Процесс ректификации

Содержание

 

 

Введение	3
1    Ректификация	4
2    Периодическая  и непрерывная ректификация	6
3    Тарельчатые колонны	7
3.1 Колпачковые колонны	7
3.2 Ситчатые колонны	8
4    Кипятильник и  дефлегматор	11
5    Описание технологического  процесса	12
6    Конструктивный  расчет	13
6.1 Материальный баланс  и определение рабочего флегмового числа	13
6.2 Тепловой баланс	16
6.3 Технологический расчет	19
Заключение	27
Список использованной литературы	28
Приложение А	29
Приложение Б	30
Приложение В	31
Приложение Г	32

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

 

Процессы разделения смесей и получение индивидуальных веществ  различной чистоты играют ключевую роль в современной промышленности. Причем наблюдается ярко выраженная тенденция получения все более  чистых веществ. Среди процессов  разделения доминирующую роль играет ректификация, и ее количественная доля составляет около 90 %. 
      Объясняется это достаточной универсальностью процессов ректификации или дистилляции и способностью перерабатывать огромные массовые потоки веществ. Достаточно вспомнить процессы нефтепереработки. 
      Однако современные дистилляционные процессы отличаются огромным потреблением энергии, затрачиваемой на испарение и охлаждение смеси веществ и разделяемых продуктов. Очень часто расходы энергии на дистилляцию составляют более 50 % потребления энергии от всего производства. Кроме того, современные дистилляционные колонны отличаются огромными размерами. Часто высота ректификационных колонн достигает 30-50 и более метров и, по сути, они определяют внешний вид многих современных химических и нефтехимических предприятий. 
         Современная промышленная ректификация сложилась около 40 – 50 лет назад и за последнее время не претерпела принципиальных изменений.

Физическая сущность процесса ректификации заключается в  двустороннем массо – и теплообмене между неравновесными потоками пара и жидкости при высокой турбулизации поверхности контактирующих фаз. В результате массообмена пар обогащается низкокипящими, а жидкость – высококипящими компонентами. При определенном числе контактов можно получить пары, состоящие в основном из низкокипящих, а жидкость – из высоко кипящих компонентов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Ректификация

 

 

В ряде производств химической, нефтяной, пищевой и других отраслей промышленности в результате различных  технологических процессов получают смеси жидкостей, которые необходимо разделить на составные части, примером таких процессов может служить  ректификация.

Ректификация – разделение жидких смесей на практически чистые компоненты, отличающиеся температурами кипения, путем многократных испарения жидкости и конденсации паров. В этом основное отличие ректификации от дистилляции, при которой в результате однократного цикла частичное испарение – конденсация достигается лишь предварительное (грубое) разделение жидких смесей.

Процесс ректификации осуществляют в ректификационной установке, включающей ректификационную колонну, дефлегматор, холодильник – конденсатор, подогреватель  исходной смеси, сборники дистиллята и  кубового остатка.

Промышленные ректификационные колонны могут достигать 80 метров в высоту и более 6,0 метров в диаметре. В ректификационных колоннах в качестве контактных устройств применяются тарелки, которые дали название химическому термину, и насадки. Насадка, заполняющая колонну, может представлять собой металлические, керамические, стеклянные и другие элементы различной формы. Конденсация осуществляется на развитой поверхности этих элементов.

Дефлегматор, холодильник-конденсатор  и подогреватель представляют собой  обычные теплообменники. 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. В большинстве случаев  конечными продуктами являются дистиллят (сконденсированные в дефлегматоре пары легколетучего компонента, выходящие  из верхней части колонны) и кубовый  остаток (менее летучий компонент  в жидком виде, вытекающий из нижней части колонны).

Движущая сила ректификации – разность между фактическими (рабочими) и равновесными концентрациями компонентов  в паровой фазе, отвечающими данному  составу жидкой фазы. Парожидкостная система стремится к достижению равновесного состояния, в результате чего пар при контакте с жидкостью  обогащается легколетучими (низко  – кипящими) компонентами (ЛЛК), а  жидкость – труднолетучими (высококипящими) компонентами (ТЛК). Поскольку жидкость и пар движутся, как правило, противотоком (пар – вверх, жидкость – вниз), при достаточно большой, высоте колонны  в ее верхней части можно получить практически чистый целевой компонент.

В зависимости от температур кипения разделяемых жидкостей  ректификацию проводят под различным  давлением: атмосферным (температура кипения 30-150 °С), выше атмосферного (при разделении жидкостей с низкими температурами кипения, например сжиженных газов), в вакууме (при разделении высококипящих жидкостей для снижения их температур кипения).

Ректификацию можно осуществлять непрерывно или периодически. В установках непрерывного действия разделяемая  сырая смесь поступает в колонну и продукты разделения выводятся из неё непрерывно. В установках периодического действия разделяемую смесь загружают в куб одновременно и ректификацию проводят до получения продуктов заданного конечного состава.

Различают ректификацию бинарных (двухкомпонентных) и многокомпонентных  смесей.

Ректификация – один из самых энергоемких химико-технологических  процессов. Поэтому в химических производствах все чаще применяют  альтернативные процессы и методы разделения. К ним относят: испарение через  мембрану, осуществляемое в аппаратах  пленочного типа; противоточную кристаллизацию с непрерывным массообменом (экономия энергии достигается благодаря тому, что теплота плавления разделяемых веществ, как правило, существенно меньше, чем теплоты их парообразования).

Однако, несмотря на все большее  распространение этих и иных альтернативных процессов и методов, ректификация по-прежнему сохраняет свое значение в химических отраслях промышленности, особенно в нефтепереработке и нефтехимии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Периодическая и непрерывная  ректификация

 

 

Все ректификационные установки, независимо от типа и конструкции  колонн, классифицируют на установки  периодического и непрерывного действия.

В ректификационных установках периодического действия начальную смесь заливают в перегонный куб, где поддерживается непрерывное кипение с образованием паров. Пар поступает на укрепление в колонну, орошаемую частью дистиллята. Другая часть дистиллята из дефлегматора или концевого холодильника, охлажденная до определенной температуры, через контрольный фонарь поступает в сборник готового продукта.

В колоннах периодического действия ректификацию проводят до тех  пор, пока жидкость в кубе не достигает  заданного состава. Затем обогрев  куба прекращают, остаток сливают  в сборник, а в куб вновь  загружают на перегонку начальную  смесь.

Установки периодической  ректификации успешно применяют  для разделения небольших количеств  смесей.

Большим недостатком ректификационных установок периодического действия является ухудшение качества готового продукта (дистиллята) по мере протекания процесса, а также потери тепла  при периодической разгрузке  и загрузке куба. Эти недостатки устраняются при непрерывной  ректификации.

Колонны непрерывного действия состоят из нижней (исчерпывающей) части, в которой происходит удаление легколетучего компонента из стекающей вниз жидкости, и верхней (укрепляющей) части, назначение которой – обогащение поднимающихся паров легколетучего компонента. Схема установки непрерывной ректификации отличается от периодической тем, что питание колонны начальной смесью определенного состава происходит непрерывно с постоянной скоростью; готовый продукт постоянного качества также непрерывно отводится.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Тарельчатые  колонны

 

 

Наиболее распространенными  абсорбционными аппаратами являются тарельчатые  колонны. По своему устройству они делятся  на колонны с колпачковыми тарелками и колонны с ситчатыми тарелками.

 

 

3.1 Колпачковые колонны

 

Эти колонны наиболее распространены в ректификационных установках. На рисунке 1 схематически изображена тарельчатая  колпачковая колонна небольшого диаметра.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 – тарелка; 2 – колпачок; 3 – паровой патрубок; 4 – переливная  трубка

 

Рисунок  1  –  Тарельчатая  колпачковая колонна

 

Колонна состоит из тарелок 1, на каждой из которых имеется один колпачок 2 круглого сечения и патрубок 3 для прохода пара. Края колпачка погружены в жидкость. Благодаря  этому на тарелке создается гидравлический затвор, и пар, выходящий из колпачка, должен проходить через слой жидкости, находящийся на тарелке. Колпачки имеют  отверстия или зубчатые прорези  для раздробления пара на мелкие пузырьки, т.е. для увеличения поверхности  его соприкосновения с жидкостью.

Приток и отвод жидкости, а также высоту жидкости на тарелке  регулируют при помощи переливных трубок 4, которые расположены на диаметрально противоположных концах тарелки; поэтому  жидкость течет на соседних тарелках во взаимно противоположных направлениях.

Схема работы колпачковой тарелки изображена на рисунке 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок  2 – Схема работы колпачковой тарелки

 

Выходящие через прорези  колпачки пузырьки пара сливаются в  струйки, которые проходят через  слой жидкости, находящейся на тарелке, и над жидкостью образуется слой пены и брызг, – основная область  массообмена и теплообмена между паром и жидкостью на тарелке.

При движении струйки пара обычно сливаются друг с другом; при этом некоторая часть сечения  прорезей обнажается, и образуются каналы, по которым газ проходит из-под колпачка сквозь жидкость. Поэтому  поверхность взаимодействия газа с  жидкостью непосредственно в  зоне барботажа невелика. Основная зона фазового контакта находится в области пены и брызг над жидкостью, которые образуются вследствие распыления пара в жидкости и уноса брызг при трении пара о жидкость.