Колонна ректификационная

Ситчатые тарелки имеют отверстия диаметром 2-5 мм; газ проходит через отверстия и барботирует через слой жидкости на тарелке. При нормальной работе колонны жидкость не протекает через отверстия, т.к. она поддерживается снизу давлением газа. Высота слоя жидкости на тарелке составляет 25-30 мм и определяется положением верхних концов переливных труб.

Ситчатые колонны отличаются  простотой устройства и высокой эффективностью. Основной их недостаток заключается в том, что они удовлетворительно работают лишь в ограниченном диапазоне нагрузок. При низких нагрузках, когда скорость газа мала, жидкость протекает через отверстия и работа колонны нарушается. При больших нагрузках гидравлическое сопротивление тарелки сильно возрастает, причем наблюдается значительный унос жидкости (хотя на ситчатых тарелках унос меньше, чем на колпачковых тарелках). Другой недостаток ситчатых колонн состоит в том, что отверстия в тарелках легко забиваются.

 

 

Описание схемы

 

Процесс ректификации осуществляют в ректификационной установке, включающей ректификационную колонну, дефлегматор, холодильник-конденсатор, подогреватель исходной смеси (теплообменник).

Исходная смесь бензол-толуол из промежуточной емкости 13 центробежным насосом 12 подается в теплообменник 1, где подогревается до температуры кипения насыщенным водяным паром. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 2 на тарелку питания (верхнюю тарелку исчерпывающей части колонны), где смешивается с флегмой из укрепляющей части колонны.

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 11. В результате этого из жидкости удаляется легколетучий компонент.

Пар, обогащенный НК, поднимается вверх по колонне и поступает в дефлегматоре 3. Из дефлегматора сконденсировавшийся пар поступает в распределительный стакан 4, где конденсат разделяется на два потока: один (флегма) возвращается на орошение колонны, второй (дистиллят) поступает в холодильник дистиллята 5 и далее в промежуточную емкость 7.

Из кубовой части колонны непрерывно отводится кубовый остаток – продукт, обогащенный ВК, который охлаждается в теплообменнике 6 и направляется в емкость 9.

Подогреватель исходной смеси и кипятильник обогреваются насыщенным водяным паром, образовавшийся конденсат возвращается на ТЭЦ.

Охлаждающая вода нагревается в холодильниках и дефлегматоре и поступает для охлаждения на градирню. После охлаждения вода возвращается в цикл.

В рассмотренной схеме не учитывается возможность рационального использования теплоты.

Схема автоматизирована. Основными регулируемыми параметрами являются: 1) состав жидкости в верхней и нижней частях колонны; 2) расход и температура исходной смеси; 3) давление в верхней части колонны;

4) температура и уровень жидкости  в кубе.

Стабилизация состава жидкости в верхней части колонны осуществляется путем изменения расхода флегмы, в нижней части колонны – расходом греющего пара.

Расход исходной смеси стабилизируется при помощи регулятора расхода. Диафрагма и исполнительное устройство этого регулятора устанавливаются до теплообменника, так как после нагрева исходной смеси до температуры кипения поток жидкости в теплообменнике содержит паровую фазу, что нарушает работу диафрагмы и исполнительного устройства.

Если исходная смесь поступает в колонну с меньшей температурой, чем температура кипения, то её нужно подогреть парами, идущими из нижней части колонны. Конденсация паров при этом увеличивается, что нарушает весь режим процесса ректификации. Поэтому температуру исходной смеси стабилизируют изменением расхода пара, подаваемого в подогреватель 1.

Стабилизация давления в верхней части колонны необходима не только для поддержания заданного состава целевого продукта, но и для обеспечения нормального гидродинамического режима колонны. Давление стабилизируется путем изменения подачи охлаждающей воды, подаваемой в дефлегматор.

При уменьшении температуры жидкости в кубе при помощи регулятора температуры увеличивается расход пара в кипятильнике. Уровень жидкости в кубе стабилизируется путем изменения расхода кубового остатка.

Схемой предусмотрена стабилизация уровней жидкости в сборниках.

В процессе ректификации контролируются расходы, давления, температуры технологических потоков при помощи контрольно-измерительных приборов (КИП).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Характеристика сырья

 

Уксусная кислота:

Внешний вид: бесцветн. жидкость Брутто-формула (система Хилла): C2H4O2 Формула в виде текста: CH3COOH Молекулярная масса (в а.е.м.): 60,05 Температура плавления (в °C): 16,6 Температура кипения (в °C): 118,1 Растворимость (в г/100 г или характеристика): ацетон: смешивается  
бензол: смешивается  
вода: смешивается  
диэтиловый эфир: смешивается  
сероуглерод: растворим  
этанол: смешивается  
Вкус, запах, гигроскопичность: 
вкус: кислый 
запах: резкий 
Дополнительное описание: 
Порог восприятия запаха в воздухе (мг/л) = 0,4 
Плотность: 1,0492 (20°C, г/см3) 
Давление паров (в мм.рт.ст.): 10 (17,1°C) 
40 (42,4°C) 
100 (62,2°C) 
400 (98,1°C) 
560 (109°C) 
1520 (143,5°C) 
3800 (180,3°C) 
Показатель диссоциации: pKa (1) = 4,75 (25 C, вода) 
Вкусовое вещество. Для синтеза душистых веществ, красителей, ацетона, ацетата целлюлозы. Используется в крашении и печатании.

 

Вода:

Внешний вид: бесцветн. жидкость Кристаллические модификации, цвет растворов и паров: 
В твердом виде образует несколько модификаций: Ih (гексагональная структура) существует при 0 C, плотность 0,917 г/см3; Ic (кубическая модификация), существует при -133 C, плотность 0,93 г/см3; II (при -33 C и 210 МПа), плотность 1,18 г/см3; III (при -22 C и 200 МПа), плотность 1,15 г/см3; V (при -5 С и 800 МПа), плотность 1,26 г/см3; VI (при +35 С и 800 МПа), плотность 1,34 г/см3; VII (при 25 С и 2500 МПа), плотность 1,65 г/см3. 
В толстом слое имеет голубой цвет. 
Брутто-формула (система Хилла): H2O Формула в виде текста: H2O Молекулярная масса (в а.е.м.): 18,02 Температура плавления (в °C): 0 Температура кипения (в °C): 100 Растворимость (в г/100 г или характеристика): 1,2-дихлорэтан: 0,187 (25°C) 
вода: смешивается  
диэтиловый эфир: мало растворим  
тетрахлорметан: 0,0116 (25°C) 
хлороформ: 0,0932 (25°C) 
этанол: смешивается  
Вкус, запах, гигроскопичность: 
вкус: без вкуса 
запах: без запаха 
Способы получения: 1. Очистка природной воды. 
2. Сжигание водорода в кислороде или в воздухе. 
Природные и антропогенные источники: Одно из самых распространенных на Земле веществ. Количество воды на поверхности Земли оценивается в 1 390 000 000 000 000 000 т, большая часть из которых находится в морях и океанах. Количество доступной для использования пресной воды в реках, озерах, болотах и водохранилищах составляет 200 000 000 000 000 т. Масса ледников Антпрктики, Антарктиды и высокогорных районов оценивается в 24 000 000 000 000 000 т., примерно столько же имеется подземных вод, причем только небольшая часть из них - пресные. Вода входит в состав многих минералов и горных пород, присутствует в почве, является компонентом всех живых организмов. 
Плотность: 1 (4°C, г/см3) 
0,9971 (25°C, г/см3) 
Давление паров (в мм.рт.ст.): 1 (-17,4°C) 
10 (11,2°C) 
100 (51,6°C) 
Показатель диссоциации: pKa (1) = 15,7 (20 C, вода) 
Применение:Во всех областях человеческой деятельности.

 

 

Техника безопасности и охрана труда

 

В работающей ректификационной колонне число тарелок и высота насадки – постоянные величины. Основными условиями достижения требуемой степени разделения компонентов при ректификации являются: подвод соответствующего количества тепла в куб колонны и подача на её орошение необходимого количества флегмы. Изменяя подвод тепла в кубе и подачу флегмы, можно регулировать работу колонны.

Температура внизу колонны должна соответствовать температуре кипения остатка, температура наверху колонны – температуре кипения дистиллята.

Подачу флегмы регулируют изменением отбора дистиллята при частичной конденсации путем регулирования количества подаваемой в дефлегматор воды, при полной конденсации при помощи вентиля на линии отбора дистиллята. Подвод тепла в кубе регулируется изменением подачи греющего пара.

Регулирование процесса ректификации производится также путем изменения количества и состава подаваемой смеси. В колоннах непрерывного действия наиболее целесообразно применять автоматическое регулирование:

1. отбор дистиллятора управляется регулятором температуры верхней части колонны;
2. подача пара управляется регулятором температуры нижней части колонны;
3. отбор остатка управляется регулятором уровня жидкости в кубе.

Проект каждого новостроящегося и реконструируемого предприятия без раздела об очистке отходов производства, загрязняющих водоемы или воздушную атмосферу, не утверждаются и не выделяются ассигнования на его строительство. Для сооружения сокращений выбросов следует применять меры, связанные с уменьшением изменений технологических процессов. Без очистных сооружений запрещены приемка  новых или реконструируемых предприятий и их эксплуатация. Усиленные требования к степени герметичности оборудования и применение складов ёмкостей, транспортных устройств закрытого типа позволяет сократить выбросы.

В соответствии с санитарными нормами промышленные предприятия располагают по отношению к населенному пункту с подветренной стороны и отделяют санитарно-защитной зоной.

Существуют различные способы очистки выбросов, направляемых в атмосферу. Наиболее распространенные методы очистки выбросов от газов и паров – абсорбционный, адсорбционный и каталитический. Абсорбционный и адсорбционный основаны на поглощении газов и паров из воздуха жидким или твердым сорбентом (поглотителем).

Метод каталитической очистки газа основан на каталитических реакциях, в результате которых находящиеся в газе вредные примеси превращаются в безвредные или менее вредные соединения, легко удаляемые из газа.

Основное условие безопасности эксплуатации колонных аппаратов – обеспечение их герметичности. Причинами нарушения герметичности могут быть повышенное давление, недостаточная компенсация увеличения линейных размеров, коррозия корпуса, механические повреждения.

Давление может повыситься при перегрузке колонных аппаратов рабочей смесью, нарушение температурного режима процесса, забивки отверстий в распределительных устройствах, попадание в ректификационные колонны воды с сырьем.

На случай недопустимого повышения давления колонны оборудуют системой защитной автоматической блокировки, обратными клапанами на линии подачи сырья и реагентов, предохранительными устройствами, сбрасывающими избыток паров на факел.

В колоннах предусматривают компенсацию тепловых линейных расширений.

Механические повреждения могут вызваться вибрацией, нарушающей герметичность фланцевых соединений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основные условные обозначения

 

F – расход исходной смеси, кг/с;

P – расход дистиллята, кг/с;

W – расход кубового остатка, кг/с;

х, х – концентрация жидкой фазы соответственно в массовых и мольных долях;

у, у – концентрация паровой фазы соответственно в массовых и мольных долях;

L – расход жидкой фазы, кг/с;

G – расход паровой фазы, кг/с;

D – коэффициент диффузии, м²/с;

D, d – диаметр, м;

Ρ – плотность, кг/м³;

Μ – динамический коэффициент вязкости, Па*с;

Σ – поверхностное натяжение, Н/м;

R – флегмовое число;

М – мольная масса, кг/кмоль;

n – число теоретических ступеней разделения (число теоретических тарелок);

c – удельная теплоемкость, Дж/кг*К;

I, i – удельная энтальпия, Дж/кг;

r – удельная теплота парообразования, Дж/кг;

t – температура, °С;

р – парциальное давление компонента паровой фазы, Па;

α – относительная летучесть;

η – коэффициент полезного действия (к.п.д.);

ω – скорость потока, м/с;

f – удельная поверхность, м²/м³;

Vс – свободный объем, м³/ м³;

m – коэффициент распределения компонента по фазам в условиях равновесия (тангенс угла наклона равновесной линии).

Индексы: н.к. – низкокипящий компонент; в.к. – высококипящий компонент; F – параметры исходной смеси; Р – параметры дистиллята;

W – параметры кубового остатка; ср – среднее значение; ж – жидкая фаза; п – паровая фаза; * – равновесное значение.    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчетная часть

 

Материальный баланс колонны

 

Производительность колонны по дистилляту Р и кубовому остатку W определяем из уравнения материального баланса колонны:

 

F = P + W                                                                                                               (1)              

G= 3*3600

10800*0,3 = Р*0,97 + W*0,03

P*0,97+W*0,03=3240

0,03W=3240-0,97P

W=108000-32,3P

P-97P=10800-108000

-96P=-97200

P=97200/96=1012,5

W=10800-P=9787,5 кг/с

Для дальнейших расчетов необходимо концентрации исходной смеси, дистиллята и кубового остатка выразить в мольных долях:

 

XА = (XА/MА) / XА/MА + (1 – XА)/МВ                                                                    (2)

 

XF = (30/18)/(30/18 + (100 – 30)/60) = 0,588,

 

где 18 и 60 соответственно молекулярные массы воды и уксусной кислоты.

Аналогично найдем:

 

Xp  = 0,991

 Xw = 0,095

 

На основании справочных данных о температурах кипения, равновесных составах жидкости и пара при 0,1 МПа для рассматриваемой бинарной смеси строят кривую температур кипения и кривую равновесия в координатах х – у.