Введение. 
Ректификационная установка непрерывного действия по разделению бинарной смеси бензол-толуол

Целью расчёта ректификационной установки непрерывного действия является определение основных размеров оборудования, входящего в технологическую схему установки, размеров внутренних устройств ректификационного аппарата, мат. потоков и затрат тепла. При этом следует помнить, что ректификация представляет собой процесс разделения жидких смесей на компоненты, при котором происходит переход вещества из жидкой фазы в паровую и наоборот. В большинстве случаев ректификация осуществляется в противоточных колоннах с контактными элементами.

Ректификация является одним из способов получения бензола. Бензол (C6H6) — ароматический углеводород — входит в состав бензина, широко применяется в промышленности, является исходным сырьём для производства лекарств, различных пластмасс, синтетической резины, красителей. В физическом весе пластмасс около 30%, в каучуках и резинах — 66%, в синтетических волокнах — до 80% приходится на ароматические углеводороды, родоначальником которых является бензол. Бензол входит в состав сырой нефти, но в промышленных масштабах по большей части синтезируется из других её компонентов. Ректификационные колонны обеспечивают получение бензола и толуола чистотой 99,9%, содержание толуола в смеси ксилолов не превышает 1,5%. Применяют при получении отдельных фракций и индивидуальных углеводородов из нефтяного сырья в нефтеперерабатывающей и нефтехимической, а также в химико-фармацевтической промышленностях.

Ректификационные аппараты можно классифицировать в зависимости от технологического назначения, давления и внутреннего устройства, обеспечивающего контакт между паром и жидкостью.

По технологическому назначению ректификационные аппараты на колонны атмосферно-вакуумных установок, термического и каталитического крекингов, вторичной перегонки нефтепродуктов, а также на колонны для ректификации газов, стабилизации легких нефтяных фракций [1].

В зависимости от применяемого давления аппараты подразделяются на вакуумные (для разделения смесей высококипящих веществ), атмосферные и работающие под давлением больше атмосферного (для разделения смесей, являющихся газообразными при нормальных температурах).

В зависимости от внутреннего устройства различают аппараты тарельчатые, насадочные, пленочные и роторные (с вращающимися деталями). Наиболее широкое распространение в промышленности получили тарельчатые и насадочные колонны.

К современным ректификационным аппаратам предъявляются следующие требования: высокая разделительная способность и производительность, достаточная надежность и гибкость в работе, низкие эксплуатационные затраты, небольшой вес и, наконец, простота и технологичность конструкции [1].

Конструкция аппарата зависит от способа организации контакта фаз. Наиболее простое конструктивное оформление ректификационных аппаратов применяется при движении жидкости от одной ступени контакта к другой под действием силы тяжести. В этом случае контактные устройства (тарелки) располагаются одно над другим и разделительный аппарат выполняется в виде вертикальной колонны. В промышленной практике известны также разделительные аппараты, выполненные в виде горизонтальной емкости.

В зависимости от производительности и назначения ректификационные установки для разделения бинарных смесей делятся на установки непрерывного и периодического действия. Основным преимуществом установок непрерывного действия по сравнению с периодическим действием является возможность стабильных по составу продуктов и относительной простоте автоматизации процесса.

Наиболее широкое распространение получили тарельчатые колонны, применяемые для больших производительностей, широкого диапазона изменений нагрузок по пару и жидкости и обеспечивающие весьма четкое разделение смесей. Недостатком является относительно высокое гидравлическое сопротивление, однако в условиях ректификации это приводит лишь к некоторому увеличению давления и соответственно к небольшому повышению температуры кипения жидкости в кипятильнике колонны.

Ректификационная колонна, рассмотренная в курсовом проекте, относится к аппаратам непрерывного действия перекрестного тока.

Для заданного разделения любой исходной смеси на две части применяется схема полной ректификационной колонны. В таком аппарате сырье подается в середину колонны, дистиллят, обогащенный низкокипящими компонентами или фракциями, отбирается сверху, а остаток, обогащенный высококипящими компонентами или фракциями — снизу колонны. Для создания жидкостного и парового орошения колонна имеет конденсатор вверху и кипятильник внизу. Секция колонны, расположенная выше ввода сырья, называется конденсационной (укрепляющей); секция, расположенная ниже ввода сырья — отгонной (исчерпывающей). Верхняя тарелка исчерпывающей секции колонны, на которую поступает жидкая часть сырья, называется тарелкой питания.

Кипятильник предназначен для превращения в пар части жидкости, стекающей из колонны, и подвода пара в ее нижнюю часть (под нижнюю тарелку). Кипятильник имеет поверхность нагрева в виде змеевика или представляет собой кожухотрубчатый теплообменник, встроенный в нижнюю часть колонны. Более удобны для ремонта и замены выносные кипятильники, которые устанавливаются ниже колонны с тем, чтобы обеспечить естественную циркуляцию жидкости. Обогрев кипятильников наиболее часто производится водяным насыщенным паром.

Дефлегматор, предназначенный для конденсации паров и подачи орошения (флегмы) в колонну, представляет собой кожухотрубчатый теплообменник, в межтрубном пространстве которого обычно конденсируются пары, а в трубах движется охлаждающий агент (вода). В случае полной конденсации паров в дефлегматоре его устанавливают выше колонны, непосредственно на колонне или ниже верха колонны для того, чтобы уменьшить общую высоту установки.

Колпачковые тарелки имеют сотни модификаций. Достоинством их является удовлетворительная работа в широком диапазоне нагрузок по жидкости и пару, а также небольшая стоимость эксплуатации. Работают они по принципу слива. Как и во всех тарелках со сливными устройствами, на колпачковых тарелках наблюдается гидравлический уклон по направлению движения жидкости, что вызывает явление продольной неравномерности барботажа по тарелке.

Наибольшее распространение получили тарелки с круглыми (капсульными) колпачками (рис. 1).

При барботаже пара через жидкость различают три режима:

• — пузырьковый режим — через слой жидкости проходят отдельные пузырьки газа или пара, образующие цепочку около стенки колонны;
• — струйный режим — отдельные пузырьки газа сливаются в непрерывную струю;
• — факельный режим — отдельные струи пара сливаются в общий поток, имеющий вид факела, при этом наблюдается захват жидкой фазы и переброс ее на выше лежащую тарелку, что отрицательно сказывается на работе колонны.

а б Рис. 1. а — Схема многоколпачковой тарелки с круглыми колпачками.

б — Схема работы многоколпачковой тарелки.