Расчет и проектирование ректификационной установки непрерывного действия для разделения бинарной смеси бензол – хлорбензол
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра процессов и аппаратов химических производств
РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ
ЗАПИСКА
к курсовой работе
по курсу “Технологические процессы и аппараты отросли”
на тему:
"Расчет и проектирование ректификационной установки непрерывного действия для разделения бинарной смеси бензол – хлорбензол "
Разработал: студент 4 курса, 4 гр.
факультета ХТиТ
Боровой А.Ф.
МИНСК 2005
РЕФЕРАТ
Данная пояснительная записка содержит листов 43, рисунков 18, литературных источника 4.
Ректификационная колонна, хлорбензол-бензол, тарелка, теплообменник, дефлегматор, насос, дистиллят, кубовый остаток, флегма, кубового испарителя, холодильник кубового остатка, делитель флегмы.
В данной работе проведён краткий теоретический обзор разрабатываемого процесса, спроектирована ректификационная установка непрерывного действия для разделения бинарной смеси хлороформ-бензол, приведён её расчёт, подробный расчёт кубового испарителя, произведён подбор и расчёт вспомогательного оборудования. Также работа содержит описание технологической схемы установки разделения заданной смеси, обоснование выбора аппаратурного оформления.
ВВЕДЕНИЕ
В химической промышленности осуществляются разнообразные процессы, в которых исходные материалы в результате химического взаимодействия претерпевают глубокие превращения, сопровождающиеся изменением агрегатного состояния, внутренней структуры и состава вещества. Наряду с химическими процессами протекают физические и физико-химические процессы. К ним относятся: перемешивание жидкостей и твердых материалов, нагревание и охлаждение веществ, выпаривание растворов, сушка материалов и др.
Технология производства самых разнообразных химических продуктов и материалов (кислот, щелочей, солей, минеральных удобрений, красителей, полимерных и синтетических материалов и т.д. ) включает ряд однотипных физических и физико-химических процессов. Эти процессы в различных производствах проводятся в аналогичных по принципу действия машинах и аппаратах.
Процессы и аппараты, общие для различных отраслей химической технологии, получили название основных процессов и аппаратов. Одним из основных процессов является перегонка (ректификация) – процесс разделения жидких смесей, основанный на различии давления паров компонентов смеси.
К числу основных аппаратов относятся тарельчатые и насадочные колонны, широко применяемые не только для проведения процессов ректификации, но также для извлечения компонентов из газовых или паровых смесей жидким поглотителем, очистка газов от пыли и т.д.
Насосы и компрессоры, фильтры и центрифуги, теплообменники и сушилки также относятся к числу основных аппаратов и машин, которые в разных сочетаниях составляют типовое оборудование большинства химических производств.
В курсе “ Процессы и аппараты “ изучается теория основных процессов, принципы устройства и методы расчета аппаратов и машин, используемых для проведения этих процессов.
В этом курсе изучаются также закономерности перехода от лабораторных процессов и аппаратов к промышленным.
В науке о процессах и аппаратах изучается макрокинетика основных процессов химической технологии. При этом используются данные по микрокинетике, характеризуемой элементарными, независимо протекающими на молекулярном уровне процессами.
Таким образом, курс “ Процессы и аппараты “ является инженерной дисциплиной, представляющей собой важный раздел теоретических основ химической технологии.
Одним из основных процессов является ректификация. Ректификация известна с начала XIX века как один из важнейших технологических процессов. В настоящее время её все шире применяют в самых различных областях химической технологии, где выделение компонентов в чистом виде имеет весьма важное значение ( в производствах органического синтеза, изотопов, полимеров, полупроводников и других различных веществ высокой чистоты ).
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ
ОБЗОР
1.1. Теоретические основы ректификации
Достаточно высокая степень разделения однородных жидких смесей на компоненты может быть достигнута путем ректификации. Сущность процессов, из которых складывается ректификация, и получаемые при этом результаты можно проследить с помощью t - x - y -диаграммы (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Диаграмма фазового равновесия (t -x-y)
Нагрев исходную смесь состава х1 до температуры кипения получим находящийся в равновесии с жидкостью пар. Отбор и конденсация этого пара дают жидкость состава х2 обогащенную НК (х2 > х1). Нагрев эту жидкость до температуры кипения t2, получим пар, конденсация которого дает жидкость с еще большим содержанием НК, имеющую состав х3, и т. д. Проводя таким образом последовательно ряд процессов испарения жидкости и конденсации паров, можно получить в итоге жидкость (дистиллят), представляющую собой практически чистый НК.
Аналогично, исходя из паровой фазы, соответствующей составу жидкости х3, путем проведения ряда последовательных процессов конденсации и испарения можно получить жидкость, состоящую почти целиком из ВК.
В простейшем виде процесс многократного испарения можно осуществить в многоступенчатой установке, в первой ступени которой испаряется исходная смесь.
На вторую ступень поступает на испарение жидкость оставшаяся после отделения паров в первой ступени, в третьей ступени испаряется жидкость, поступившая из второй ступени и т. д. Аналогично может быть организован процесс многократной конденсации, при котором на каждую следующую ступень
поступают для конденсации пары, оставшиеся после отделения от них жидкости (конденсата) в предыдущей ступени.
При достаточно большом числе ступеней таким путем можно получить жидкую или паровую фазу с достаточно высокой концентрацией компонента, которым она обогащается. Однако выход этой фазы будет мал по отношению к ее количеству в исходной смеси. Кроме того, описанный способ отличается громоздкостью и большими потерями тепла в окружающую среду. Значительно более экономичное, полное и четкое разделение смесей на компоненты достигается в процессах ректификации, проводимых обычно в более компактных аппаратах – ректификационных колоннах.
Процесс ректификации осуществляется путем многократного контакта между неравновесными жидкой и паровой фазами, движущимися относительно друг друга.
При взаимодействии фаз между ними происходит массо- и теплообмен обусловленные стремлением системы к состоянию равновесия. В результате каждого контакта компоненты перераспределяются между фазами: пар несколько обогащается НК, а жидкость — ВК. Многократное контактирование приводит к практически полному разделению исходной смеси.
1.1.1. Материальный баланс
Материальный баланс ректификационной колонны. Согласно схеме (рис.1.2), в колонну поступает F кмоль исходной смеси, состав которой Х мольных долей НК. Сверху из колонны удаляется G кмоль паров, образующих после конденсации флегму и дистиллят. Количество получаемого дистиллята Р кмоль, его состав Х мольных долей НК. На орошение колонны возвращается флегма в количестве Ф кмоль, её состав равен составу дистиллята. Снизу удаляется W кмоль остатка состава Х мольных долей НК.
Тогда уравнение материального баланса колонны будет иметь вид:
Рис. 1.2. Ректификационная колонна
1— колонна; 2 — куб; 3 — дефлегматор.
Поскольку
G=P+Ф,
то
F=P+W
Соответственно материальный баланс по низкокипящему компоненту
F*XF=P*XP+W*XW
1.1.2. Уравнения рабочих линий
Для получения уравнения рабочих линий используем общее для всех массообменных процессов уравнение
(1.5)
где L – расход жидкой фазы кг/сек; G – расход газовой фазы кг/сек; Х – текущая концентрация в жидкой фазе распределяемого компонента; – начальная концентрация в газовой фазе распределяемого компонента; – конечная концентрация распределяемого компонента в жидкой фазе.
Уравнение (1.5) может быть представлено также в ином виде, если воспользоваться материальным балансом по распределяемому компоненту
(1.6)
Отсюда следует, что
(1.7)
Делая подстановку в уравнение, получим
(1.8)
Укрепляющая часть колонны. Количество жидкости (флегмы), стекающей по этой части колонны
(1.9)
где R=Ф/P – флегмовое число, представляющее собой отношение количества флегмы к количеству дистиллята.
Количество паров, поднимающихся по колонне
(1.10)
Для верхней части укрепляющей части колонны состав паров yG=yP и, согласно принятому выше допущению, yG=xP . Следовательно, в данном случае yK=yP .
В том же сечении колонны состав жидкости (флегмы), поступающей из дефлегматора, xФ=xP , т.е. xН=xP . Подставляя значение L, G, yK, xK получим
(1.11)
Откуда
(1.12)
Зависимость (1.12) является уравнением рабочей линии укрепляющей части колонны. В этом уравнении – тангенс угла наклона рабочей линии к оси абсцисс, а – отрезок, отсекаемый рабочей линией на оси ординат диаграммы x-y рис. 1.3.
Исчерпывающая часть колонны. Количество орошающей жидкости L в этой части колонны больше количества флегмы Ф, стекающей по укрепляющей части на количество исходной смеси, поступающей на питающую тарелку. Если обозначить количество питания, приходящегося на 1 кмоль дистиллята через f=F/P, то F=P∙f и количество жидкости, стекающей по исчерпывающей части колонны, составит
(1.13)
Количество пара, проходящего через нижнюю часть колонны, равно количеству пара, поднимающегося по верхней (укрепляющей) её части. Следовательно
(1.14)
Для низа колонны состав удаляющейся жидкости (остатка) xК=xw и, согласно допущению, состав поступающего сюда из кипятильника пара yн=yw=xw . Подставим значения и получим
(1.15)
Рис. 1.3. Построение рабочих линий ректификационной колонны на y— х-диаграмме
После приведения к общему знаменателю и сокращению подобных членов находим
(1.16)
Зависимость представляет собой уравнение рабочей линии исчерпывающей части колонны. В этом уравнении (R+f)/(R+1)=tgα =A – тангенс угла наклона рабочей линии к оси ординат, а (1-f)/(R+1)=B – отрезок, отсекаемый рабочей линией на оси абсцисс.
Умножив числитель и знаменатель выражений для А и B (для укрепляющей части колонны) на количество дистиллята Р, можно заменить, что они представляют собой отношение количеств жидкой и паровой фаз, или удельный расход жидкости, орошающей данную часть колонны.
1.2. Основные технологические схемы
Процессы ректификации осуществляются периодически или непрерывно при различных давлениях: при атмосферном давлении, под вакуумом (для разделения смесей ВК веществ), а также под давлением больше атмосферного (для разделения смесей, являющихся газообразными при нормальных температурах).
1.2.1. Непрерывно действующие установки
Рассмотрим, как реализуются указанные выше условия в ректификационных колоннах непрерывного действия (рис.1.4.), которые наиболее широко применяются в промышленности.
Ректификационная колонна 3 имеет цилиндрический корпус, внутри которого установлены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Снизу вверх по колонне движутся пары, поступающие в нижнюю часть аппарата из кипятильника 4, который находится вне колонны, т. е. является выносным (как показано на рисунке 1.4), либо размещается непосредственно под колонной.
1 – ёмкость для исходной смеси; 2 – подогреватель; 3 – ректификационная колонна( а-укрепляющая часть, б- исчерпывающая часть); 4 – кипятильник; 5 – дефлегматор; 6 – делитель флегмы; 7 – холодильник; 8 – сборник дистиллята; 9 – сборник кубового остатка;10-холодильник остатка.
Рис. 1.4 Схема ректификационной установки
Следовательно, с помощью кипятильника создается восходящий поток пара. Пары проходят через слой жидкости на нижней тарелке, которую будем считать первой, ведя нумерацию тарелок условно снизу вверх.
Пусть концентрация жидкости на первой тарелке равна х1 (по низкокипящему компоненту), а ее температура t1.
В результате взаимодействия между жидкостью и паром, имеющим более высокую температуру, жидкость частично испаряется, причем в пар переходит преимущественно НК. Поэтому на следующую (вторую) тарелку поступает пар с содержанием НК y1 > x1.
Испарение жидкости на тарелке происходит за счет тепла конденсации пара. Из пара конденсируется и переходит в жидкость преимущественно ВК, содержание которого в поступающем на тарелку паре выше равновесного с составом жидкости на тарелке. При равенстве теплот испарения компонентов бинарной смеси для испарения 1 моль НК необходимо сконденсировать 1 моль ВК, т. е. фазы на тарелке обмениваются эквимолекулярными количествами компонентов.
На второй тарелке жидкость имеет состав х2, содержит больше НК, чем на первой (х2 > х1), и соответственно кипит при более низкой температуре (t2 <t1). Соприкасаясь с ней, пар состава у1 частично конденсируется, обогащается НК и удаляется на вышерасположенную тарелку, имея состав y2> x2 и т. д.
Таким образом, пар, представляющий собой на выходе из кипятильника почти чистый ВК, по мере движения вверх все более обогащается низкокипящим компонентом и покидает верхнюю тарелку колонны в виде почти чистого НК, который практически полностью переходит в паровую фазу на пути пара от кипятильника до верха колонны.
Пары конденсируются в дефлегматоре 5, охлаждаемом водой, и получаемая жидкость разделяется в делителе 6 на дистиллят и флегму, которая направляется на верхнюю тарелку колонны. Следовательно, с помощью дефлегматора в колонне создается нисходящий поток жидкости.
Жидкость, поступающая на орошение колонны (флегма), представляет собой почти чистый НК. Однако, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, жидкость все более обогащается ВК, конденсирующимся из пара. Когда жидкость достигает нижней тарелки, она становится практически чистым ВК и поступает в кипятильник, обогреваемый глухим паром или другим теплоносителем.
На некотором расстоянии от верха колонны к жидкости из дефлегматора присоединяется исходная смесь, которая поступает на так называемую питающую тарелку колонны. Для того чтобы уменьшить тепловую нагрузку кипятильника, исходную смесь обычно предварительно нагревают в подогревателе 2 до температуры кипения жидкости на питающей тарелке.
Питающая тарелка как бы делит колонну на две части, имеющие различное назначение. В верхней части 3 а (от питающей до верхней тарелки) должно быть обеспечено, возможно, большее укрепление паров, т. е. обогащение их НК тем, чтобы в дефлегматор направлялись пары, близкие по составу к чистому НК. Поэтому данная часть колонны называется укрепляющей. В нижней части 3б (от питающей до нижней тарелки) необходимо в максимальной степени удалить из жидкости НК, т. е. исчерпать, жидкость, для того чтобы в кипятильник стекала жидкость, близкая по составу к чистому ВК. Соответственно эта часть колонны называется исчерпывающей.
В дефлегматоре 5 могут быть сконденсированы либо все пары, поступающие из колонны, либо только часть их соответствующая количеству возвращаемой в колонну флегмы. В первом случае часть конденсата, остающаяся после отделения флегмы, представляет собой дистиллят (ректификат), или верхний продукт, который после охлаждения в холодильнике 7 направляется в сборник дистиллята 8. Во втором случае несконденсированные в дефлегматоре пары одновременно конденсируются и охлаждаются в холодильнике 7, который при таком варианте работы служит конденсатором-холодильником дистиллята.
Жидкость, выходящая из низа колонны (близкая по составу ВК) также делится на две части. Одна часть, как указывалось, направляется в кипятильник, а другая — остаток (нижний продукт) после охлаждения водой в холодильнике 10 направляется в сборник 9.
1.2.2. Периодически действующие
В производствах небольшого масштаба используются ректификационные установки периодического действия (рис. 1.5.).
1 — куб; 2 — ректификационная колонна; 3 — дефлегматор; 4 — делитель флегмы; 5 — холодильник; 6 — сборники дистиллята.
Рис. 1.5 Схема периодически действующей ректификационной установки
Исходную смесь загружают в куб 1, снабженный нагревательным устройством. Смесь подогревается до кипения и ее пары поступают под нижнюю тарелку ректификационной колонны 2. Поднимаясь по колонне, пары обогащаются НК, которым обедняется стекающая вниз флегма, поступающая из дефлегматора 3 на верхнюю тарелку колонны. Пары из колонны направляются в дефлегматор 3, где они полностью или частично конденсируются. В случае полной конденсации жидкость разделяется с помощью делителя 4 на флегму и дистиллят. Конечный продукт (дистиллят) охлаждают в холодильнике 5 и направляют в сборники 6.
После того как достигнут заданный состав остатка в кубе (об этом судят по температуре кипения жидкости в нем) остаток сливают, загружают куб исходной смесью и операцию повторяют.
1.2.3. Ректификация многокомпонентных смесей
В промышленности часто разделяют не бинарные, а многокомпонентные смеси, ректификация которых является более сложным и менее изученным процессом. В отличие от бинарных смесей—систем, обладающих лишь двумя степенями свободы, многокомпонентная смесь представляет собой систему, число степеней, свободы которой равно числу компонентов, составляющих эту смесь.
Отсюда вытекает сложность анализа и расчета процессов ректификации таких смесей. Если для бинарной смеси известны общее давление перегонки и мольная доля одного из компонентов в дистилляте, то, согласно правилу фаз, этими условиями однозначно определяются состав дистиллята и температура его конденсации.
В случае же разделения многокомпонентной смеси состоящей из n компонентов и имеющей n степеней свободы, при задании указанных выше двух параметров остаются неизвестными еще n — 2 степени свободы.
Поэтому содержание остальных компонентов в дистилляте можно найти только подбором, учитывая, что существует ряд смесей различного состава, которые при данном давлении имеют одинаковую температуру кипения.
Вместе с тем при разделении многокомпонентных смесей усложняется и аппаратурное оформление процесса ректификации. Многокомпонентную смесь нельзя разделить в одной колонне подобно бинарной смеси. В общем случае число колонн для ректификации многокомпонентной смеси должно быть на одну меньше, чем число компонентов, на которые разделяется смесь, т. е. для разделения смеси из n компонентов требуется (n-1) колонна.
На рис. 1.6 в колонне 1 наименее летучий из компонентов (компонент С) отделяют в виде остатка. Другие два компонента (В и А), отводимые в качестве дистиллята, после конденсации поступают в колонну 2, где разделяются на дистиллят (компонент А) и остаток (компонент В менее летучий, чем А). Более экономична подача компонентов А+ В в колонну 2 в парообразном состоянии; при этом в дефлегматоре первой колонны конденсируется только флегма, необходимая для орошения колонны.
По другому варианту (рис.1.7) в колонне 1 отделяют в виде дистиллята наиболее летучий компонент А, а смесь двух других (В+С) подают на разделение в колонну 2. Из этой колонны относительно более летучий компонент В получают в качестве дистиллята, а компонент С является остатком.
Компоненты А и В более летучи, чем компонент С.
Рис. 1.6. Схема установки для ректификации трехкомпонентных смесей
Компонент А более летуч, чем компоненты В и С.
рис. 1.7. Схемы установок для ректификации трехкомпонентных смесей
1.2.4. Специальные виды ректификации
Разделение компонентов с близкими температурами кипения, относительные летучести α которых близки к единице, сопряжено со значительными трудностями. При работе с такими смесями линия равновесия настолько сближается с диагональю диаграммы у — х, что для их разделения требуется очень большое число единиц переноса. Величина α может быть увеличена и разделение облегчено при изменении давления перегонки, обычно путем проведения процесса ректификации под вакуумом.
Предельным случаем близкокипящих смесей являются нераздельно кипящие, или азеотропные, смеси, для которых α=1. Чтобы разделить эти смеси, нужно значительно изменять давление, что связано с усложнением и удорожанием установки. Относительно дорогим способом разделения азеотропных смесей является также молекулярная дистилляция .
В ряде случаев более эффективны такие методы разделения азеотропных смесей, которые основаны на введении в разделяемую смесь добавочного компонента, так называемого разделяющего агента, обладающего избирательным действием. При его добавлении летучесть и коэффициент активности для низкокипящего компонента возрастают значительно больше, чем для высококипящего, что и облегчает разделение смеси. Применяя различные разделяющие агенты и подбирая их концентрацию, можно изменять в широких пределах относительные летучести компонентов исходной смеси и соответственно распределение ее компонентов между жидкостью и паром.
Проведение процессов ректификации в присутствии разделяющих агентов является общим признаком методов экстрактивной и азеотропной ректификации. Вместе с тем эти методы существенно отличаются друг от друга. При азеотропной ректификации разделяющий агент образовывает азеотропную смесь с одним или несколькими компонентами исходной смеси, в виде которой он отгоняется из ректификационной колонны в качестве дистиллята. При экстрактивной ректификации разделяющий агент должен обладать значительно меньшей относительной летучестью, чем компоненты исходной смеси, и не образовывать с ними азеотропных смесей. Он отводится из колонны с кубовым остатком.
1.3.1. Барботажные колонны
Барботажные колонны в процессах ректификации наиболее широко, распространены. Они применимы для больших производителей, широкого диапазона изменений нагрузок по пару и жидкости и могут обеспечить весьма четкое разделение смесей. Недостаток – относительно высокое гидравлическое сопротивление в условиях ректификации не имеет такого существенного значения, как в процессах абсорбции, где величина Р связана со значительными затратами энергии на перемещение газа через аппарат.
При ректификации повышение гидравлического сопротивления приводит лишь к некоторому увеличению давления и соответственно к повышению температуры кипения жидкости в кипятильнике колонны. Однако тот же недостаток (значительное гидравлическое сопротивление) сохраняет свое значение для процессов ректификации под вакуумом.
К барботажным колоннам относятся тарельчатые колонны со сливными устройствами. В этих колоннах перелив жидкости с тарелки на тарелку осуществляется при помощи специальных устройств — сливных трубок, карманов и т. п. Нижние концы трубок погружены в стакан на нижерасположенных тарелках и образуют гидравлические затворы, исключающие возможность прохождения газа через сливное устройство.
Принцип работы колонн такого типа виден из рис. 1.8, где в качестве примера показан абсорбер с ситчатыми тарелками. Жидкость поступает на верхнюю тарелку 1, сливается с тарелки на тарелку через переливные устройства 2 и удаляется из нижней части колонны. Газ поступает в нижнюю часть аппарата, проходит последовательно сквозь отверстия или колпачки каждой тарелки. При этом газ распределяется в виде пузырьков и струй в слое жидкости на тарелке, образуя на ней слой пены, являющийся основной областью массообмена и теплообмена на тарелке. Отработанный газ удаляется сверху колонны.
К тарелкам со сливными устройствами относятся: ситчатые, колпачковые, клапанные и балластные, пластинчатые и др.
Ситчатые тарелки. Колонка с ситчатыми тарелками (рис. 1.9) представляет собой вертикальный цилиндрический корпус 1 с горизонтальными тарелками 2, в которых равномерно по всей поверхности просверлено значительное число отверстий диаметром 1—5 мм. Для слива жидкости и регулирования ее уровня на тарелке служат переливные трубки 3, нижние концы которых погружены в стаканы 4.
1–тарелка, 2–сливные устройства.
Рис. 1.8. Тарельчатая колонна со сливными устройствами.
Ситчатые тарелки устойчиво работают в довольно широком интервале скоростей газа, причем в определенном диапазоне нагрузок по газу и жидкости эти тарелки обладают высокой эффективностью. Вместе с тем ситчатые тарелки чувствительны к загрязнениям и осадкам, которые забивают отверстия тарелок. В случае внезапного прекращения поступления газа или значительного снижения его давления с ситчатых тарелок сливается вся жидкость, и для возобновления процесса требуется вновь запускать колонну.
а б
а–схема устройства колонны, б–схема работы тарелки, 1–корпус, 2–тарелка, 3–переливная труба, 4–стакан.
