к загрязнению  и осадкам, которые забивают отверстия  тарелок. В случае внезапного прекращения  поступления газа или значительное снижение его давления с ситчатых тарелок сливают жидкость и для  возобновления процесса требуется  вновь запустить колонну.

 

 

 

1.3 Диаграммы дистилляции

Рис.3 Диаграмма t-x-y: зависимость температуры кипения и температуры конденсации от состава фаз

 

Для построения диаграммы откладывают на оси  ординат при постоянном внешнем  давлении температуры кипения чистых компонентов  и t₁,t₂…,соответствующие составам жидких смесей х₁,х₂ …,отложенным на оси абсцисс. Через полученные точки А₁,А₂ … и точки отвечающие температурам кипения чистых компонентов, проводят линию кипения. Затем на оси абсцисс откладывают определенные по закону Рауля – Дальтона равновесия составы паров y_1,y₂ …и проводят из соответствующих им точек прямые до пересечения с изотермами t₁,t₂ …, соединяют точки В₁,В₂ …и получают кривую конденсации.

При пользовании  диаграммой на оси абсцисс откладывают  состав жидкостей смеси  и проводят из нее вертикаль до пересечения  с линией кипения. Из точки пересечения  проводят горизонталь вправо до пересечения  с  линией конденсации. Абсцисса точки  пересечения характеризует состав равновесного пара.

 

 

Рис.4  Диаграмма у-х : диаграмма равновесия пар-жидкость

 

На фазовой  диаграмме у-х наносится линия  равновесия ,выражающая зависимость  между равновесными составами ( по НК ) жидкой Х и паровой Y фаз. С жидкостью,  представляющей собой чистый НК находится в равновесии пар, в котором содержится 100% НК, поэтому крайние точки кривой равновесия расположены в противоположных углах квадрата. Кривая равновесия и диагональ квадрата ограничивают область взаимного существования двух фаз. Поэтому чем ближе кривая к диагонали, тем труднее осуществить разделение смеси.

Основные законы

П – общее  давление паров над жидкой смесью.

Р^о – давление насыщенных паров или давление чистого компонента над жидкостью.

Р – парциальное  давление или давление паров отдельного компонента паровой фазы.

НКК - низкокипящий компонент

ВКК - высококипящий  компонент

1) Закон Дальтона 

Общее давление паров равно сумме парциальных  давлений компонентов

 

В смеси  газов, химически не реагирующих  между собой, каждый компонент ведет  независимо от других, то есть он сохраняет  все свои физические свойства

независимо сколько других газов  находятся в смеси с ним. Важнейшее  следствие закона Дальтона – общее  давление газовой смеси P равно сумме парциальных давлений p, всех входящих в нее газов.

 

При растворении  газовых смесей каждый газ растворяется независимо от других газов порциально своему порциальному давлению. Реальные газы отклоняются от закона Дальтона

2) Закон Рауля

 
Взаимная растворимость двух жидкостей  определяется тем, насколько сходно строение их молекул («подобное растворяется в подобном»). Для неполярных жидкостей, например углеводородов, характерны слабые межмолекулярные взаимодействия, поэтому  молекулы одной жидкости легко проникают  между молекулами другой, т.е. жидкости хорошо смешиваются. Напротив, полярные и неполярные жидкости, например вода и углеводороды, смешиваются друг с другом плохо. Каждой молекуле воды нужно сначала вырваться из окружения  других таких же молекул, сильно притягивающими ее к себе, и проникнуть между  молекулами углеводорода, притягивающими ее слабо. И наоборот, молекулы углеводорода, чтобы раствориться в воде, должны протиснуться между молекулами воды, преодолевая их сильное взаимное притяжение, а для этого нужна  энергия. При повышении температуры  кинетическая энергия молекул возрастает, межмолекулярное взаимодействие ослабевает и растворимость воды и углеводородов  увеличивается. При значительном повышении  температуры можно добиться их полной взаимной растворимости. Такую температуру  называют верхней критической температурой растворения (ВКТР).

 
В некоторых случаях взаимная растворимость  двух частично смешивающихся жидкостей  увеличивается при понижении  температуры. Этот эффект наблюдается  в том случае, когда при смешивании выделяется тепло, обычно в результате химической реакции. При значительном понижении температуры, но не ниже точки  замерзания, можно достичь нижней критической температуры растворения (НКТР). Можно предположить, что все  системы, имеющие НКТР, имеют и  ВКТР (обратное не обязательно). Однако в большинстве случаев одна из смешивающихся жидкостей кипит  при температуре ниже ВКТР. У системы  никотин–вода НКТР равна 61° С, а ВКТР составляет 208° C. В интервале 61–208° C эти жидкости ограниченно растворимы, а вне этого интервала обладают полной взаимной растворимостью.

 

Парциальное давление компонентов в паровой  фазе над жидкой смесью прямопропорциональна его содержанию в этой смеси.

х – содержание компонента в жидкости.

 

3) Закон Рауля  – Дальтона

 

1.4 Схема  ректификационной установки с описанием

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.5 Принципиальная схема ректификационной установки:

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

 

Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рис. 5. Исходную смесь (хлороформ-бензол) из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подают в теплообменник 3, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси х_F

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 х_W , т. е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава х_D , получаемой 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 кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).

 

 

1.5 Материальный баланс и уравнение рабочих линий

 

I.Материальный баланс

для всей колонны: G_D + G_W = G_F       

для НКК: G_D· х_D + G_W· x_W = G_F· x_F; где     

G_F – расход питания;

G_D – расход дистиллята;

G_W – расход кубового остатка;

x_F– содержание НКК в питание;

x_D – содержание НКК в дистилляте;

x_W – содержание НКК в кубовом остатке

Y – переменные по высоте колонны неравновесной концентрации НКК в паре;

X – переменные по высоте колонны неравновесной концентрации НКК в жидкости;

 

Для дальнейших расчётов концентрации питания, дистиллята и кубового остатка удобно выражать в мольных долях

М_в – молекулярная масса воды.

 молекулярная масса уксусной  кислоты.

 

 

Питание:

         

 

 

Дистиллят:

         

 

Кубовый остаток:

   (1.5)

 

 

Определение скорости пара и диаметра колонны

Средние концентрации жидкости

а) в верхней  части колонны

x^’_ср ; где

 

x^’_cр - средние концентрации жидкости в верхней части колонны.

x_D - концентрация дистиллята.

x_F - концентрация питания.

 

б) в нижней части колонны

 

x^”_ср = ; где

x”_ср - средние концентрации жидкости в нижней части колонны.

x_w - концентрация кубового остатка.

x_F - концентрация питания.

 

Относительный мольный расход питания

 

F ; где

F - относительный мольный расход питания.

 

Уравнения рабочих линий процесса ректификации

а) в верхней  части колонны

 

 

 

б) в нижней части колонны

 

 

В дальнейшем находим средние концентрации пара по уравнениям рабочих линий в  верхней и нижней частях колонны.

Средние температуры пара в колонне определяем по диаграмме t – x, y.

 

Средние мольные массы и плотности  пара

а) ; где    

 средняя концентрация пара в верхней части колонны.

 мольная масса воды (кг/моль).

 мольная масса уксусной кислоты (кг/моль).

; где

средняя мольная масса пара в  верхней части колонны, (кг/кмоль).

температура , 273К.

средняя температура пара в верхней  части колонны, (К).

б) ; где

 

средняя концентрация пара в нижней части колонны.

 мольная масса воды (кг/моль).

 мольная масса уксусной кислоты (кг/моль).

;где 

средняя мольная масса пара в  нижней части колонны (кг/кмоль).

 средняя температура пара в нижней части колонны (К).

температура, 273К.