Расчет ректификационной колонны. 4

ВВЕДЕНИЕ

       Выполнение курсового проекта способствует закреплению изученного материала, демонстрирует умения применять полученные знания. Кроме того, курсовое проектирование является подготовительным этапом к началу выполнения дипломного проекта. Эта работа необходима для успешной учебы.

     Ректификация – массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаев в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными аппаратам, используемым в процессах абсорбции. Поэтому методы подхода к расчету и проектированию ректификационных и абсорбционных установок имеют много общего. Тем не менее ряд особенностей процесса ректификации (различное соотношение нагрузок по жидкости и пару в нижней и верхней частях колонны, переменный по высоте коэффициент распределения, совместное протекание процессов массо- и теплопереноса) осложняет его расчет.

Одна из сложностей, с которой встречаются проектировщики, заключается в том, что в литературе отсутствуют обобщенные закономерности для расчетов кинетических коэффициентов процесса ректификации. В наибольшей степени это относится к колоннам диаметром более 800 мм, с насадками и тарелками, широко применяемыми в химических производствах. Большинство рекомендаций сводится к использованию для расчетов ректификационных колонн кинетических зависимостей, полученных при исследовании абсорбционных процессов. 
 

1. ТЕОРИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 ХАРРАКИЕРИСТИКА  ИСХОДНОГО СЫРЬЯ 

    Толуол - бесцветная жидкость с ароматическим запахом. Смешивается со спиртами, углеводородами, хорошо растворим в большинстве органических растворителей, растворимость в воде - низкая. По растворяющей способности подобен бензолу. Растворяет кремнийорганические смолы, полистирол. Применяется в смесевых растворителях для растворения эпоксидных, виниловых и акрилатных полимеров, хлоркаучука. Используется для экстракции нефтепродуктов (ISO 3735), высокооктановый компонент моторного топлива. Применяют в качестве растворителя для пластических масс, нитроцеллюлозных, алкидных лаков и эмалей, в качестве исходного вещества для получения многочисленных производных. Широко используется в лабораторной практике.

    Технические характеристики

    Таблица 1- Технические характеристики толуола

          Меры предосторожности при работе с толуолом.

    Толуол  хранят в плотно закрытой таре. Работы с толуолом производить только в  проветриваемом помещении. 

    Ксилол  нефтяной - смесь трех изомеров ксилола и этилбензола - получается в процессе ароматизации нефтяных фракций.

    Применение

    Ксилол  нефтяной предназначен для выделения изомеров ксилола и применения в качестве растворителя лакокрасочных материалов. Из трех изомеров ксилола наилучшей растворяющей способностью обладает ортоксилол.

     
Ксилол нефтяной входит в состав смесевых растворителей 649, 650, Р-5, Р-12, РС-2, РКБ-1 и др., применяемых для растворения эпоксидных, виниловых, акриловых, кремнийорганических полимеров, нитроцеллюлозы, хлоркаучука.

    Гарантийный срок хранения ксилола нефтяного - 18 месяцев со дня изготовления.  
 

Технические характеристики ксилола

    Таблица 2- Технические характеристики ксилола

Таблица 2- технические характеристики ксилола 

2. КЛАССИФИКАЦИЯ МАССОБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ.

    Данные  процессы характеризуются переходом  одного или нескольких веществ из одной среды (фазы) в другую.

    Всю совокупность массообменных процессов  можно разделить на следующие виды.

    Абсорбция – процесс поглощения газов или  паров из газовых или парогазовых  смесей жидкими поглотителями (абсорбентами).

    В промышленности абсорбцию применяют  для извлечения ценных компонентов  из газовых смесей или для очистки  этих смесей от вредных веществ и примесей.

    Адсорбция – процесс поглощения одного или  нескольких компонентов из газовой  смеси или раствора твердым веществом  – адсорбентом.

    Процессы  адсорбции широко применяются в  промышленности при очистке и  осушке газов, очистке и осветлении растворов, разделении смесей газов или паров.

    Различают физическую (обусловлена взаимным притяжением  молекул адсорбата и адсорбента) и химическую (химическое взаимодействие между молекулами поглощенного вещества и поверхностью молекулярного поглотителя) адсорбцию.

    Перегонка жидкостей применяется для разделения жидких однородных смесей, состоящих  из двух или большего числа летучих  компонентов. Это процесс, включающий частичное испарение разделяемой  смеси и последующую конденсацию  образующихся паров, осуществляемый однократно или многократно. В результате конденсации получают жидкость, состав которой отличается от состава исходной смеси.

    Различают следующие виды перегонки:

    •          дистилляция – процесс однократного частичного испарения жидкой смеси и конденсации образующихся паров. Ее обычно используют только для предварительного грубого разделения жидких смесей, а также для очистки сложных смесей от примесей;

    •          ректификация – процесс разделения однородных смесей жидкостей путем двухстороннего массообмена и теплообмена между жидкой и паровой фазами, имеющими различную температуру и движущимися относительно друг друга.

    Процессы  перегонки и ректификации находят  широкое применение в химической промышленности, где выделение компонентов  в чистом виде имеет большое значение, в спиртовой промышленности, производстве лекарственных препаратов, нефтеперерабатывающей промышленности и т.д.

    Сушка – процесс удаления влаги из различных  материалов. Предварительное удаление влаги осуществляется обычно более  дешевыми механическими способами (отстаиванием, отжимом, фильтрованием, центрифугированием), а более полное обезвоживание достигается сушкой.

    По  способу подвода тепла к высушиваемому  материалу различают следующие  виды сушки:

    •          конвективная сушка – осуществляется путем непосредственного соприкосновения высушиваемого материала с сушильным агентом, в качестве которого обычно используют нагретый воздух или топочные газы в смеси с воздухом;

    •          контактная сушка – осуществляется путем передачи тепла от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку;

    •          радиационная сушка – осуществляется путем передачи тепла инфракрасными лучами;

    •          диэлектрическая сушка – осуществляется путем нагревания в поле токов высокой частоты. Под действием электрического поля высокой частоты ионы и электроны в материале меняют направление движения синхронно с изменением знака заряда: диполярные молекулы приобретают вращательное движение, а неполярные молекулы поляризуются за счет смещения их зарядов. Эти процессы, сопровождаемые трением, приводят к выделению тепла и нагреванию высушиваемого материала;

    •          сублимационная сушка – это сушка в замороженном состоянии, при которой влага находится в виде льда и переходит в пар, минуя жидкое состояние при глубоком вакууме и при низких температурах.

    Процесс удаления влаги из материала протекает  в три стадии:

    •          при снижении давления в сушильной камере происходят быстрое самозамораживание влаги и сублимация льда за счет тепла, отдаваемого самим материалом;

    •          удаление основной части влаги сублимацией;

    •          удаление остаточной влаги тепловой сушкой.

    Высушиваемый  материал при любом методе находится  в контакте с воздухом, который  при конвективной сушке является и сушильным агентом.

    Экстракция  – процесс извлечения одного или нескольких компонентов из растворов или твердых тел с помощью избирательных растворителей (экстрагентов). При взаимодействии с экстрагентом в нем хорошо растворяются только извлекаемые компоненты и почти не растворяются остальные компоненты исходной смеси. Основным достоинством процесса экстракции в сравнении с другими процессами разделения жидких смесей (ректификация, выпаривание и др.) является низкая рабочая температура процесса.

3. НАЗНАЧЕНИЕ И СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ.

    Ректификация - (от позднелатинского rectificatio — выпрямление, исправление), один из способов разделения жидких смесей, основанный на различном  распределении компонентов смеси  между жидкой и паровой фазами. При ректификации потоки пара и жидкости, перемещаясь в противоположных направлениях (противотоком), многократно контактируют друг с другом в ректификационной колонне, причём часть выходящего из аппарата жидкости возвращается обратно после конденсации. Такое противоточное движение контактирующих потоков сопровождается процессами теплообмена и массообмена, которые на каждой стадии контакта протекают (в пределе) до состояния равновесия; при этом восходящие потоки пара непрерывно обогащаются более летучими компонентами, а стекающая жидкость — менее летучими. При затрате того же количества тепла, что и при дистилляции, ректификация позволяет достигнуть большего извлечения и обогащения по нужному компоненту или группе компонентов. Ректификация широко применяется как в промышленном, так и в препаративном и лабораторном масштабах, часто в комплексе с др. процессами разделения, такими, как абсорбция, экстракция и кристаллизация. 
Сущность процесса ректификации сводится к выделению из смеси нескольких или, в нашем случае, одной жидкости с отличной от других температурой кипения в более или менее чистом виде. Это достигается нагреванием и испарением такой смеси с последующим многократным тепло- и массообменном между жидкой и паровой фазами; в результате часть легколетучего компонента переходит из жидкой фазы в паровую, а часть менее летучего компонента—из паровой фазы в жидкую. Важно! Ректификация позволяет получить чистый компонент без примесей, в отличие от обычной дистилляции, когда на выходе мы имеем не контролируемый набор различных веществ.

4. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

    Из  сырьевой емкости 4 (Е-1) смесь откачивается насосом 1(Н-1), и поступает в кужухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой 7 (Т-1), и в парожидкостном состоянии поступает в эвопарационное пространство колонны 6 (К-1).

    С верха колонны дистиллят поступает в кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой 9 (Т-2) куда в межтрубное пространство противотоком подается вода, образовавщийся конденсат поступает в емкость 8 (Е-2) откуда откачивается насосом 2 (Н-2) и делится на потока.

    Первый  поток под верхнюю тарелку колонны в качестве орашения, а балансовое количество отводится с установки.

    С куба колонны отводится кубовая житкость и поступает в рибойлер 5(Т-3), куда предварительно подается перегретый водяной пар. Конденсат перетекает через переливную переливную перегородку и откачивается насосом 3(Н-3) с установки, не сконденсировавшаяся часть возвращается обратно в колонну под нижнюю тарелку.

5. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ПРИМЕНЯЕМОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ

    Ректификационная  колонна позволяет разделить  смесь, отличающуюся по температурам кипения между жидкостью и паром.

    Теплообменник с плавающей головкой, так как  возможна замена трубчатого пучка и  корпуса, так же возможна замена трубчатого пучка, а за счет плавающей головки  возможны перепады температур.

    Рибойлер  был выбран так как испаряет до 80 процентов  жидкости, что улучшает процесс ректификации и добавляет одну теоретическую тарелку. Идет малое гидравлическое сопротивление. Можно использовать греющий пар высокого давления так как он подается в трубное пространство, а трубки выдерживабт большее давление чем корпус. 

    2. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

    2.1 МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС РЕКТИФИКАЦИОННОЙ  КОЛОННЫ 

    Производительность  по дистилляту D и кубовому остатку W определяется по уравнению материального баланса ректифик. колонны:

     _{,                                                                                                           (1)[2]}

    _где:

    _{F-расход смеси [кг/ч]}

    _{D-дистиллят[кг/ч]}

    _{W-кубовый остаток [кг/ч]}

    _{F*XF=D*XD+W*XW                                                                       (2) [1]}

    _где:

    _{XF, XD, XW –содержание легколетучего компонента в питании, дистилляте и кубовом остатке соотвецтвенно. [масс.доли]}

    _{Откуда:}

                                                                                 _{(3) [2]}

    _{D=F-W                                                                                              (4) [3]}

    _{D=14000-12018=1981,6 кг/ч} 
 
 
 
 
 
 
 
 

    _{Таблица 3 – Мат.баланс колонны} 

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕЖИМА РАБОТЫ КОЛОННЫ

    Выбираем  хладагент для конденсации:

    хим.очищенная  вода.

    Определяем  температуру конца конденсации:

    t_к.к=t_к Х_А+(20…40)                                                                                      (5) _[2]

    t_к.к=15+30=45⁰С

    Константы Антуана:

    для толуола:

    А= 6,95334

    В= 1343,94                                                                                                       [25 ÷ 200]

    С=219,38

    для ксилола:

         А=7,35638 
         В=1671,8                                                      [25÷50] 
         С=231,0 

          А=6,99891 
         В=1474,68                                                           [50÷200] 
          С=213,69

    Определяем  парциальное давление компонентов  при температуре конденсации:

                                                                                          (6) _[2]

    где  давление насыщенного пара i-го компонента, мм.рт.ст;

          А, В, С – константы  уравнения Антуана;

           температура, °С. 

    Толуол  МПа 
 
 
 

    Ксилол  

МПа 

Определяем  при Р_общ=0,1МПа

                                                                                                           (7) _[2]

    где  константа фазового равновесия;

      парциальное давление компонента в смеси, МПа;

      общее давление компонента  в смеси, МПа. 

    Р_конд.=∑х^D*Р_i⁰                                                                                                               (8) _[1]

    Где Х_D -мольная доля в дистилляте

    Р_конд=0,983*0,0098+0,017*0,0026=0,0096334+0,0000442=0,097МПа

    Определяем  давление верха колонны Р_v:

    Р_v=Р_конд.+∆Р_шлем                                                                                           (9) _[3]

    где P_v  - давление в верху колонны, МПа;

    Р_конд – давление конденсации, МПа;

     - перепад давлений на шлемовую  линию,

    принимается 0,01÷0,05 МПа.

    Р_v=0,0097+0,05=0,0597 МПа 

    Определяем  температуру верха колонны t_v, она определяется по изотерме паровой фазы ∑ =1                                                                                           (10) _[1]

    где

    у_i- мольная доля компонента

    К_i- константа фазового раывновесия 
 
 
 
 

    Таблица 4-определение температуры верха колонны 

№	наименование	Мол.дол	1= 45°С		2=85°С		3=90°С
			Кi		Кi		Кi
1	толуол	0,983	0,16415	5,9884	0,761	1,2917	0,8965	1,0965
2	ксилол	0,017	0,04355	0,039	0,254	0,0669	0,3063	0,0555
	итого	1,000	6,0274	6,0274	1,015	1,3586	1,2028	1,152

    при 45°С

    толуол  К_i =

    ксилол  К_i =

    при 85°С

    толуо

    ксилол   
 
 
 
 

Проверка:

Толуол

Ксилол

Таблица 5 – определение температуры верха колонны

1,0259≈1,0000=1 t_v=93,6 °С 
 
 
 

Определяем  давление на тарелке питания

      Р_f = P_v+∆Р_укр,         (11) _[2] 

где Р_v - давление верха колонны, МПа;

      Р_f – давление питания колонны, МПа;

      ∆Р_укр – перепад давлений в укрепляющей части колонны, МПа.

      Принимаем перепад давлений в укрепляющей  части          МПа.

      Давление  питания (Р_f) определяем по уравнению(8):

Р_f=0,0597+0,02=0,0797МПа. 

Определяем  температуру питания колонны  по изотерме жидкой  ∑х_Fi*κ_i=1.  

Таблица 6 – Определение температуры питания колонны