Машины и аппараты химических производств. Курс лекций. Шубин Виктор Степанович

МАШИНЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ. ЛЕКЦИОННЫЙ КУРС.

МАШИНЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

ЛЕКЦИОННЫЙ КУРС

ЛЕКТОР: ШУБИН ВИКТОР СТЕПАНОВИЧ

Лекция №1

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОЛОННЫХ АППАРАТАХ. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К КОНСТРУИРОВАНИЮ. КЛАССИФИКАЦИЯ КОЛОННЫХ АППАРАТОВ.

План лекции №1:

1. Сущность процессов, протекающих в колонных аппаратах.

   1. Ректификация

   2. Абсорбция

   3. Адсорбция

   4. Экстракция

   5. Глубокое охлаждение

2. Классификация колонных аппаратов:

   1. По способу создания поверхности контакта:

      1. Поверхностные

      2. Барботажные

      3. Распылительные

   2. По технологическому признаку

   3. По давлению

3. Требования, предъявляемые к колонным аппаратам

4. Литература

1. Колонные аппараты служат для проведения в них различных тепло и массообменных процессов.

1.1. Ректификация. Процесс ректификации предназначен для разделения жидких смесей на практически чистые компоненты или фракции, различающиеся температурой кипения.

Различают смеси из 2-х компонентов (бинарные), многокомпонентные и сложные. К сложным смесям относится нефть и её фракции.

Физическая сущность процесса ректификации заключается в двухстороннем 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. На практике ректификация, как и всякий и всякий диффузионный процесс осуществляется в противотоке пара и жидкости, что обеспечивает различие температур и неравномерность составов встречных потоков.

Жидкое орошение создаётся путём конденсации парового потока в верхней части колонны, а паровое орошение – путём испарения части жидкости в нижней части колонны.

1.2. Абсорбция – это процесс разделения газовых смесей путём избирательного поглощения отдельных компонентов смеси жидким поглотителем – абсорбентом.

Физическая сущность процесса абсорбции заключается в молекулярной и конвективной диффузии вещества из газовой фазы в жидкую вследствие разности парциальных давлений извлекаемого компонента в контактирующих фазах. Различие парциального давления компонентов обеспечивается противоточным движением газа и жидкости.

Когда парциальное давление в газе становится меньше, чем в жидкости, начинается выделение его из жидкости и такой процесс называется - десорбция.

1.3. Адсорбция. В процессе адсорбции предельным состоянием для каждого поглощаемого вещества является состояние равновесия между содержанием его в адсорбенте (так называемой «статической активностью») и парциальным давлением адсорбируемого вещества в парогазовой или жидкой смеси.

1.4.Экстракция – это процесс извлечения одного (или нескольких) компонентов из смеси путём обработки растворителем (экстрагентом) и избирательным по отношению к отдельным компонентам. Для выделения целевого компонента из смеси с экстрагентом применяют выпаривание или ректификацию.

1.5. Глубокое охлаждение. Применяется для разделения газовых смесей. Выбор способа разделения определяется технико-экономическими соображениями.

Рис.1. Основные элементы колонны.

1 – корпус;

2, 3, 4, 5 – патрубки ввода и вывода газовых или жидкостных потоков;

6 – распределитель газа;

7 – распределитель жидкости;

8 – сепарационное устройство;

9 – контактное устройство.

2. Классификация колонных аппаратов.

2.1. При указанных выше процессах массообмен происходит на поверхности соприкосновения фаз, поэтому аппараты должны иметь развитую поверхность контакта.

а) Поверхностные (плёночные) аппараты

б) Барботажные аппараты

в) Струйные аппараты

а) Поверхностные аппараты - аппараты, в которых поверхностью контакта является зеркало жидкости (поверхностные колонные аппараты) или поверхность текущей плёнки жидкости (плёночные колонные аппараты). К этой же группе относятся: насадочные аппараты, в которых жидкость стекает по поверхности загружаемой в аппарат насадки из тел различной формы, и механические плёночные аппараты. Для поверхностных аппаратов поверхность контакта определяется геометрической поверхностью элементов.

б) Барботажные аппараты – аппараты, в которых поверхность контакта развивается потоками газа, распределяющегося в жидкости в виде пузырьков и струек. Такое движение газа (барботаж) осуществляется путём пропускания его через заполненный жидкостью аппарат (сплошной барботаж), либо в аппаратах колонного типа с различного типа тарелками. Поверхность контакта определяется гидродинамическим режимом (расходом газа и жидкости).

в) Распыливающие (струйные аппараты). В них поверхность контакта образуется путём распыления жидкости в массе газа на мелкие капли. Поверхность контакта определяется гидродинамическим режимом (расходом жидкости). К этой группе относятся аппараты, в которых распыление жидкости производится форсунками (форсуночные или полые аппараты). Распыл жидкости производится в потоке движущейся с большой скоростью газа (так называемый распыливающий аппарат) или вращающимися механическими устройствами (механические распыливающие аппараты).

Приведённая классификация аппаратов является условной, так как отражает не столько конструкцию аппарата, сколько характер поверхности контакта.

2.2. Классификация по технологическому признаку.

= Колонны атмосферно-вакуумных установок

= Колонны термического и каталитического крекинга

= Колонны вторичной перегонки нефти

= Колонны ректификации газов

= Колонны стабилизации лёгких нефтяных фракций.

2.3. В зависимости от давления:

Колонны:

= вакуумные

= атмосферные

= работающие под повышенным давлением.

3. Требования, предъявляемые к колонным аппаратам:

3.1. Высокая разделительная способность и производительность.

3.2. Достаточная надёжность в работе.

3.3. Низкие эксплуатационные расходы.

3.4. Небольшой вес.

3.5. Простота и технологичность конструкции.

Вес и простота конструкции не менее важны, чем первые пункты, поскольку они не только определяют капитальные затраты, но и в значительной мере влияют на величину эксплуатационных расходов, обеспечивает лёгкость и удобство изготовления аппарата. При этом учитывается монтаж и демонтаж, ремонт, контроль, а также испытания и безопасность эксплуатации.

4. Литература.

Александров В.М. «Ректификационные и абсорбционные аппараты»

Рамм В.М. «Абсорбция газов»

Стабников В.Н. «Ректификационные аппараты»

Дытнерский. «Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию»

Поникаров И.И. «Машины и аппараты химических производств».

Шубин В.С. (см. на кафедре) «Расчёт и конструирование колонных и массообменных аппаратов»

Лекция №2

Технологический и гидравлический расчёт тарельчатой колонны

1. Общие замечания

2. Технологический расчёт колонны

   1. Составление материального баланса

   2. Определение давления и температуры

   3. Определение флегмового числа

   4. Составление теплового баланса

   5. Определение внутренних материальных потоков в колонне

Целью расчёта колонны является определение технологического режима, основных размеров аппарата и его внутренних устройств.

Технологический режим колонны определяется температурами внешних материальных потоков, рабочим давлением в аппарате, удельным расходом тепла на испарение остатка и холода на конденсацию верхнего продукта, флегмовым числом или удельным расходом абсорбента.

Основными размерами аппарата являются его диаметр и высота, зависящая от типа тарелок и расстояния между ними.

Основными размерами тарелки являются её свободное сечение и размеры некоторых элементов, характерных для каждого типа тарелок.

Условно расчёт делится на 2 части:

1. Определение показателей технологического режима и числа действительных тарелок.

2. Определение основных размеров колонны и её внутренних устройств.

1 – технологический расчёт колонны

2 – гидравлический расчёт колонны

Назначение технологического расчёта колонны состоит в определении режима её работы, обеспечивающей заданное качество разделения исходного сырья.

Назначение гидравлического расчёта колонны состоит в обеспечении заданного разделения исходного количества сырья в колонне при допускаемом диапазоне изменения нагрузок.

Кроме заданного разделения и устойчивой работы указанные расчёты должны обеспечить оптимальную конструкцию колонны и минимальные затраты на её сооружение и эксплуатацию.

Рекомендуется следующий порядок расчёта тарельчатой колонны:

1. Технологический расчёт

2.1. Составление материального баланса по внешнему контуру

2.2. Определение температурного режима и рабочего давления колонны

2.3. Определение флегмового числа

2.4. Состояние теплового баланса колонны

2.5. Определение внутренних материальных потоков в колонне

2.6. Определение числа теоретических тарелок

2.7. Определение числа реальных тарелок

2.8. Выбор типа тарелок

Основой технологического расчёта тарельчатых колонн является термодинамический расчёт, который выполняется на базе понятия о теоретической тарелке.

Под теоретической тарелкой понимается такая ступень контакта, на которой осуществляется изменение концентраций фаз от рабочего до равновесного состояния.

Теоретическая тарелка характеризует предельное состояние массообмена при контакте фаз.

Истинное распределение концентраций и потоков по высоте аппарата, количества реальных тарелок, оптимальное место ввода питания и другие показатели могут быть найдены только при помощи кинетического расчёта, то есть с учётом реально протекающего процесса массообмена между газом и жидкостью.

2.1. Составление материального баланса.

Материальный баланс колонны составляется с целью определения количества получаемых продуктов по известным данным об исходном сырье и заданной чёткости разделения.

(2.1)

D – количество дистиллята, кг/час; кмоль/час

F – расход сырья, кг/час; кмоль/час

x, y – весовые или мольные концентрации компонентов в жидкости и паре соответственно.

2.2. Определение давления и температуры.

Давление и температура в колонне являются основными параметрами технологического режима. Чем выше давление, тем больше должна быть и температура в колонне, так как с повышением давления увеличиваются температуры кипения и конденсации разделяемых смесей.

Вакуумные колонны.

Понижение давления в колонне по сравнению с атмосферным необходимо в том случае, когда разделению подлежат нестабильные смеси.

Атмосферные колонны.

Атмосферное давление в колонне или небольшое его превышение над атмосферным принимается тогда, когда пары дистиллята при этом давлении могут быть сконденсированы при помощи наиболее дешёвого и доступного хладоагента

В первом приближении температуру конденсации парового дистиллята можно принимать на 15-20⁰С выше температуры.

Для преодоления потерь потока при движении пара через трубопроводы и аппараты, расположенные после колонны необходимо чтобы давление вверху колонны несколько превышало расчётное.

Колонны под давлением.

Повышенное давление в колонне принимается при разделении смесей с низкими температурами ( ) кипения.

Давление в колонне повышается до такого значения, при котором охлаждающая вода/воздух в конденсаторах могут быть использованы для конденсации верхнего продукта.

Можно принимать давление, при котором пары дистиллята будут иметь температуру на 15-20⁰С выше температуры охлаждающего агента на выходе из конденсатора.

Расчёты температур в колонне.

Температуры дистиллята и остатка определяются по диаграммам у-х и t – y, x.