Расчет ректификационной колонны

1. Технологическая часть

1.1 Теоретические основы процесса

1.2 Сравнительная характеристика аппаратов

1.3 Устройство основного аппарата

1.4 Технологическая обвязка аппарата по ГОСТ

1.5 Техника безопасности при обслуживании оборудования

1.6 Физико-технические свойства веществ

2.Расчётная часть

2.1 Материальный расчет

2.2 Тепловой расчет

2.3 Конструктивный расчёт аппарата

2.4 Расчёт и подбор вспомогательного оборудования

ВВЕДЕНИЕ

Химизация — процесс производства и применения химических продуктов - одна из высших стадий развития общественных производительных сил.

На всех этапах промышленного развития химия и химические методы обработки предметов труда играли революционизирующую роль. За последние 20 - 30 лет в результате крупных достижений химической науки и техники значение и роль химической промышленности в народном хозяйстве еще более возросли. Она оказывает огромное влияние на развитие материально — технической базы общественного производства. Современная химическая промышленность по масштабам производства и технической базы, по технологии и отраслевой структуре, по экономической роли в развитии общества поднялась на качественноновую ступень.

Роль современной химической промышленности заключается, прежде всего, в том, что она становится все расширяющимся источником получения искусственным путем новых материалов, новых видов сырья, либо дополняющих, либо заменяющих природное сырье. Искусственные и синтетические полимеры становятся все более массовыми конструкционными материалами. В результате химическая промышленность превращается в источник получения материалов, которые образуют материальную субстанцию орудий труда и предметов потребления.

Значительна роль химии в решении главной экономической задачи - повышении материального благосостояния людей. /9, с. 10/

Все сферы жизни и деятельности людей их здоровье, питание, одежда, жилище и быт связаны с химической продукцией. Общее число известных химических соединений используемых для этих целей оценивается близким к 4,5 млн., в том числе около шестидесяти тысяч неорганических соединений.

Важнейшим преимуществом применения химических процессов и материалов является возможность создания материалов с заранее заданными свойствами, обладающих легкостью и прочностью, антикоррозионными и диэлектрическими свойствами, способностью работать в экстремальных условиях.

Без использования химических процессов и материалов невозможно было бы создание таких прогрессивных отраслей народного хозяйства, как атомная энергетика, электроника, космическая техника, ракетостроение, а также развитие принципиально новых технических направлений в авиации, радиотехнике и электронике, в приборои машиностроении.

Среди отраслей промышленности, где особенно прогрессирует химизация, следует в первую очередь указать машиностроение, которое является основой технического перевооружения всех отраслей народного хозяйства. Расширение сферы химизации в машиностроении достигается за счет конструирования из химических материалов деталей, машин и механизмов, что ведет к уменьшению габаритов и снижению массы, повышению их надежности и долговечности, увеличению производительности, улучшению качества и эксплуатационных свойств, а также высвобождению дефицитных и дорогостоящих материалов.

Особенно широко используются в машиностроении пластмассы и синтетические смолы, синтетический каучук и резины, химические волокна и изделия из них, краски и лаки.

Применение пластмасс и синтетических смол в электронной технике способствовало микроминиатюризации и миниатюризации ее продукции, что в свою очередь, обеспечило технический прогресс в производстве электронно-вычислительных машин, транзисторов, радиои телевизионной аппаратуры.

Полимерные материалы в значительной мере определяют технический прогресс в электротехнике. Использование эпоксидных и кремнийорганических смол в качестве изоляционных материалов позволило значительно повысить мощность электродвигателей, в 2−3 раза увеличить срок их службы.

Применение полимеров, особенно армированных пластиков, в транспортном машиностроении (в производстве самолетов, судов автомобилей, вагонов и др.) позволило уменьшить массу деталей, улучшить их прочностные характеристики и антикоррозионные свойства. Благодаря этому растут скорости движения и грузоподъемность транспортных средств, улучшается их комфортабельность.

В судостроении полимерные материалы обеспечивают высокую прочность конструкции, повышают ресурсы работы и безопасность движения, упрощают технологическое обслуживание и ремонт.

Быстрыми темпами внедряются пластмассы в автомобилестроение. На основе полимерных материалов производятся электро — термои звукоизоляционные элементы, кабельные изделия электропроводов, светотехнические изделия и корпусные детали электробытовых и радиотехнических приборов, изделия абразивной промышленности, фрикционные детали тормозных систем для автомобилей и для железнодорожного транспорта, антикоррозийные и декоративные покрытия. 7, с. 299/

Эластомеры расходуются на производство технических и хирургических изделий из мягкой резины, а также резиновые подошвы, ленточные транспортеры, обувь и шланги всех видов.

Использование химических процессов и материалов способствует решению важнейшей задачи повышения эффективности производства, что достигается благодаря более высокой производительности труда, более низкой материало-, энерго-, и капиталоемкости при применении химических процессов и материалов. Химизация - это огромная экономия материальных, трудовых, энергетических и финансовых ресурсов.

Увеличение масштабов использования химических материалов и методов сопровождается значительной экономией затрат на производство, сокращение удельных капитальных вложений на единицу продукции, систематическому повышению производительности общественного труда.

1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА Ректификация получила широкое распространение во многих отраслях промышленности для разделения однородных жидких смесей с различной температурой кипения образующих их жидкостей.

Получение практически чистых компонентов может быть осуществлено ректификацией — разделения однородных смесей не находящихся в термодинамическом равновесии, на составляющие вещества или группы составляющих веществ в результате противоточного взаимодействия паров, образующихся при перегонке, с жидкостью, образующейся при конденсации этих паров. При этом пар при движении постоянно обогащается низкокипящим (легколетучим) компонентом, а жидкость - высококипящим (труднолетучим) компонентом.

Движущая сила процесса ректификации определяется разностью рабочей и равновесной концентраций. Процесс не может протекать бесконечно и наступает состояние фазового равновесия, наступающего, когда скорости перехода компонента из одной фазы (газ (пар) или жидкость) в другую становятся равными.

Фазовое равновесие характеризуется равновесной концентрацией. По величине рабочей и равновесной концентрации всегда можно судить, в каком направлении протекает массообмен. Сместить фазовое равновесие можно изменением таких параметров, как температура, концентрация и давление.

Состав паров в процессе ректификации определяется различной летучестью компонентов при одной и той же температуре. При ректификации исходная смесь делится на две части: дистиллят - смесь, обогащенную низкокипящим компонентом (НК), и кубовый остаток - смесь, обогащенную высококипящим компонентом (ВК). /2, с. 246/

Ректификацией может быть достигнута любая заданная степень разделения жидких смесей. Ректификация является сложным процессом дистилляции.

Процесс ректификации осуществляется в ректификационной установке, основным аппаратом которой является ректификационная колонна, внутри которой расположены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Снизу вверх по колонне движется пар, поступающий из выносного или расположенного внизу под колонной куба - испарителя. На каждой тарелке происходит частичная конденсация пара труднолетучего компонента. Таким образом, пар, выходящий из куба - испарителя и представляющий собой почти чистый труднолетучий компонент, по мере движения вверх, обогащается легколетучим компонентом и покидает колонну в виде почти чистого пара пар конденсируется легколетучего компонента. Пар конденсируется в дефлегматоре, охлаждаемом водой. Полученный конденсат разделяется на дистиллят (верхний продукт) и флегму, которая направляется на верхнюю тарелку колонны. Флегма, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, обогащается труднолетучим компонентом.

Исходную смесь подогревают до температуры кипения в теплообменнике и подают в колонну на тарелку нижней исчерпывающей части колонны. Верхняя часть колонны называется укрепляющей по легколетучему компоненту.

Из куба - испарителя отводят нижний продукт или кубовый остаток. /8, с. 353/

Процесс ректификации может протекать при атмосферном давлении, а также при давлениях выше и ниже атмосферного. Под вакуумом ректификацию проводят, когда разделению подлежат высококипящие жидкие смеси.

Повышенное давление применяют для разделения смесей, находящихся в газообразном состоянии при более низком давлении. Атмосферное давление принимают при разделении смесей, имеющих температуру кипения от 30 до 150 ⁰С. /2, с. 246/

Ректификацию осуществляют на установках непрерывного и периодического действия. Установка непрерывного действия применяется для крупнотоннажного производства, ее можно полностью автоматизировать, и имеется возможность использования тепла кубовой жидкости для подогрева исходной смеси и тем самым снизить энергозатраты. Установка периодического действия работает при переменном флегмовом числе и переменном составе дистиллята. Такую схему трудно автоматизировать и применяют ее для мелкотоннажных производств и опытных партий.

Экстрактивная ректификация предназначена для разделения смесей компонентов с близкими температурами кипения и очень низкой относительной летучестью (& < 1,05). В этом случае в исходную смесь вводится третий компонент, предназначенный для резкого увеличения летучести основных компонентов. Вводимый компонент должен быть менее летуч, чем оба исходных компонента разделяемой смеси, и должен хорошо растворять низколетучий компонент разделяемой смеси.

Азеотропная ректификация смеси. А и В, находящейся в термодинамическом равновесии, осуществляется аналогичным способом. К азеотропной смеси, то есть жидкой смеси, находящейся в термодинамическом равновесии с газовой фазой одинакового с ней состава; добавляют третий компонент С, образующий с одним из разделяемых компонентов новую (более летучую, чем исходная) азеотропную смесь. Эта азеотропная смесь выделяется в качестве дистиллята, а другой практически чистый компонент удаляется в виде кубового остатка.

При описании и расчетах процессов, осуществляемых в ректификационных аппаратах при противоточном взаимодействии потоков жидкости и пара принимают следующие допущения:

1. мольные теплоты испарения компонентов одинаковы, то есть при конденсации каждого киломоля пара испаряется такое же количество киломолей жидкости. Отсюда следует важный вывод о том, что количество пара, движущегося в аппарате снизу вверх, выраженное в киломолях, одинаково в любом сечении ректификационной колонны.

2. при конденсации пара в дефлегматоре изменения его состава не происходит, то есть состав пара, выходящего из верхней части колонны, равен составу получаемого дистиллята и флегмы (У_р = Х_р)

3. при испарении кубовой жидкости в испарителе изменение ее состава также не происходит, то есть состав жидкости, выгружаемой из нижней части колонны, равен составу возвращаемого в колонну пара

4. (y_w = x_w)

5. теплоты смешения компонентов разделяемой смеси равны нулю. Ректификацией разделяют смеси с различной взаимной растворимостью компонентов. Двойные смеси обычно называют бинарными, а содержащие несколько компонентов — многокомпонентными. Различают следующие типы бинарных смесей.

1) смеси взаимнорастворимых жидкостей, то есть таких жидкостей, которые растворимы друг в друге в любых отношениях. В свою очередь они разделяются на: а) смеси не действующих друг на друга жидкостей (так называемые идеальные смеси, которые подчиняются закону Рауля, согласно которому парциальное давление компонентов парах над жидкостью равно давлению пара чистого компонент, умноженному на его мольную долю в жидкости), у которых силы сцепления между молекулами обоих компонентов такие же, как и между молекулами каждого из компонентов; б) смеси с положительными отклонениями от закона Рауля, у которых силы сцепления между молекулами низкокипящего и высококипящего компонентов меньше, чем между молекулами каждого из компонентов (с максимумом на кривой давления); в) смеси с отрицательными отклонениями от закона Рауля, у которых силы сцепления между молекулами НК и ВК больше, чем между молекулами каждого из компонентов (с минимумом на кривой давлений).

2) Смеси из жидкостей, нерастворимых друг в друге.

3) Смеси частично растворимых жидкостей /9, с. 343/

Степень разделения смеси жидкостей на составляющие компоненты и чистота получаемых дистиллята и кубового остатка зависят от того, насколько развита поверхность контакта фаз, от количества подаваемой на орошение флегмы и устройства ректификационной колонны, которые отличаются в основном конструкцией внутреннего устройства (насадки и тарелки), назначение которого - обеспечение взаимодействия жидкости и пара. /6, с. 246/

1.2 СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АППАРАТОВ

Для ректификации применяют практически исключительно аппараты колонного типа — насадочные и барботажные ректификационные колонны.

В насадочных ректификационных колоннах для развития поверхности контакта фаз используют насадку - твердые тела, разнообразные по форме и размерам. Они изготовляются из различных материалов (металлов, керамики, пластических масс и др.). Насадочные ректификационные колонны обычно применяют с кольцевой насадкой. Чаще используют керамические кольца Рашига и седлообразные насадки, в неагрессивных средах используют деревянную хордовую насадку (рисунок 1). Насадка из колец Рашига (рисунок 1 а) имеет наиболее широкое применение. Тонкостенные кольца Рашига имеют высоту, равную диаметру, которая изменяется в пределах 15 - 150 мм. Кольца малых размеров засыпают в колонну навалом. Большие кольца (от 50 * 50 мм и выше) укладывают правильными рядами, сдвинутыми друг относительно друга. Такой способ заполнения аппарата насадкой называется загрузкой в укладку, а загружаюемую таким способом насадку - регулярной.

В насадочных колоннах в укрепляющей части колонны количествожидкости меньше количестваподнимающихся паров на количество отводимого дистиллята, в исчерпывающей части колонны количество вводимой жидкости больше, чем в укрепляющей на количество вводимой смеси.

Неравномерное распределение жидкости по сечению колонны может привести к недостаточно четкому разделению компонентов, особенно при большом диаметре колонны. Низкое гидравлическое сопротивление насадочных колонн существенно лишь при ректификации в вакууме.

В насадочных колоннах пловерхность контакта фаз является смоченная поверхность насадки, поэтому насадка должна иметь возможно большую поверхность в единице объема. Вместе с тем, для эффективной работы она должна удовлетворять следующим требованиям: 1) хорошо смачи-ваться орошающей жидкостью; 2) оказывать малое гидравлическое сопротивление паровому патоку; 3) создавать возможность для высоких нагрузок аппарата по жидкости и пару; 4) иметь малую плотность; 5) равномерно распределять орошающую жидкость; 6) быть стойкой к агрессивным средам; 7) обладать высокой механической прочностью; 8) иметь невысокую стоимость.

а б г в А) насадка из колец Рашига; б) седла Берля; в) шары; г) хордовая насадка Рисунок 1 - виды насадок В насадочных колоннах (рисунок 2) насадка укладывается на опорные решетки 2, имеющие отверстия или щели для прохождения газа или стока жидкости, которая с помощью распределителя (разбрызгивателя) 4 равномерно орошает насадочные тела и стекает вниз. По всей высоте слоя насадки равномерное распределение жидкости по сечению колонны не достигается, поскольку из-за разного гидравлического сопротивления насадки и влияния пристеночных эффектов, она имеет тенденцию растекаться от центральной части колонны к ее стенкам. Поэтому для улучшения смачивания насадки в колоннах большого диаметра насадку иногда укладывают слоями (секциями) высотой 2 - 3 м и под каждой секцией, кроме нижней, устанавливают перераспределитель жидкости 3.

В зависимости от скорости подаваемого в насадочную колонну газа (расход жидкости при этом постоянен), различают четыре гидродинамических режима ее работы:

I. Пленочный режим характеризуется тем, что практически вся жидкость стекает по поверхности насадки в виде пленки.

II. Подвисание характеризуется увеличением сил трения газа о жидкость на поверхности соприкосновения фаз. В результате спокойное течение пленки нарушается — появляются завихрения, брызги.

III. Эмульгирование характеризуется накоплением жидкости в свободном объеме насадки. Накопление жидкости происходит до тех пор, пока сила трения между стекающей жидкостью и поднимающимися по колонне парами не уравновесит силу тяжести жидкости, находящейся в насадке при этом наступает обращение (или инверсия) фаз (жидкость становится сплошной фазой, а пар - дисперсной). Гидравлическое сопротивление колонны резко возрастает, наступает «захлебывание» колонны.

IV. Унос жидкости паровым потоком, на практике не используется.

Недостатком насадочных колонн является то, что они малопригодны при работе с загрязненными жидкостями, а в случаях малых количеств орошающей жидкости не достигается полная смачиваемость насадки. Кроме того, в насадочных колоннах затруднен отвод теплоты, выделяющейся при поглощении пара.

1- насадка; 2-опорная решетка; 3- перераспределитель жидкости; 4- разбрызгиватель; 5- гидрозатвор.

Рисунок 2. Схема насадочной колонны Насадочные ректификационные колонны небольшого диаметра (до 1 м) применяют при ректификации в вакууме и для разделения химически агрессивных веществ. Длительный опыт промышленной эксплуатации насадочных колонн показал целесообразность их использования при диаметрах не более 0,8 м, при дальнейшем увеличении диаметра насадочной колонны ухудшается равномерное распределение флегмы по насадке, образуются каналы, по которым преимущественно устремляется флегма, и эффективность колонны резко снижается.

Барботажные ректификационные колонны применяют с колпачковыми, ситчатыми и про-вальными тарелками. Тарелки бывают со сливными устройствами и без них.

К первой группе относятся колпачковые, ситчатые, клапанные и другие, ко второй группе — провальные.

Значительное сопротивление6 барботажных колонн при ректификации обычно несущественно (кроме ректификации в вакууме), так как повышает давление и следовательно, температуру кипения в нижней части колонны и не связано с дополнительным расходом энергии.

Барботажные колонны являются наиболее распространенными ректификационными аппаратами благодаря возможности разделения в них компонентов с любой степенью четкости.

Колонны с ситчатой и провальными тарелками применяют в установках, работающих с постоянной нагрузкой.

Ситчатые тарелки (рисунок 3) представляют собой перфорированные диски с большим числом отверстий диаметром 2 — 8 мм, которые равномерно просверлены по всей поверхности.

Уровень жидкости на тарелке 1 поддерживается переливным устройством 2, высота слоя жидкости составляет 25 - 30 мм. Пар проходит через отверстия тарелки и барботирует через слой жидкости (распределяется в слое жидкости в виде мелких струек и пузырьков).

При слишком малой скорости пара его давление не может удержать слой жидкости, соответствующий высоте перелива, и жидкость может просачиваться (или «проваливаться») через отверстия тарелки на нижерасположенную тарелку, что приводит к существенному снижению движущей силы процесса. Поэтому пар должен двигаться с определенной скоростью и иметь давление, достаточно для того, чтобы преодолеть давление слоя жидкости на тарелке и предотвратить стекание жидкости через отверстия тарелки. Однако при слишком больших нагрузках жидкость будет уноситься потоком пара на вышележащие тарелки.

Ситчатые тарелки обладают более узким диапазоном работы по сравнению с колпачковыми и отверстия в тарелках могут легко засоряться, но отличаются простотой устройства, низким гидравлическим сопротивлением, легкостью монтажа, осмотра и ремонта. КПД ситчатых тарелок равен 0,3 - 0,4.

1- тарелки; 2- переливные устройства; 3- гидрозатворы; 4-корпус колонны

Рисунок 3. Устройство ситчатых переточных тарелок В провальных тарелках (рисунок 4) без сливных устройств пар и жидкость проходят через те же отверстия и щели. При том одновременно с взаимодействием фаз на тарелке происходит сток жидкости на нижерасположенную тарелку — «проваливание» жидкости. Поэтому тарелки такого типа называют провальными.

1 — колонна; 2-тарелки.

Рисунок 4. Устройство провальных тарелок

Гидродинамический режим работы провальных тарелок специфичны тем, что нормальная их работа возможна только после достижения определенной скорости пара.

На рисунке 5 приведены типы тарелок, на которых осуществляются интенсивные процессы взаимодействия газовой (паровой) и жидкой фаз. На тарелке с двумя зонами контакта фаз, газ (пар) дополнительно проходит через пленку жидкости при сливе с тарелки и барботирует через слой жидкости на тарелке.

Слой шаров на тарелке (ситчатой или провальной) помогает образовать плотную сепарирующую пленку жидкости между тарелками, благодаря чему скорость газа (пара) в колонне можно повысить в 3 — 4 раза по сравнению с ситчатыми тарелками.

При ректификации термически нестойких систем (в вакууме) применяют роторные аппараты, обеспечивающие разбрызгивание жидкой фазы. Они имеют низкое гидравлическое сопротивление, но требуют дополнительных затрат энергии на вращение ротора.

А) тарелки с двумя зонами контакта фаз; б) тарелки с подвижной шаровой насадкой Рисунок 5. типы интенсивных контактных устройств Интенсификация ректификационных установок осуществляется в основном за счет уменьшения энергетических затрат, а также с помощью организации интенсивных гидродинамических режимов и оптимальных условий массопередачи.

Энергетические затраты (на греющий пар и охлаждающую воду) могут быть уменьшены за счет: 1) хорошей термоизоляции ректификационной колонны; 2) работы при оптимальном (соответствующем минимуму суммарных затрат) флегмовом числе; 3) использования вторичных тепловых потоков (теплоты, уходящей из колонны с потоками дистиллята, кубового остатка, конденсата) на производственные нужды; 4) использования острого пара (в тех случаях, когда это допустимо) на нагрев куба и т. п.; 5) применения принципа термокомпрессии (теплового насоса);6) использования двух (или более) колонн при различных давлениях, например, для ректификации азеотропных смесей.

Кроме того, при проектировании ректификационных установок необходимо учитывать технологические особенности проведения процесса. При несогласованности механических, тепловых и технологических расчетов, проект может оказаться непригодным. /8, с. 363/

1.3 УСТРОЙСТВО ОСНОВНОГО АППАРАТА

Барботажная колонна с колпачковыми тарелками.

Сливные устройства — это специальные приспособления для перетока жидкости - сливные трубы, карманы. Их нижние концы погружены в жидкость на нижерасположенных тарелках для создания гидрозатвора, предотвращающего прохождение пара через сливное устройство.

Жидкость подается сверху вниз, движется вдоль тарелки от одного сливного устройства к другому. Пар проходит снизу через прорези колпачков и затем попадает в слой жидкости на тарелке, высота которого регулируется высотой сливного порога.

а) две соседние тарелки; б) капсульный колпачок; в) формы капсульных клопачков; 1- тарелки; 2- газовые (паровые) патрубки; 3- круглые колпачки; 4- переточные перегородки (или трубы) с порогами; 5- гидравлические затворы; 6- корпус колонны Рисунок 6. устройство колпачковой тарелки

При этом пар распределяется в жидкости в виде пузырьков и стрй, образуя слой пены, в котором происходит процесс ректификации. Эта пена нестабильна, и при выходе ее к сливному устройству жидкость осветляется.

В колоннах с колпачковыми тарелками (рисунок 6) находятся тарелки 1 с патрубками 2, закрытые сверху колпачками 3 (число колпачков на тарелке определяется ее конструкцией). Нижние края колпачков снабжены зубцами или прорезями в виде узких вертикальных щелей. Жидкость перетекает с тарелки на тарелку через переливные трубы 4. уровень жидкости на тарелке соответствует высоте, на которую верхние концы переливных труб выступают над тарелкой. Чтобы жидкость перетекала только по переливным трубам, а не через патрубки 2, верхние концы патрубков должны быть выше уровня жидкости. Нижние края колпачков погружены в жидкость так, чтобы уровень жидкости был выше верха прорезей.

Газ проходит по патрубкам 2 в пространство под колпачками и, выходя через отверстия между зубцами или через прорези в колпачках, барботирует через слой жидкости.

Чтобы газ не попадал в переливные трубы и не препятствовал таким образом нормальному перетоку жидкости с тарелки на тарелку, нижние концы переливных труб опущены ниже уровня жидкости. Благодаря этому создается гидрозатвор, предотвращающий прохождение газа через переливные трубы.

1 — тарелка; 2- патрубок; 3- колпачок; 4- переливная труба Рисунок 7. Схема колонны с колпачковыми тарелками По конструкции различают круглые колпачки и прямоугольные колпачки. Круглые колпачки имеют диаметр 80…100 мм, при работе с загрязненными жидкостями — до 200…300 мм. Ширина прямоугольных (туннельных) колпачков 70…150 мм.

Недостатками колпачковых тарелок являются трудность сборки и монтажа, сложность изготовления, высокое гидравлическое сопротивление, необходимость установки режима расхода газовой фазы.

КПД колпачковой тарелки высокое 0,5 — 0,6. колпачковые тарелки более универсальны и используются при любом давлении как при устойчивых, так и при неустойчивых режимах работы. Нагрузка на сегментный перелив не должна превышть 40 м³/ (м*ч).

1.4 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОБВЯЗКА АППАРАТА ПО ГОСТ

1 — теплообменник; 2 - ректификационная колонна; 3 - дефлегматор;

4 — распределительный стакан; 5 - испаритель; 6 - сборник кубового остатка; 7 - центробежный насос

Рисунок 8. Ректификационная установка

1.5 ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ОБСЛУЖИВАНИИ АППАРАТА

1.5.1 Ректификационные колонны перед пуском должны быть осмотрены, проверена исправность и готовность к работе всех связанных с ними аппаратов и трубопроводов, исправность контрольно-измерительных приборов, регуляторов температуры и давления в колонне, измерителей уровня жидкости в нижней части колонны приемниках ректификата, ректификационных емкостях и емкостях остатка.

1.5.2 Пуск ректификационной установки в работу должен производиться строго в установленной последовательности, которая должна быть указана в технологической инструкции.

1.5.3 При работе ректификационной колонны необходимо непрерывно контролировать параметры процесса и исправность аппарата.

1.5.4 Для улавливания жидкости, которая может быть выброшена вместе с парами и газами через предохранительный клапан наружу на линии за предохранительном клапаном следует иметь сепаратор. Уровень жидкости в сепараторе не должен превышать установленного предела.

1.5.5 В зимнее время на открытых установках не реже одного раза в смену необходимо проверять состояние колонны, продуктопроводов, водяных линий, дренажных отростков на паропроводах и аппарата, спускных линий и т. п.

В этот период следует обеспечить непрерывное движение жидкости в коммуникациях для предотвращения их разрыва. Спускные и дренажные линии, а также наиболее опасные участки для подачи воды, щелочи, других замерзающих жидкостей должны быть утеплены.

1.5.6 Необходимо следить за тем, чтобы поврежденные участки теплоизоляции ректификационных колонн и их опор своевременно исправлялись. Теплоизоляция должна быть чистой, исправленной и выполнена так, чтобы при утечках не могли образовываться скрытые потоки жидкости по корпусу.

1.5.7 Чистку внутренней поверхности колонны следует вести осторожно неискрящими инструментами.

1.5.8 Отложения, снимаемые со стенок при очистке необходимо складывать в металлическую посуду и удалять из помещения или с установки.

1.5.9 При обнаружении утечки в ректификационных колоннах необходимо подать водяной пар или азот к местам пропуска для предотвращения возможного воспламенения или образования смесей взрывоопасных концентраций.

При возникновении аварии или пожара после снижения внутреннего давления в аппарате необходимо подать внутрь его водяной пар или азот.

1.5.10 В цехах или на открытых установках необходимо проверять наличие первичных средств пожаротушения и исправность имеющихся стационарных или полустационарных систем пожаротушения.

1.5.11 Колонные аппараты большой высоты (40м и более) должны быть обеспечены стационарными системами водяного или воздушно-пенного охлаждения и тушения, состояние и наличие которых должно систематически проверяться. /4; с. 25 - 27 /

1.6 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВ ТРИХЛОРЭТАН С₂ Н₃ Сl₃

Молекулярная масса, М, кмоль/кг 133,41

Температура кипения, t_КИП, ^ОС 113,9

Температура плавления, t_ПЛ, ^ОС -36,5

Плотность при 20 ^ОС, с, кг/м³ 1440

Удельная теплоемкость, с, Дж/кг•К 1,113

Вязкость, µ, Па•с 1,2•10 ³

Поверхностное натяхение, у, Н/м 33,57•10^-3

Трихлорэтан — бесцветная летучая жидкость со сладковатым запахом, технический продукт летучая жидкость от бесцветного до желтоватого цвета.

Хорошо растворяется в спирте, эфире, углеводородах нефти; мало ратворим в воде. Вступает в реакции галогенирования, гидрохлорирования, дегидрохлорирования, хлоргидринирования. /3; с. 58−59/

1,2-ДИХЛОРЭТАН (этиленхлорид, хлористый этилен, сим-дихлорэтан)

С₄ H₄ Cl₂

Молекулярная масса, М, кмоль/кг 63,5

Температура кипения, t_КИП, ^ОС 83,47

Температура плавления, t_ПЛ, ^ОС 95,36

Плотность при, с, кг/м³ 1253

Удельная теплоемкость, с, Дж/кг•К 1372

Вязкость, µ, Па•с 0,417•1

Поверхностное натяхение, у, Н/м 22,5•10^-3

1,2-дихлорэтан — бесцветная летучая жидкость со сладковатым запахом. Технический продукт — бесцветная летучая жидкость. При влажности не менее 0,1% является гигроскопичной жидкостью. Легковоспламеняющаяся и токсичная жидкость. Хорошо растворяется в спирте, эфире, нефтяных углеводородах, плохо растворяется в воде. Вступает в реакции галогенирования, дегидрохлорирования, гидролиза, амманолиза, цианирования, этерефикации, алкилирования.

2 РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ Исходные данные:

Производительность ректификационной колонны для разделения смеси трихлорэтан-дихлорэтан, кг/ч 8600

Содержание низкокипящего компонента: в сырье, % масс. 29

в кубовом остатке, % масс. 1

в дистилляте, % масс. 70

2.1 МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС

2.1.1 Перевод производительности в кг/с

2.1.2 Материальный баланс колонны рассчитываем согласно/2, с.114/ по формуле:

(2.1)

где F — количество исходной смеси, кг/с Р — количество дистиллята, кг/с

W - количество кубовой жидкости, кг/с

2.1.3 Материальный баланс низкокипящего компонента:

F•x_F = P•x_P + W•x_W (2.2)

где x_F, x_P, x_W — содержание низкокипящего компонента

в сырье, дистилляте, кубовом остатке, % масс.

Составим систему уравнений для нахождения количества исходной смеси и кубового остатка:

W = 3,51 кг/с

F = 5,91 кг/с

2.1.4 Выразим концентрации питания, дистиллята, кубового остатка в мольных долях:

2.1.5 Определим относительный расход питания колонны:

2.1.6 Расчет равновесного состава жидкости и пара смеси

1,2-дихлорэтан-винилхлорид согласно:

2.1.7 Найдем минимальное флегмовое число согласно /1;с.250/ по формуле:

(2.8)

2.1.8 Найдем рабочее флегмовое число согласно /1;с.250/ по формуле:

R_раб = (1,5…2,5) • R_min (2.9)

R_раб = 2,5 • 2,64 = 6,6

2.1.9 Отрезок B, отсекаемый на оси OY рабочей линии, рассчитываем согласно /1, с. 254/ по формуле:

2.2 ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС

2.2.1 Тепловой баланс ректификационной колонны рассчитывается по формуле:

Q_F + Q_Ф + Q_под = Q_G + Q_W + Q_пот (2.11)

где Q_F - теплота, подводимая с исходной смесью;

Q_Ф — теплота, подводимая с флегмой;

Q_под — теплота, подводимая с греющим паром;

Q_G - теплота, отводимая с парами дистиллята;

Q_W — теплота, отводимая с кубовым остатком;

Q_пот - потери теплоты в окружающую среду;

2.2.2 Для выполнения тепловых расчетов определим температуры кипения исходной смеси, дистиллята и кубового остатка по диаграмме t-x, y:

t_F = 74,9 ^oC

t_P = 72,4 ^oC

t_W = 80,65 ^oC

2.2.3 Определим теплоемкости дистиллята (флегмы), кубового остатка и исходной смеси согласно /1, с.21/ по формулам:

с_P = с_НК • х_Р + с_ВК (1-х_Р) (2.12)

с_W = с_НК • х_W + с_ВК (1-х_W) (2.13)

с_F = с_НК • х_F + с_ВК (1-х_F) (2.14)

с = 1379 • 0,78 + 1113 • 0,014 = 1091,20 Дж/кг•К с_W = 1379 • 0,38 + 1113 • 0,38= 946,96 Дж/кг•К с_F = 1379 • 0,014 + 1113•0,78= 887,45 Дж/кг•К

2.2.4 Определим теплоту парообразования дистиллята (флегмы) согласно /1; с.261/ по формуле:

r_Р = r_НК • х_Р + r_ВК(1- х_Р) (2.15)

r_Р = 323 400 • 0,78 + 276 100 • (1−0,78) = 312 994 Дж/кг

2.2.5 Определим энтальпию пара, выходящего из колонны согласно /1; с.261/ по формуле:

I = r_Ф + c_Ф t_Ф = r_Р + с_P t_P (2.16)

I = 312 994 + 1091,20 • 72,4 = 391 996,88 Дж/кг

2.2.6 Определим теплоту, подводимую с исходной смесью согласно /1; с.260/ по формуле:

Q_F = F с_F t_F (2.17)

Q_F = 5,91 • 946,96 • 74,79 = 419 180,37 Вт

2.2.7 Определим теплоту, подводимую с флегмой согласно /1; с.260/по формуле :

Q_Ф = Ф c_Ф t_Ф (2.18)

где Ф — количество флегмы;

Ф = Р • R_раб (2.19)

Ф = 2,4 • 6,6 = 15,84 кг/с

Q_Ф = 2,4 • 1091,20 • 72,4 = 189 606,91 Вт

2.2.8 Определим теплоту, отводимую с кубовым остатком согласно /1; с.260/ по формуле:

Q_W = W с_W t_W (2.20)

Q_W = 3,51 • 946,96 • 80,65 = 251 220,68 Вт

2.2.9 Определим теплоту, отводимую с парами дистиллята из колонны согласно /1; с.260/ по формуле:

Q_G = G • I (2.21)

где G — количество пара, поднимающегося вверх по колонне;

G = P + Ф (2.22)

G = 2,4 + 15,84 = 18,24 кг/с

Q_G = 18,24 • 391 996,88 = 7 150 023,09 Вт

2.2.10 Определим расход подводимого тепла по формуле:

Q_под = Q_G + Q_W + Q_пот - Q_F — Q_Ф

где Q_пот = 0,02 • Q_под

Q_под = Q_G + Q_W + 0,02 Q_под - Q_F — Q_Ф

Q_под — 0,02 Q_под = Q_G + Q_W - Q_F — Q_Ф

0,98 Q_под = Q_G + Q_W - Q_F — Q_Ф

2.2.11 Определим количество потерь теплоты в окружающую среду:

Q_пот = 0,02 • Q_под (2.23)

Q_пот = 0,02 • 6 931 078,05 = 138 621,56 Вт

2.2.12 Составим таблицу

Таблица 1. Тепловой баланс ректификации

2.3 КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ

2.3.1 Определим средние концентрации жидкости согласно /1; с.258/по формулам:

в верхней части колонны:

в нижней части колонны:

2.3.2 Определим средние концентрации пара согласно /1; с. 258/по формулам:

в верхней части колонны:

в нижней части колонны:

2.3.3 Определим средние температуры пара

в верней части колонны t_в.ср = 73,65 ^оС в нижней части колонны t_н.ср = 77,78 ^оС

2.3.4 Определим средние мольные массы пара согласно /1; с. 258/по формулам:

в верней части колонны:

M_в.ср =y_В.ср• • М_НК + (1-y_в.ср) • М_ВК (2.28)

M_в.ср = 0,97 • 99 + (1−0,99) • 133,5 = 100,035 кг/кмоль

в нижней части колонны:

M_н.ср =y_н.ср• • М_НК + (1-y_н.ср) • М_ВК (2.29)

M_н.ср = 0,38 • 99 + (1−0,387) • 133,5 = 120,15 кг/кмоль

2.3.5 Определим плотность пара согласно по формулам:

в верхней части колонны

в нижней части колонны:

2.3.6 Определим среднюю плотность пара в колонне по формуле:

2.3.7 Определим среднюю плотность жидкости в колонне:

2.3.8 Определим скорость пара в колонне согласно по формуле:

2.3.9 Определим объемный расход, проходящего через колонну пара при средней температуре согласно по формуле:

2.3.10 Определим диаметр колонны согласно по формуле:

2.3.11 Определим число тарелок согласно /1; с.223/ по формуле:

где n_т — число теоретических тарелок (по диаграмме у-х);

? = (0,3…0,9)

2.3.12 Определим рабочую высоту колонны согласно /1; с.223/по формуле:

Н_раб = n • h (2.38)

где h = (0,2…0,8)

Н_раб = 33 • 0,3 = 9,9 м

2.3.13 Определим общую высоту колонны согласно /1; с.223/по формуле:

Н_общ = Н_раб + Н_крыш + Н_дни (2.39)

Н_общ = 9,9 + 1,5 + 1,5 = 12,9 м

2.3.14 Определим диаметры штуцеров колонны по формуле:

d_{F УСЛ} = 200 мм

м

d_Ф УСЛ = 200 мм

= 3,811 • 5) = 0,45 м

d_{G УСЛ} = 450 мм

d_W УСЛ = 200 мм На основе рассчитанных данных, выбираем ректификационную колонну с колпачковыми тарелками согласно:

Диаметр, мм Число тарелок, шт.33

Характеристика колпачковой тарелки по ОСТ 26−808−73:

Тип тарелки ТСК-Р

Свободное сечение, м²

Длина линии барботажа, м

Периметр слива, м

Площадь слива, м²

Площадь паровых патрубков, м²

Относительная площадь для прохода паров, %

Число колпачков Шаг, мм Диаметр колпачка, мм Высота колпачка, мм Масса колпачка, кг

2.4 РАСЧЕТ И ПОДБОР ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Исходные данные:

Расчёт куба испарителя колонны разделения смеси дихлорэтан - трихлорэтан

производительностью по дистилляту, кг/ч 8600

Количество подводимого тепла, Вт 6 931 078,05

Температура горячего теплоносителя, ^оС 110

Начальная температура холодного теплоносителя, ^оС 20

Конечная температура холодного теплоносителя, ^оС 84

+20 +84

+110 +110

t_б = 90 ^оС t_м = 26 ^оС

2.4.1 Рассчитываем средний температурный напор:

т.к, то рассчитываем средний температурный напор согласно/1; с.67/ по следующей формуле:

2.4.2 Определим поверхность теплообмена согласно /1; с. 64 /по формуле:

где k - коэффициент теплопередачи, Вт/м²•К

k_ор = 120…300 Вт/м²•К

На основе рассчитанных данных подбираем куб испаритель согласно по ГОСТ 14–248−79:

Диаметр кожуха, мм 600

Диаметр труб, мм 25х2

Число ходов 6

Длина труб, м 2

Поверхность теплообмена, м² 31

Площадь сечения одного хода по трубам, м² 0,011

Общее число труб, шт. 196

Список используемой литературы

1. Иоффе И. Л., Проектирование процессов и аппаратов химической технологии. М.: Химия, 1991, 352 с.

2. Баранов Д. А., Кутепов А. М. Процессы и аппараты. М.: Издательский центр «Академия», 2004, 304 с.

3. Ошин Л. А., Промышленные хлорорганические продукты. Справочник. М.: Химия. 1978.

4., Правила пожарной безопасности при эксплуатации предприятий химической промышленности, М.: МинХимПром, 1981

5. Плановский А. Н., Рамм В. М., Каган С. З., процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1968.

6. Савинский Э. С., Химизация народного хозяйства и пропорции развития химической промышленности, М., 1972

7. Дытнерский Ю. А., Процессы и аппараты химической технологии. 2-е изд., перераб. и дополн.- М.: Химия, 1991.