Выолненная РПЗ курсового проекта, страница 3

1.4.4 Барботажные колонны.

Применяются с колпачковыми, ситчатыми и провальными тарелками. Значительное сопротивление барботажных колонн при ректификации обычно не существенно (кроме процесса ректификации в вакууме), так как вызывает лишь некоторое повышение давления и, следовательно, температуры 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. Чаще всего применяются колонны с колпачковыми тарелками. Колонны с ситчатыми и провальными тарелками применяются при разделении незагрязненных жидкостей в установках, работающих с постоянной нагрузкой.

1.4.5 Центробежные ректификаторы.

Для интенсификации массообмена и повышения эффективности разделения, были предложены аппараты, работающие на принципе использования центробежной силы (колонны с вращающейся трубой, горизонтальные аппараты с вращающимся спиралевидным ротором).

Центробежный пленочный ректификационный аппарат состоит из неподвижного кожуха, в котором вращается с большой скоростью ротор, состоящий из спиральной металлической ленты, ограниченной изнутри и снаружи сетчатыми цилиндрами. Начальная смесь движется по стенкам спирали в виде тонкой пленки от центра к периферии. Пар движется с большой скоростью противотоком к жидкости, и взаимодействие фаз происходит на поверхности плёнки. Интенсивность массообмена определяется сопротивление жидкой и паровой пленок. Поэтому эффективность пленочной ректификации возрастает и турбулизацией потоков пара и жидкости.

Несмотря на сложность устройства, центробежные ректификационные аппараты могут быть успешно применены при разделении смесей, требующем очень большого числа тарелок.

1.4.6 Кубы и дефлегматоры

(Теплообменные устройства ректификационных колонн).

Куб периодически действующей колонны обычно выполняют в виде горизонтального котла с змеевиком для обогрева. Ёмкость куба должна быть рассчитана на количество всей смеси, перегоняемой за одну операцию.

В колоннах непрерывного действия куб служит лишь для испарения части стекающей вниз жидкости и является, таким образом, кипятильником. По устройству такие кипятильники сходны с кипятильниками выпарных аппаратов. При небольших поверхностях теплообмена применяют теплообменники с обогревом при помощи змеевика или в виде горизонтальной трубчатки, пронизывающей всю нижнюю часть колонны, причем греющий пар пропускается по трубам (рис. 12, а).

При больших поверхностях теплообмена применяют выносные кубы с естественной циркуляцией теплоносителя (рис. 12,б), аналогичные по устройству выпарным аппаратам с выносным кипятильником.

а б

Рис. 12. Устройство кипятильников ректификационных колонн:

а – горизонтальная трубчатка; б – выносной кипятильник.

Дефлегматоры выполняют обычно в виде вертикальных или горизонтальных кожухотрубных теплообменников. Чаще всего вода проходит по трубам, пары движутся в пространстве. Иногда пары пропускают по трубам, а воду – в межтрубном пространстве; в этом случае очистка труб от накипи затруднительна.

1.5 Эксплуатация ректификационных установок.

В работающей ректификационной колонне число тарелок или высота насадки – постоянные величины. Основными условиями достижения требуемой степени разделения компонентов при ректификации являются: подвод соответствующего количества тепла в куб колонны и подача ее на орошение необходимого количества флегмы. Оба эти условия неразрывно связаны друг с другом. Изменяя подвод тепла в кубе и подачу флегмы, можно регулировать работу колонны.

Обычно степень разделения компонентов контролируется по температурам в нижней и верхней частях колонны. Температуры внизу колонны должна соответствовать температуре кипения остатка, температура наверху колонны – температуре кипения дистиллята. Наряду с этим применяют и другие методы контроля (определение плотности, определение показателя преломления, химический анализ и др.)

Если, например, содержание ВК в дистилляте велико (температура наверху колонны выше нормы), необходимо увеличить подачу флегмы в колонну. При этом, однако, прежнего количества подводимого тепла в кубе будет недостаточно и избыток флегмы не испарится в кубе, а перейдет в остаток, в котором, таким образом, повысится содержание НК. Поэтому одновременно с увеличением подачи флегмы надо увеличить подвод тепла, чтобы температура внизу колонны не стала ниже нормы.

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 путём изменения количества и состава подаваемой смеси. При изменении количества смеси меняется производительность установки и соответственно должно быть отрегулированы подвод тепла в кубе и подача флегмы. Существенное влияние оказывает изменение состава смеси. Если, например, содержание НК в смеси уменьшилось, то уменьшится и его содержание в дистилляте; следовательно, температура вверху колонны повысится. Для сохранения требуемого состава дистиллята надо уменьшить его отбор.

Отбор остатка регулируется обычно так, чтобы уровень жидкости в кубе был постоянным. Если, вследствие увеличения подачи смеси или увеличения содержания в ней ВК, уровень жидкости в кубу повышается, следует увеличить отбор остатка.

В колоннах непрерывного действия наиболее целесообразно применять автоматическое регулирование, например, по следующей схеме:

1) отбор дистиллята управляется регулятором температуры верхней части колонны;

2) подача пара управляется регулятором температуры нижней части колонны;

3) отбор остатка управляется регулятором уровня жидкости в кубе.

При периодической ректификации регулирование процесса производят путем увеличения флегмового числа с таким расчетом, чтобы состав дистиллята не изменялся. При этом по мере протекания процесса понижается скорость перегонки, т.е. уменьшается количество отбираемого дистиллята. Количество тепла, подводимого в единицу времени, и количество образующихся паров остаются почти неизменными.

1.6 Ректификация сжиженных газов.

Ректификацию сжиженных газов применяют для разделения газовых смесей на составные компоненты и проводят ее при низких температурах, достигаемых при помощи холодильных циклов.

Наиболее распространена ректификация воздуха для разделения его на кислород и азот. При разделении воздуха применяют аппараты одинарной и двойной ректификации.

1.6.1 Разделительный аппарат одинарной ректификации.

На рис. 13 показана схема простого цикла с дросселированием, в котором применен разделительный аппарат одинарной ректификации. Аппарат представляет собой обычную ректификационную колонну, куб которой обогревается сжатым воздухом, а исходная смесь подается на верх колонны. Сжатый и охлажденный в теплообменнике 1 воздух проходит по змеевику 2 и, отдавая тепло кипящему в кубе жидкому кислороду, частично конденсируется. Затем воздух дросселируется в вентиле 3 до абсолютного давления 1,2-1,3 ат и подается на верх колонны 4. В результате ректификации в кубе собирается ВК (кислород), из верхней части колонны отводится НК (азот).

Рис. 13. Схема разделительного аппарата одинарной ректификации:

1. теплообменник;

2. змеевик;

3. вентиль;

4. колонна.

В описанной установке получается чистый кислород, но азот содержит до 7-10% кислорода, так как уходящий из колонны пар находится в равновесии с поступающим в колонну жидким воздухом. Это приводит к большим потерям кислорода: используется лишь ⅔ кислорода, содержащегося в разделяемом воздухе, а ⅓ уходит с азотом, загрязняя его.

1.6.2 Разделительный аппарат двойной ректификации.

Аппараты двойной ректификации состоят из двух колонн (верхней и нижней), орошаемых азотной флегмой, содержащей ~95% N2. Флегма получается в конденсаторе, служащим одновременно кубом верхней колонны, в котором кипит жидкий кислород. Таким образом, тепло конденсации азотной флегмы передается кипящему кислороду. Поскольку азот является НК, температуру его кипения надо повысить, чтобы она превышала температуру кипения кислорода в кубе верхней колонны. Для этого нижняя колонна должна работать при более высоком давлении, чем верхняя.

Ч тобы повысить температуру кипения азота до температуры кипения кислорода при атмосферном давлении (-183ºС), требуется абсолютное давление 3,6 ат. Практически абсолютное давление в верхней колонне составляет 1,4-1,6 ат (это соответствует температуре кипения кислорода -180ºС); в нижней колонне абсолютное давление примерно 6 ат (что соответствует температуре кипения азота -175ºС). Таким образом, разность температур конденсирующего азота и кипящего кислорода, необходимая для работы конденсатора, составляет ~5ºС.

На рис. 14 показана схема разделительного аппарата двойной ректификации. Сжатый и охлажденный в теплообменнике воздух, проходя по змеевику 1, конденсируется. Тепло конденсации отводится жидкостью, кипящий в кубе 2. Из змеевика воздух поступает в вентиль 3, где дросселируется до давления ~6 ат, а затем идет в нижнюю колонну 4. В результате ректификации, происходящей в нижней колонне, в кубе 2 собирается обогащенная кислородом жидкость (40-60% О2), наверху этой колонны – пары азота, содержащие ~95% N2.

Рис. 14. Схема разделительного аппарата двойной ректификации:

1-змеевик; 2-куб; 3, 6, 9-вентиля; 4-нижняя колонна; 5-карман; 7-конденсатор; 8-верхняя колонна.

Пары азота конденсируются в трубках конденсатора 7 за счет испарения кислорода в межтрубном пространстве. Часть полученной в конденсаторе азотной флегмы стекает в нижнюю колонну, а часть собирается в кармане 5.

В верхней колонне 8 производятся ректификация жидкости, собирающейся в кубе нижней колонны. Эта жидкость подается в верхнюю колонну через вентиль 6, сверху колонна орошается азотной флегмой, поступающей из кармана 5 через вентиль 9.

В результате ректификации, происходящей в верхней колонне, сверху из нее выходит почти чистый газообразный азот, а в кубе собирается чистый жидкий кислород, часть которого отводится в жидком виде, а часть испаряется (за счет конденсации азота в трубах конденсатора 7) и отводится в газообразном состоянии.

В аппарате двойной ректификации получают кислород, содержащий не менее 99,3% О2, и азот, содержащий ~98% N2.

2. Технологическая схема.

3.Расчетная часть.

Рассчитать ректификационную колонну непрерывного действия с ситчатыми тарелками для разделения под атмосферным давлением 12 т/ч жидкой смеси, содержащей 52% (масс.) бензола и 48% (масс.) толуола. Требуемое содержание бензола в дистилляте 98% (масс.), требуемое содержание толуола в кубовом остатке 96% (масс.). Исходная смесь перед подачей в колонну подогревается до температуры кипения. Греющий пар имеет давление p_иэб=4 кгс/см² (0,3 МПа). В расчет входит определение расходов дистиллята, кубового остатка, флегмового числа, греющего пара, охлаждающей воды и определение основных размеров колонны – D и Н.

I. Материальный баланс.

Обозначим массовый расход дистиллята через G_D , кубового остатка через G_W .

Из уравнений материального баланса

G_F = G_D + G_W;

G_FX_F = G_DX_D+ G_WX_W,

где,

G_F, G_D, G_W – массовые или мольные расходы питания, дистиллята и кубового остатка;

X_F, X_D, X_W – содержание легколетучего компонента в питании, дистилляте и кубовом остатке, массовые или мольные доли.