Ректификация в производстве уксусной кислоты
Содержание
Введение 1 Описание технологической схемы установки 2 Краткая характеристика рабочих веществ 3 Обзор и анализ существующих конструкций ректификационных колонн 3.1 Типы колонных аппаратов 3.2 Классификация тарелок 4 Технологический расчет 4.1 Исходные данные к расчету 4.2 Разработка и описание конструкции оборудования 5 Расчет вспомогательного оборудования Заключение Список использованных источников Приложение |
7 8 11
12 12 13 21 21 22 24 26 27 28 |
Введение
Ректификация – процесс
Разделение осуществляется обычно в колонных аппаратах при многократном или непрерывном контакте фаз. При каждом контакте из жидкости испаряется преимущественно низкокипящий компонент, которым обогащаются пары, а из паровой конденсируется преимущественно высококипящий компонент переходящий в жидкость. В результате обмена компонентами между фазами в конечном счете пары представляют собой почти чистый низкокипящий компонент. Эти пары выходящие из верхней части колонны после их конденсации в отдельном аппарате дают дистиллят (верхний продукт) и флегму - жидкость, возвращающую для орошения колонны и взаимодействия с поднимающимися в колоне парами. Снизу удаляется жидкость представляющая собой почти чистый высококипящий компонент - кубовый остаток (нижний продукт). Часть остатка испаряют в нижней части колонны для получения восходящего потока пара.
Ректификация известна с начала
девятнадцатого века, как один из важнейших
технологических процессов
1 Описание технологической схемы установки
Схема ректификационной установки непрерывного действия приведена на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1 – Схема непрерывно действующей ректификационной установки: 1а - концентрационная часть ректификационной колонны; 1б – отгонная часть ректификационной колонны; 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
Ректификационная колонна 1 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 2, который находится вне колонны, т.е. является выносным (как показано на рисунке), либо размещается непосредственно под колонной. С помощью кипятильника создается восходящий поток пара. Пары проходят через слой жидкости на нижней тарелке.
Испарение жидкости на тарелке происходит за счет тепла конденсации пара. Из пара конденсируется и переходит в жидкость преимущественно высококипящий компонент, 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 легколетучего (или низкокипящего компонента – НК) необходимо сконденсировать 1 моль труднолетучего (или высококипящего компонента – ВК), то есть фазы на тарелке обмениваются эквимолекулярными количествами компонентов.
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.
Пары конденсируются в дефлегматоре 3, охлаждаемом водой, и получаемая жидкость разделяется в делителе 4 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 питательную тарелку колонны. Для того чтобы уменьшить тепловую нагрузку кипятильника, исходную смесь обычно предварительно нагревают в подогревателе 5 до температуры кипения жидкости на питающей тарелке.
Питающая тарелка делит
В нижней части (от питающей до нижней тарелки) необходимо в максимальной степени удалить из жидкости НК, то есть исчерпать жидкость для того, чтобы в кипятильник стекала жидкость, близкая по составу к чистому ВК. Соответственно эта часть колонны называется исчерпывающей или отгонной.
В дефлегматоре 3 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 6 направляется в сборник дистиллята 9. Во втором случае несконденсированные в дефлегматоре пары одновременно конденсируются и охлаждаются в холодильнике 6, 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 7 направляется в сборник 8 [1].
2 Краткая характеристика
Уксусная кислота СН3СОOН − бесцветная горючая жидкость с резким запахом с tп.= +16,8 оС, tкип=118 оС ,хорошо растворимая в воде, применяется как приправа к пище. Имеет характерный кислый вкус, проводит электрический ток.
Смесь сухого газа с парами жидкости называется влажным газом. Максимально возможное содержание пара в газе, выше которого наблюдается конденсация, соответствует условиям насыщения при определенной температуре t и парциальном давлении Pн.п. Насыщенный водяной пар называют греющим или первичным. Греющий пар при t= 130 оС характеризуют следующие параметры: абсолютное давление P=2,755 кгс/см3; плотность ρ=1,494 кг/м3; удельная теплоемкость С=2179 кДж/кг; удельная энтальпия жидкости i'=546,8 кДж/кг и удельная энтальпия пара i''=546,8 КДж/кг.
Вода Н2О − прозрачная жидкость с tкр.= 0 оС и tкип.= 100 оС, плохо проводит теплоту и электричество, хороший растворитель, обладает высокой теплоемкостью. Чистая вода не имеет вкуса и запаха, ее получают в процессе перегонки, после этого она называется дистиллированной.
3 Обзор и анализ существующих конструкций ректификационных колонн
3.1 Типы колонных аппаратов
Аппараты колонного типа могут быть классифицированы в зависимости от рабочего давления, технологического назначения и типа контактных устройств. В зависимости от применяемого давления колонные аппараты подразделяют на атмосферные, вакуумные и колонны, работающие под давлением.
По технологическому назначению колонные аппараты подразделяются на колонны атмосферных и атмосферно-вакуумных установок разделения нефти и мазута, колонны установок вторичной перегонки бензинов, каталитического крекинга, установок газоразделения, установок регенерации растворителей при депарафинизации масел и др.
По типу внутренних контактных устройств различают тарельчатые, насадочные и пленочные колонные аппараты (рисунок 3.1).
Рисунок 3.1 – Схемы основных типов колонных аппаратов:
а – тарельчатый; б – насадочный; в – пленочный; 1 – корпус колонны; 2 – полотно тарелки; 3 – переточное устройство; 4 – опорная решетка; 5 – насадка; 6 – распределитель; 7 – трубная решетка; 8 – труба
Области применения контактных устройств определяются свойствами разделяемых смесей, рабочим давлением в аппарате, нагрузкам по пару (газу) и жидкости и т.п.
В тарельчатых аппаратах (рисунок 3.1, а) контакт между фазами происходит при прохождении пара (газа) сквозь слой жидкости, находящейся на контактном устройстве (тарелке) жидкостью осуществляется на поверхности специальных насадочных тел, а также в свободном пространстве между ними [2].
В ректификационных колоннах применяются тарелки различных конструкций (колпачковые, клапанные, струйные, провальные и т.п.), существенно различающиеся по своим рабочим характеристикам и технико-экономическим данным.
При выборе конструкции контактного
устройства учитывают как их гидродинамические
и массообменные
3.2 Классификация тарелок
В настоящее время в промышленной практике известны сотни различных конструкций тарелок, которые можно классифицировать по способу передачи жидкости с тарелки на тарелку, по способу взаимодействия жидкой и паровой (газовой) фаз, по характеру диспергирования взаимодействующих фаз, по конструкции устройства для ввода пара (газа) в жидкость и др.
По способу передачи жидкости различают тарелки со специальными переточными устройствами и тарелки провальные. По характеру диспергирования взаимодействующих фаз различают тарелки барботажного и струйного типов.
В зависимости от конструкции устройств для ввода пара в жидкость различают ситчатые (дырчатые), колпачковые, клапанные, язычковые (чешуйчатые) и другие типы тарелок [3].
Рассмотрим особенности работы барботажной тарелки на примере колпачковой тарелки с круглыми колпачками, схема которой приведена на рисунке 3.2.
Рисунок 3.2 – Схема работы барботажной тарелки с круглыми колпачками:
а – общий вид тарелки; б – схема барботажа газа в зоне контакта; I – зона небарботируемой жидкости; II – зона недеформируемых струй; III – зона деформируемых струй – пены; IV – зона парового пространства с взвешенными каплями жидкости
Жидкость поступает на полотно тарелки из переливного устройства и течет от приточной стороны тарелки к сточной, при этом на тарелке возникает градиент уровня жидкости. Стенка переливного устройства погружена в жидкость, находящуюся на нижележащей тарелке, что обеспечивает в колонне соответствующий гидравлический затвор, исключающий возможность прохождения паров через переливное устройство.
Уровень жидкости в переливном устройстве выше уровня жидкости на тарелке, что обеспечивает необходимый расход жидкости. Высота слоя жидкости на полотне тарелки определяется высотой сливной перегородки и подпором жидкости над гребнем слива. Изменяя высоту сливной перегородки, можно менять уровень жидкости на тарелке.
Поток паров при поступлении в слой жидкости прорезями колпачков разбивается на большое число отдельных струй, которые с большой скоростью входят в жидкость. В пространстве между смежными колпачками паровые и жидкостные струи, сталкиваясь, деформируются, образуя слой газожидкостной системы (пены) с сильно развитой поверхностью контакта фаз (рисунок 3.2, б).
Бесколпачковые барботажные тарелки (из S-образных элементов, клапанные, струйные, ситчатые), снабженные переливными устройствами, по принципу работы аналогичны работе колпачковой тарелки.
Тарелки из Sобразных элементов (рисунок 3.3) является разновидностью колпачковых тарелок и состоят из отдельных элементов, каждый из которых образует одновременно полость для паров и жидкости.
Рисунок 3.3 – Конструкция тарелки из S-образных элементов:
1 – корпус колонны; 2 – сливная перегородка; 3 – паровой элемент; 4 – S-образный элемент; 5 – поперечные перегородки; 6 – разъемный S – образный элемент; 7 – жидкостный элемент; 8 – отверстие для слива жидкости; 9 – опорное кольцо; 10 – струбцина; 11 – заглушки; 12 – прорези в S – образных элементах
В начале тарелки установлен паровой элемент 3, у слива тарелки - жидкостный элемент 7. Вертикальная стенка части S-образного элемента 4, выполняющей роль колпачка, снабжена трапецивидными прорезями 12. Паровая часть S-образного элемента с торцов перекрыта заглушками 11, препятствующими выходу пара в этом направлении [3].
Для повышения жесткости
У струйных тарелок контактные элементы (просечки, лепестки и т.п.) расположены таким образом, что пар, выходящий в жидкость под некоторым углом к горизонту, приобретает горизонтальную составляющую скорости, совпадающую с направлением движения жидкости по тарелке или под некоторым углом к нему. Благодаря этому можно создать наиболее благоприятные условия для эффективного контакта фаз при высокой производительности контактного устройства.
Чтобы избежать этого, прибегают к различным приемам, позволяющим скомпенсировать прямоточное движение фаз и не допустить его распространения на всю тарелку, примером может служить установка поперечных секционирующих перегородок; создание движения фаз в пересекающихся направлениях, когда оси соседних лепестков расположены во взаимно перпендикулярном направлении или образуют пучок прямых и т.п.
Тарелки провального типа (рисунок 3.4) перекрывают все сечения колонны и состоят из отдельных секций, укрепленных на опорном кольце и балках каркаса. На тарелках провального типа паровая и жидкая фазы контактируют по схеме противотока. Тарелки этого типа гораздо более чувствительны к изменению нагрузок по жидкости и пару и имеют более узкий диапазон рабочих нагрузок.
Рисунок 3.4 – Схема струйно-направленной тарелки с вертикальными поперечными секционирующими перегородками:
а – общий вид; б – схема контактной зоны; в – ввод части потока пара поперек потока жидкости; г – ввод части потока пара под углом к потоку жидкости; д – установка поперечных перегородок в форме гребенки: 1 – корпус колонны; 2 – полотно тарелки; 3 – приемный карман; 4 – стенка переливного кармана; 5 - подпорная перегородка; 6 – лепесток (язычок); 7 – вертикальная перегородка; 8 – сливная перегородка; 9 – прорезь в вертикальной перегородке
Эскиз проектируемой тарельчатой ректификационной колонны показан на рисунке 3.5.
Рисунок 3.5 – Схема проектируемой ректификационной колонны:
1 – корпус колонны; 2 – тарелка; 3 – опора; 4 – штуцер ввода холодного орошения; 5 – штуцер отвода дистиллята; 6 – штуцер ввода горячего орошения; 7 – люк; 8 – штуцер отвода остатка; 9 – штуцер ввода исходного сырья
Исходная смесь поступает
Отбор паров дистиллята осуществляется через штуцер 5 в верхнем днище колонны. Ввод холодного орошения идет через штуцер 4, расположенный над верхней тарелкой колонны.
Из кубовой части колонны отбирается остаток через штуцер 8, часть которого направляется в кипятильник и далее снова вводится в колонну в качестве горячего орошения через штуцер 6.
Колонна содержит две секции – отгонную нижнюю и концентрационную верхнюю. В каждой секции установлены колпачковые тарелки [4].
4 Технологический расчет
4.1 Исходные данные к расчету
Все расчеты произведены в
Таблица 4.1 – Исходные данные
Компонент |
Расход |
Содержание | ||
кг/ч |
кмоль/ч |
масс.дол. |
мольн.дол. | |
Вода |
3132 |
170,8 |
0,669 |
0,869 |
Уксусная кислота |
1548 |
25,8 |
0,331 |
0,131 |
Сумма |
4680 |
196,6 |
1,0 |
1,0 |
Для расчета необходимы справочные данные о свойствах разделяемых компонентов. Эти данные приведены в таблице 4.2.
Таблица 4.2 – Справочные данные о свойствах разделяемых компонентов
Компонент |
Ркр, МПа |
rкр, кг/м3 |
w |
Ткр, К |
Вода |
21,76 |
325 |
0,344 |
647,4 |
Уксусная кислота |
5,71 |
351 |
0,,454 |
594,4 |
Схема к расчету колонны представлена на рисунке 4.1.
Рисунок 4.1 – Схема к технологическому расчету ректификационной колонны
Все результаты расчетов приведены в приложении 1.
4.2 Разработка и описание
Проектируемая колонна представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат колонного типа постоянного сечения, включающая в себя следующие характеристики:
- число действительных тарелок - 26(4 - в концентрационной секции, 22 – в отгонной);
- количество исходной смеси – 1,3 кг/с;
- расход греющего пара - 1,167 кг/с;
- диаметр колонны - 2200 мм;
- расстояние между тарелками - 550 мм;
- высота колонны - 21500 мм;
- исполнение тарелок - ТСК-1;
Подробно все размеры и рабочие характеристики приведены в приложении 1.
При проектировании оборудования необходимо рассчитать толщину стенки колонны, чтобы обеспечить необходимую прочность при эксплуатации колонны, а также необходимо учитывать ветровые нагрузки, которые аппарат может испытывать, так как колонна установлена на открытой площадке.
Колонна работает под технологическим давлением рт = 0,1920 МПа при максимальной температуре 102°С.
5 Расчет вспомогательного оборудования
Произведем расчет холодильник-конденсатор дистилята. В задачу расчета входит определение требуемой поверхности теплообмена. При известных количествах переданного тепла Q, средней разности температур между теплообменивающими средами ∆tср и коэффициенте теплоотдачи К поверхности теплообмена определяется из уравнения
где Kор = 300 - ориентировочное значение коэффициента теплопередачи.
Тепловая нагрузка холодильника-конденсатора:
Q = 2226кВт = 2226000Вт
Средний
температурный напор
|
(5.2) |
где Δtб и Δtм определяются по формуле
(5.3) | |
(5.4) |
Подставив значения в формулы (5.3) и (5.4), получим
Подставив значения в формулу (5.2), получим
|
Подставив значения в формулу (5.1), получим
По справочным данным выбираем холодильник-конденсатор со следующими параметрами: поверхность теплообмена F = 425 м2, наружный диаметр D = 1000 мм, тип труб d×s = 25×2, число ходов по трубному прост- ранству n=2, общее число труб N = 1040, высота холодильника-конденсато- ра Н = 6 м.
|
Заключение
В соответствии с заданием определены
задачи проектирования, дано описание
технологической схемы
Процесс ректификации осуществляют в ректификационной установке, включающей ректификационную колонну, дефлегматор, холодильник - конденсатор, подогреватель исходной смеси, сборник дистиллята и кубового остатка. Основным аппаратом установки является ректификационная колонна, в которой пары перегоняемой жидкости поднимаются снизу, а навстречу парам сверху стекает жидкость, подаваемая в верхнюю часть аппарата в виде флегмы. Конечными продуктами процесса ректификации являются дистиллят (сконденсированные в дефлегматоре пары легколетучего компонента) и кубовый остаток (менее летучий компонент в жидком виде).
Обзор и анализ существующих конструкций оборудования для ректификации позволил сделать вывод, что наиболее распространенными в промышленности являются тарельчатые и насадочные колонны с непрерывной подачей газа.
Технологический расчет тарельчатой ректификационной колонны позволил определить следующие параметры: число тарелок, количество дистиллята и кубового остатка, расход греющего пара, расход воды в дефлегматоре и конденсаторе, диаметр и высоту колонны, а также основные размеры элементов колпачковой тарелки.
Проведенные расчеты позволяют считать спроектированную ректификационную колонну работоспособной, и она может использоваться по назначению.
Список использованных источников
- Кутепов А.М., Бондарева Т.И., Беренгартен Н.Г., Общая химическая технология, изд. 2-е, перераб. и доп., М.: «высшая школа», 1990. – 522 с.
- Скобло А.И. и др. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии. – М.: ООО «Недра – Бизнес – центр», 2000. – 677с.
- Павлов К.Ф., Романков А.А., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу «Процессы и аппараты химической технологии». – Л.: Химия, 1981. – 552с.
- Машины и аппараты химических производств. / И.И. Поникаров и др. – М.: Машиностроение, 1989. – 368с.
- Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию./ Под. ред. Ю.И.Дытнерского. – М.: Химия, 1983. – 272с.
- Тимонин А.С. Основы конструирования и расчета химико - технологического и природоохранного оборудования. Справочник. – Калуга: Изд. Н. Бочкаревой, 2002. Т.1, 852 с., т.2, 1028 с., т.3, 968 с.
- Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. – М.: Машиностроение, 1970. - 752с.
- Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств. Примеры и задачи / под ред. М.Ф. Михалева. – Л.: Машиностроение, 1984. – 301 с.
- Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1973. – 752 с.
Приложение 1
Мольный pасход сыpья, кмоль/ч L = 196.6
Мольный состав сыpья, доли XL = .869
──────────────────────────────
Наименование показателя │ HKK BKK