Непрерывная ректификация

1.ЛИТЕРАТУРНЫЙОБЗОР

1.1. Теоретическиеосновы разрабатываемогопроцесса

1.1.1.Общие сведенияо процессеректификация

Ректификацияпредставляетсобой процессмногократногочастичногоиспаренияжидкости иконденсациипаров. Процессосуществляетсяпутем контактапотоков параи жидкости,имеющих различнуютемпературу,и проводитсяобычно в колонныхаппаратах. Прикаждом контакте из жидкостииспаряетсяпреимущественнолегколетучий,или низкокипящий,компонент (НК),которым обогащаютсяпары, а из паровконденсируетсяпреимущественнотруднолетучий,или высококипящий,компонент (ВК),переходящийв жидкость.Такой двухстороннийобмен компонентами,повторяемыймногократно,позволяетполучить вконечном счетепары, представляющиесобой почтичистый НК. Этипары послеконденсациив отдельномаппарате образуютдистиллят(ректификат)и флегму – жидкость,возвращаемуюдля орошенияколонны ивзаимодействияс поднимающимисяпарами. Парыполучают путемчастичногоиспарения снизуколонны остатка,являющегосяпочти чистымВК.

Какотмечалось,достаточновысокая степеньразделенияоднородныхжидких смесейна компонентыможет бытьдостигнутапутем ректификации.Сущность процессов,из которыхскладываетсяректификация,и получаемыепри этом результатыможно проследитьс помощью t— х —у-диаграммы(рис. 1.1).

Нагревисходную смесьсостава х₁дотемпературыкипения получимнаходящийсяв равновесиис жидкостьюпар (точка b).Отбори конденсацияэтого пара даютжидкость составаx₂обогащеннуюНК (х₂> х₁).Нагревэту жидкостьдо температурыкипения t₂,получим пар(точка d),конденсациякоторого даетжидкость с ещебольшим содержаниемНК, имеющуюсостав х_а,и т.д. Проводя такимобразом последовательноряд процессовиспаренияжидкости иконденсациипаров, можнополучить витоге жидкость(дистиллят),представляющуюсобой практическичистый НК.

Рис. 1.1.Изображениепроцессаразделениябинарнойсмеси путемректификациина диаграммеt—Х—у.

Аналогично,исходя из паровойфазы, соответствующейсоставу жидкостиx₄,путем проведенияряда последовательныхпроцессовконденсациии испаренияможно получитьжидкость (остаток),состоящую почтицеликом из ВК.

В простейшемвиде процессмногократногоиспарения можноосуществитьв многоступенчатойустановке, впервой ступеникоторой испаряетсяисходная смесь.На вторую ступеньпоступает наиспарениежидкость, оставшаясяпосле отделенияпаров в первойступени, в третьейступени испаряетсяжидкость, поступившаяиз второй ступени(после отбораиз последнейпаров) и т. д.Аналогичноможет бытьорганизованпроцесс многократнойконденсации,при которомна каждую следующуюступень поступаютдля конденсациипары, оставшиесяпосле отделенияот них жидкости(конденсата)в предыдущейступени.

При достаточнобольшом числеступеней такимпутем можнополучить жидкуюили паровуюфазу с достаточновысокой концентрациейкомпонента,которым онаобогащается.Однако выходэтой фазы будетмал по отношениюк ее количествув исходнойсмеси. Крометого, описанныеустановки отличаютсягромоздкостьюи большимипотерями теплав окружающуюсреду.

Значительноболее экономичное,полное и четкоеразделениесмесей на компонентыдостигаетсяв процессахректификации,проводимыхобычно в болеекомпактныхаппаратах— ректификационныхколоннах.

Процессректификацииосуществляетсяпутем многократногоконтакта междунеравновеснымижидкой и паровойфазами, движущимисяотносительнодруг друга.

Привзаимодействиифаз между нимипроисходитмассо- и теплообмен,обусловленныестремлениемсистемы к состояниюравновесия.В результатекаждого контактакомпонентыперераспределяютсямежду фазами:пар несколькообогащаетсяНК, а жидкость— ВК. Многократноеконтактированиеприводит кпрактическиполному разделениюисходной смеси.

Такимобразом, отсутствиеравновесия(и соответственноналичие разноститемпературфаз) при движениифаз с определеннойотносительнойскоростью имногократномих контактированииявляются необходимымиусловиямипроведенияректификации.

1.1.2. Равновесиев системахжидкость-пар

Вобщем случаежидкая смесьможет состоятьиз несколькихкомпонентов.В простейшемслучае из двух,например изкомпонентовА иВ. Характерповеденияжидкой смесизависит главнымобразом отприроды составляющихее веществ идавления.

Для идеальныхрастворовхарактерното, что силавзаимодействиямежду всемимолекулами(одноименнымии разноименными)равна. При этомобщая сила, скоторой молекулаудерживаетсяв смеси, не зависитот составасмеси. Очевидно,что парциальноедавление в этомслучае должнозависеть лишьот числа молекул,достигающихв единицу времениповерхностижидкости соскоростью,необходимойдля преодолениясил внутреннегопритяжениямолекул, т. е.при даннойтемпературедавлениесоответствующегокомпонентавозрастаетпропорциональноего содержаниюв жидкой смеси(закон Рауля):

р_А= Р_Ах_А(1.1) и р_В= Р_В(1-х_А)(1.2.)

ЗаконРауля справедливи для газов стемпературойниже критической(т. е.такой температуры,выше которойгаз при увеличениидавления несжижается).

По степенирастворимостикомпонентовсмеси жидкостиподразделяютна взаиморастворимыев любых соотношениях,частично растворимыеи практическивзаимонерастворимые.В свою очередьсмеси со взаиморастворимымикомпонентамив любых соотношенияхделятся на:идеальныерастворы, которыеподчиняютсязакону Рауля;так называемыенормальныерастворы - жидкиесмеси, частичноотклоняющиесяот закона Рауля,но не образующиесмесей: с постояннойтемпературойкипения (азеотропов);неидеальныерастворы- жидкостисо значительнымиотклонениямиот закона Рауля, втом числе смесис постояннойтемпературойкипения (азеотропы).(Отметим, чтополностьювзаимонерастворимыхжидкостей нет,обычно всежидкости хотябы в незначительныхколичествах,но растворяютсядруг в друге.Однако в этихслучаях напрактике дляудобства принимаюттакие жидкостивзаимонерастворимыми.)

Смесьдвух жидкостей,взаиморастворимыхв любых соотношениях,представляетсобой систему,состоящую издвух фаз и двухкомпонентов,и по правилуфаз:

С=К-Ф+2=2-2+2=2 (1.3.)

имеетдве степенисвободы (изтрех - давленияР,температурыt,концентрациих). Однакопри анализеи расчете процессовперегонкижидкостей однуиз переменныхобычно закрепляюти строят диаграммуфаз в плоскойсистеме координат.При этом возможныследующиеварианты фазовыхдиаграмм: Р— t(х = const),Р — —x(t= const),t— х(Р = const).

Для техническихрасчетов наиболееважной являетсядиаграмма t— х, у, таккак обычнопроцессы перегонкив промышленныхаппаратахпротекают приР = const,т. е. в изобарныхусловиях. Наэтой диаграмме(рис. 5.2.) по осиабсцисс отложеныконцентрациижидкой хи паровойу фаз,отвечающиеразличнымтемпературам.

Рис. 1.2.Фазовая диаграммаt— х, у

По законуДальтона р_А= Рy^*_A,и тогда

y^*_A=p_A/P=(P_A/P)x_A, (1.4.)

но

Р=p_A+p_B=P_Ax_A+P_B(1-x_B)=P_B+(P_A-P_B)x_A(1.5.)

тогда

x_A=(P-P_B)/(P_A-P_B) (1.6.)

По уравнению(1.6.)) по известнымР_Аи Р_Bпризаданной температуреt₁, t₂и т.д.находят х_A, х_Bи т.д.,а затем по уравнению(1.4.) -соответствующиезначения у*_A₁, у*_А2и т.д.и по найденнымточкам строятлинии кипенияжидкости (криваяt_AA₂A₁t_B)иконденсациипаров (криваяt_AB₂B_lt_B).Отметим,что уравнение(1.6.) устанавливаетсвязь междуконцентрациями(по жидкости)и заданнымидавлениями(общим Ринасыщенныхпаров Р_Аи Р_B).Отрезки А₁В₁, А₂В₂и т.д., соединяющиеточки равновесныхсоставов жидкойи паровой фаз,являются изотермами.

Отметим,что точки, лежащиена кривой t_AA₂A₁t_B,,отвечаютжидкой фазе,находящейсяпри температурекипения. Очевидно,что любая точка,лежащая нижеэтой кривой,характеризуетсистему, состоящуютолько из жидкойфазы. Аналогично,любая точкалежащая вышекривой t_AB₂В₁t_B, характеризуетсистему, температура которойвыше температурыначала конденсациипара, т. е парыв этой точкеявляются перегретыми,и система состоиттолько из паровойфазы. Точки,находящиесямежду кривымикипения и конденсации(например, точкаС на рис. 1.2.), характеризуютсистемы, температурыкоторых вышетемпературыкипения жидкостиданного составаи ниже температурыконденсациипаров этогоже состава.Таким образом,эти точки отвечаютравновеснымпарожидкостнымсистемам.

Основныеположенияфазового равновесиябыли рассмотреныв гл. 2 (правилофаз Гиббса,законы Генрии Рауля и др.).Там же для идеальныхбинарных системполучено уравнение(1.7.), которое описываетлинию равновесия:

у*_А= ах_А/[1+х_А(а-1)], (1.7.)

где а= Р_А/Р_В-относительнаялетучестькомпонентаА (иногдааназываюткоэффициентомразделения).

Очевидно,что для смеси,состоящей изnкомпонентов,например, А,В, С, D,наоснове законовРауля иДальтона имеем

y_A= (Р_A/Р)х_A; y_B= (Р_B/Р)х_B; y_C= (Р_C/Р)х_C; y_D= (Р_D/Р)х_D. (1.8.)

Поскольку

P=P_Ax_A+P_Bx_B+P_Cx_C+P_Dx_D+…=

(1.9.)

то длялюбого j-гокомпонента

y_j= P_jX_j/

. (1.10.)

Разделивчислитель изнаменательправой частиуравнения(1.10) навеличину Р_А,получим

y_j= а_jX_j/

, (1.11.)

где а_A= Р_А/Р_В; а_в= Р_В/Р_А; а_C= Р_С/Р_Аи т. д.

Например,зависимостьдавления насыщенногопара от температурыхорошо описываетсяэмпирическимуравнениемАнтуана

lnР_А= А - В/(Т+ C), (1.12.)

где А- постоянная,не зависящаяот температуры;В иС -константы,определяемыепо справочникам;T-абсолютнаятемпература.

Уравнение(5.12) описываеттемпературнуюзависимостьдавлений паровв интервалетемпературдо несколькихдесятков градусови при давлениях,не слишкомблизких ккритическим.

Взаимноеположениекривых на фазовыхдиаграммахt— х — у иу — хкакдля идеальных,так и для реальныхсистем могутбыть определеныс помощью законовКоновалова.Законы Коноваловаустанавливаютсвязи междуизменениямисостава, давленияили температурыв двухфазныхсистемах, онилежат в основетеории перегонкии ректификациибинарных смесей.

Первый- закон Коноваловаформулируетсятак: паробогащаетсятем компонентом,при добавлениикоторого кжидкости повышаетсядавлениепара над нейили снижаетсяее температуракипения, илипар всегдаболее обогащенНК, чем соответствующаяему равновеснаяжидкая фаза.

Первыйзакон Коноваловадополняетсяпервымправилом Вревского,отражающимвлияние температурына равновесныесоставы фаз:приповышениитемпературыбинарной смесив парах возрастаетотносительноесодержаниетого компонента,парциальнаямолярная теплотаиспарениякоторого больше.

Это можнопроиллюстрироватьс помощью фазовойдиаграммы (рис.1.2.). Для идеальнойсмеси очевидно,что при однойи той же температуреtсодержаниеНК в парах у*_A₁(точкаB₁большеего содержаниях_ав равновеснойс парами жидкости(точка А₁).Придобавлениик смеси НК еетемпературакипения снижается,но содержаниеНК в паре остаетсявыше, чем в жидкости.

Реальныежидкие смесимогут значительноотклонятьсяот закона Рауля.Если зависимостьполного давления(или суммапарциальныхдавлений) паровот составажидкой смесипроходит вышелиний, характеризующихте же зависимостидля идеальныхсмесей (рис.1.3.), то такое отклонениеназываютположительным,еслиниже - отрицательнымотклонениемотзакона Рауля.Эти отклоненияопределяютсяизменениемактивностимолекул в растворе,диссоциацией,гидратациейи др. Степеньотклоненияреальной системыот закона Раулявыражают величинойкоэффициентаактивности

p_A= P_Ax_A

.(1.13.)

Для смесейс положительнымотклонениемот закона Рауля

> 1, для смесейс отрицательнымотклонением—

Рис. 1.3.Диаграмма р— х длясмеси с положительнымотклонениемот закона Рауля(пунктиромпоказанысоответствующиелиниидля идеальногораствора)

Для многихреальных смесейотклонениеот закона Раулянастолькосущественно,что приводитк качественноновому состояниюсистемы, а нафазовых диаграммахР — хи t— х появляются(рис. 1.4.,б, в) относительныймаксимум илиминимум. Приэтом кривыежидкости и парасоприкасаютсядруг с другомв экстремальныхточках, в которыхсоставы равновесныхфаз одинаковы.Такие смеси,как известно,называютазеотропными,илиазеотропами.Ихосновная особенностьсостоит в том,что при испарениитакая смесь(азеотроп) неизменяет своегосостава, поэтомудля ее разделениятребуютсяспециальныеметоды (азеотропнаяи экстрактивнаяректификация,изменениедавления идр.).

Рис. 1.4. Фазовыедиаграммыравновесияжидкость-пардля идеальной(а) и реаль- ных(б, в) систем

Эта особенностьазеотропныхсмесей постулируетсявторымзаконом Коновалова,который можносформулироватьследующимобразом: еслидавление итемпературасосуществованиядвух бинарныхфаз имеют экстремум(максимум илиминимум), тосоставы фазодинаковы. Этосправедливодля фаз любойприроды. Длясистем жидкость- пар второйзакон Коноваловаопределяетосновноесвойство азеотропов.

При изменениивнешних условий- температуры(или давления)значениеа изменяетсяразлично поразные стороныот точки азеотропа;одна часть«рыбки» (рис.1.4.,б, в)должнастановитьсяшире, другая- уже. Очевидно,что в частидиаграммы, гдев паре содержитсябольше, чем врастворе, компонентас меньшей теплотойиспарения, припонижениитемпературы(давления), аувеличивается.

5.1.3. Материальныйи тепловойбалансы ректификационнойколонны

Пусть,согласно схемена рис. (1.5.), в колоннупоступает Fкмольисходнойсмеси, составкоторой х_Fмол.долей НК. Сверхуиз колонныудаляется Gкмольпаров,образующихпосле конденсациифлегму и дистиллят.КоличествополучаемогодистиллятаР кмоль,егосостав х_Pмол.долей НК. Наорошение колоннывозвращаетсяфлегма в количествеФ кмоль,причемее состав равенсоставу дистиллята(х_ф=x_Pмол.долей). Снизуиз колонныудаляетсяWкмольостаткасостава x_wмол.долей НК.

Тогда уравнениематериальногобаланса колоныбудет:

Ф+F=G+W. (1.14)

ПосколькуG=P+Ф,то

F =P+W. (1.15.)

Соответственнопо НКматериальныйбаланс:

Fx_F=Px_P+Wx_W(1.16.)

Рис.1.5. К составлениюматериального баланса ректификационной колонны:

/ — колонна; 2 — куб; 3 —дефлегматор.

Для колоннынепрерывногодействия сучетом потерьтепла в окружающуюсреду имеем:

Приход тепла Расход тепла

С теплоносителем в кипя- Спарами, поступающимииз

тальнике.………Q_КИП.. колонны в дефлегматор Q_G= GI

С исходнойсмесью……….Q_F=Fi_F Состатком………………… Q_W=Wi_w

С флегмой................. .Q_Ф= Фi_Ф Потерив окружающуюсреду Q_П

Кромеизвестныхвеличин, в выражениядля количествтепла входят:I,i_F,i_фи i_w—энтальпиисоответственнопаров, выходящихиз колонны,исходной смеси,флегмы и остатка.

Такимобразом, уравнениетепловогобаланса:

Qкип+ Q_F+ Q_Ф= Q_G+ Q_W+ Q_{П .}(1.17.)

Подставляявместо Qихзначения иучитывая, чтоF=Р+ W,G= P(R+1) и Ф =PR,получим

Qкип+ (Р+ W)i_F+ РRi_Ф= P(R+\)I+ Wi_W+ Q_П(1.18.)

Решаяуравнение(5.18.) относительноQкип,находим расходтепла в кипятильнике

Qкип= Р(I–i_F)+ PR( I -i_Ф)+ W(i_W- i_F)+ Q_П ( 1.18а.)

Из уравнениятепловогобаланса (5.18а.)видно, что тепло,подводимоев кипятильник,затрачиваетсяна испарениедистиллята[Р(I—i_F)],испарениефлегмы [PR(I— i_ф)],нагреваниеостатка дотемпературыкипения[W(i_w— i_F)],а такжена компенсациюпотерь теплав окружающуюсреду.

Флегмаиз дефлегматорапоступает вколонну притемпературеее кипения.Поэтому энтальпиявыходящих изколонны паровI== i_Ф+ r_ф,гдеr_ф— теплотаиспаренияфлегмы.

Потеритепла в окружающуюсреду обычновыражают вдолях тепла,подводимогов кипятильник,т. е. принимаютQ_П= a_ПQ_кип,где при наличиихорошей тепловойизоляции коэффициента_П= 0,03—0,05.

Делая соответствующие подстановкив уравнение(1.18а.), окончательнополучим

Q_КИП=[P(I–i_F)+ PRr_Ф+ W(i_W- i_F)]/ (1-a_П) (1.19.)

Энтальпиижидкостей,входящих вуравнение(1.18.) и (1.19.), равныпроизведениямих мольныхтеплоемкостейс натемпературыt(в °С).Теплоемкостис итеплоты испарениядля бинарныхсмесей вычисляютпоправилу аддитивностиисходя из свойствчистыхкомпонентовА и В:

с = с_Ах+с_В(1—х)

r= r_Ах+r_В(1—х)

где х— мольнаядоля компонентаА всмеси.

Количествотепла Q_ДЕФ,отнимаемогоохлаждающейводой в дефлегматоре,зависит отколичестваконденсирующихсяв нем паров.Приполной конденсациипаров, выходящих изколонны, находим

Q_ДЕФ= P(R+1)r_Ф= P(R+1)(I-i_Ф) (1.20.)

Уравнениярабочих линий. Для полученияуравненийрабочих линийвоспользуемся общим для всех массообменных процессов уравнением():

, (1.21)

где Lи G— расходыжидкой и паровойфаз; у,х, у_аи х_к—соответственно текущие концентрации паровой и жидкойфаз и их концентрациина верхнем конце колонны.

Применяяэто уравнениек процессуректификации,выразим всевходящиев него величиныв мольных единицах.

Укрепляющаячасть колонны.Количествожидкости (флегмы),стекающейпо этой частиколонны

L= Ф = PR, (1.22)

где R=

-флегмовоечисло, представляющеесобой отношениеколичества флегмы кколичествудистиллята.

Количествопаров, поднимающихсяпо колонне

G=P+Ф=P+PR=P(R+1), (1.23)

Для верхнегоконца укрепляющейчасти колоннысостав паровy_G=y_Pи,согласно принятомувыше допущению,у_р= х_р.Следовательно,в данномслучае у_н= х_р.

В том жесечении колоннысостав жидкости(флегмы), поступающейиз дефлегматора,x_ф= х_р,т. е.х_к= х_р.Учитываязначения L,G,y_kи х_k получаемуравнение(1.24), получим

(1.24)

откуда

(1.25)

Зависимость(1.24) являетсяуравнениемрабочейлинииукреплящейчастиколонны.В этом уравнении

= tgа = А— тангенсугла наклонарабочей линиик оси абсцисс,а

=В— отрезок,отсекаемыйрабочей линиейна оси ординатдиаграммы у —х (рис.1.6).

Исчерпывающаячасть колонны.Количествоорошающейжидкости L'в этомчасти колонныбольше количествафлегмы Ф, стекающейпо укрепляющейчасти на количествоисходной смеси,поступающейна питающуютарелку. Еслиобозначитьколичествопитания, приходящегосяна 1кмольдистиллятачерез f=F/P,то F= Pfиколичествожидкости, стекающейпо исчерпывающейчасти колонны,составит:

L=Ф+F=PR+Pf=P(R + I) (1.26)

Количествопара, проходящегочерез нижнюючасть колонны,равно количествупара, поднимающегосяпо верхней(укрепляющей)ее части. Следовательно

G’=G=P(R+1)

Для низаколонны составудаляющейсяжидкости (остатка)х'_к= x_wи,согласно допущению,состав поступающегосюда из кипятильникапара у’_н=y_w=x_w.Подставивзначения L',G',х’_ки у’_нв общееуравнение ,получим

(1.27)

Послеприведенияк общему знаменателюи сокращенияподобных членовнаходим:

(1.28)

Зависимость(1.25) представляетсобой уравнениерабочейлинииисчерпывающейчастиколонны.В этомуравнении

= tga'= А'—тангенсугла наклонарабочей линиик осиординат, а

=В' —отрезок, отсекаемыйрабочей линиейна осиабсцисс (см.рис.1.6).

Умноживчислитель изнаменательвыражений дляА' иА (дляукрепляющейчасти колонны)на количестводистиллятаР, можно заметить,чтоони представляютсобой отношенияколичествжидкой и паровойфаз, илиудельный расходжидкости, орошающейданную частьколонны.

Построениерабочих линийна диаграммеу —х. Дляпостроениярабочихлиниоткладываютна оси абсциссдиаграммы (см.рис. 1.6) заданныесоставы жидкостейx_w,x_fи х_р.Учитываяпринятые допущенияо равенствесоставов параи жидкости наконцах колонны,из точки хвосстанавливаютвертикаль допересеченияс диагональюдиаграммы вточке ас координатамиу_р= х_р.

ВеличинуRсчитаемизвестной.Откладываяна оси ординатотрезок

В=

, соединяютпрямой конецотрезка(точкуd)с точкойа. Из точки,отвечающейзаданномусоставу х_f,проводятвертикаль допересеченияс линией adв точкеb.Прямаяаb— рабочаялиния укрепляющейчасти колонны.Согласно допущениюy_w= x_w,из точки, соответствующейсоставу x_w, восстанавливаютвертикаль допересеченияс диагональюдиаграммы иполучают точкус —конечную точкурабочей линииисчерпывающейчасти колонны.Соединяют точкус прямойс точкой b,принадлежащейодновременнорабочим линиямукрепляющейи исчерпывающейчастей колонны.Прямая bcпредставляетсобой рабочуюлинию исчерпывающейчасти колонны.

Рис. 1.6 Построение рабочих линийректификационной колонны на у—xдиаграмме.

Рабочиелинии abи bcв отличиеот рабочихлиний процессаабсорбциирасполагаютсяпод линиейравновесия.В данном случае,как уже отмечалось,НК переходитв паровую фазу,стремящуюсяк равновесиюс жидкой фазой,т. е. по существудесорбируетсяиз жидкости.

1.2. Основныетехнологическиесхемы для проведенияразрабатываемогопроцесса

Процессыректификацииосуществляютсяпериодическиили непрерывнопри различныхдавлениях: приатмосферномдавлении, подвакуумом(для разделениясмесей высококипящихвеществ), а такжепод давлениембольше атмосферного(для разделениясмесей, являющихсягазообразнымипри нормальныхтемпературах).

1.2.1. Непрерывнаяректификация

Рассмотрим, как реализуютсяуказанныевыше условияв ректификационныхколоннах непрерывногодействия(рис. 1.7.), которыенаиболее широкоприменяютсяв промышленности.

Рис.1.7. Схеманепрерывнодействующейректификационнойустановки:

1— ректификационная колонна (а —укрепляющая часть, б —исчерпывающаячасть); 2 —кипятильник; 3 —дефлегматор; 4 —делитель флегмы; 5 —подогреватель исходной смеси;6—холодильникдистиллята (или холодильник-конденсатор); 7 — холодильникостатка (илинижнего продукта); 8, 9 сборники; 10 —насосы.

Ректификационнаяколонна 1 имеетцилиндрическийкорпус, внутрикоторого установленыконтактныеустройствав виде тарелокили насадки.Снизувверх по колоннедвижутся пары,поступающиев нижнюю частьаппарата изкипятильника2, которыйнаходится внеколонны, т. е.является выносным(как показанона рисунке1.7.), либо размещаетсянепосредственнопод колонной.Следовательно,с помощьюкипятильникасоздаетсявосходящийпотокпара.Пары проходятчерез слойжидкости нанижней тарелке,которуюбудем считатьпервой, ведянумерациютарелок условноснизу вверх.

Пустьконцентрацияжидкости напервой тарелкеравна х₁(понизкокипящемукомпоненту), а ее температураt₁. В результатевзаимодействиямежду жидкостьюи паром, имеющимболее высокуютемпературу,жидкость частичноиспаряется,причем в парпереходитпреимущественноНК. Поэтому наследующую(вторую) тарелкупоступает парс содержаниемНК у₁>х₁.

Испарениежидкости натарелке происходитза счет теплаконденсациипара. Из параконденсируетсяи переходитв жидкостьпреимущественноВК, содержаниекоторого впоступающемна тарелку паревыше равновесногос составомжидкости натарелке. Приравенстветеплот испарениякомпонентовбинарной смесидля испарения1 мольНКнеобходимосконденсировать1 мольВК, т.е. фазы на тарелкеобмениваютсяэквимолекулярнымиколичествамикомпонентов.

На второйтарелке жидкостьимеет составx₂,содержитбольше НК, чемна первой (х₂> x₁), и соответственно кипит при болеенизкой температуре (t₂1).Соприкасаясьс ней, пар составау₁частичноконденсируется,обогащаетсяНК и удаляетсяна вышерасположеннуютарелку, имеясостав y₂> x₂,и т. д.

Такимобразом пар,представляющийсобой на выходеиз кипятильникапочти чистыйВК, по мере движениявверх все болееобогащаетсянизкокипящимкомпонентоми покидаетверхнюю тарелкуколонны в видепочти чистогоНК, которыйпрактическиполностьюпереходит впаровую фазуна путипара от кипятильникадо верха колонны.

Парыконденсируютсяв дефлегматоре3, охлаждаемомводой, и получаемаяжидкость разделяетсяв делителе 4надистиллят ифлегму, котораянаправляетсяна верхнюютарелку колонны.Следовательно,с помощью -дефлегматорав колонне создаетсянисходящийпотокжидкости.

Жидкость,поступающаяна орошениеколонны (флегма),представляетсобойпочти чистыйНК. Однако, стекаяпо колонне ивзаимодействуяс паром,жидкость всеболее обогащаетсяВК, конденсирующимсяиз пара. Когдажидкость достигаетнижней тарелки,она становитсяпрактическичистымВК и поступаетв кипятильник,обогреваемыйглухим паром,илидругим теплоносителем.

На некоторомрасстоянииот верха колоннык жидкости издефлегматораприсоединяетсяисходная смесь,которая поступаетна так называемуюпитающую тарелкуколонны. Длятого чтобыуменьшитьтепловуюнагрузкукипятильника,исходную смесьобычно предварительнонагревают вподогревателе5 до температурыкипения жидкостина питающейтарелке.

Питающаятарелка какбы делит колоннуна две части,имеющие различноеназначение.В верхней части1а (отпитающей доверхней тарелки)должно бытьобеспеченовозможно большееукреплениепаров, т. е. обогащениеих НК с тем, чтобыв дефлегматорнаправлялисьпары, близкиепосоставу к чистомуНК. Поэтомуданная частьколонны называетсяукрепляющей.В нижней части1б (отпитающей донижней тарелки)необходимов максимальнойстепени удалитьиз жидкостиНК, т.е. исчерпатьжидкость длятого, чтобы вкипятильникстекала жидкость,близкаяпо составу кчистому ВК.Соответственноэта часть колонныназываетсяисчерпывающей.

В дефлегматоре3 могутбыть сконденсированылибо все пары,поступающиеиз колонны,либо толькочасть их соответствующаяколичествувозвращаемойв колонну флегмы.В первом случаечасть конденсата,остающаясяпосле отделенияфлегмы, представляетсобой дистиллят(ректификат),или верхнийпродукт, которыйпосле охлажденияв холодильнике6 направляетсяв сборник дистиллята9. Во втором случаенесконденсированныев дефлегматорепары одновременноконденсируютсяи охлаждаютсяв холодильнике6, которыйпри таком вариантеработы служитконденсатором-холодильникомдистиллята.

Жидкость,выходящая изниза колонны(близкая посоставу ВК)также делитсяна две части.Одна часть, какуказывалось,направляетсяв кипятильник,а другая — остаток(нижний продукт)после охлажденияводой вхолодильнике7 направляетсяв сборник 8.

На рис.(1.7.) приведеналишь принципиальнаясхема непрерывно-действующейректификационнойустановки.Такие установкиоснащаютсянеобходимымиконтрольно-измерительнымии регулирующимиприборами,позволяющимиавтоматизироватьих работу ипроводитьпроцесс с помощьюпрограммногоуправленияв оптимальныхусловиях.

1.2.2. Периодическаяректификация

Периодическидействующиеректификационныеустановкиприменяют,как правило,для разделенияжидких смесейв тех случаях,когда использованиенепрерывнодействующихустановокнецелесообразно.Обычно этохарактернодля технологическихпроцессов, вкоторых количестваподлежащихразделениюсмесей невеликии требуетсяопределенноевремя для накопленияэтих продуктовперед разделениемили в условияхчасто меняющегосясостава исходнойсмеси. Последнийслучай специфичендля гибкихтехнологическихпроцессов, вкоторых спектрполучаемыхпродуктоввесьма разнообразен.

Периодическуюректификациюпроводят наустановкахс практическиидентичнойпринципиальнойсхемой. Одиниз возможныхвариантовтакой установкипоказан на рис.(1.8.).

Рис. 1.8. Схемаустановки дляпроведенияпериодическойректификации:

1-куб-кипятильник;2-подогреватель;3-ректификационнаяколонна; 4-дефлегматор;5-делительпотока; 6-холодильник;7-сборники.

Исходнуюсмесь периодическизагружают вкуб-кипятильник1, снабженныйподогревателем2, в который подаетсятеплоноситель,например насыщенныйводянойпар. Исходнуюсмесь доводятдо кипения.Образующиесяпары поднимаютсяпо колонне 3, вкоторой происходитпротивоточноевзаимодействиеэтих паровс жидкостью(флегмой), поступающейиз дефлегматора4. Частьконденсатапосле делителяпотока возвращаетсяв колонну ввиде флегмы,другая часть- дистиллятР - черезхолодильник6 собираетсяв сборниках7 в виде отдельныхфракций. Процессректификациизаканчиваютобычно послетого, как будетдостигнутзаданный среднийсостав дистиллята.Таким образом,колонна 3являетсяаналогом укрепляющейчасти колоннынепрерывногодействия, а кубвыполняет рольисчерпывающейчасти.

Периодическаяректификацияможет осуществлятьсядвумя способами:1) припостоянномсоставе дистиллята(х_р= const)и 2) припостоянномфлегмовом числе(R_P= const).

В первомслучае количествофлегмы по мереуменьшениясодержаниялегколетучегокомпонентав кубе должнопостепенновозрастать.В промышленныхусловиях установкидля проведениятакого процессанеобходимооснащать управляющимиавтоматизированнымисистемами,способнымиосуществлятьнепрерывноеи строго программированноеизменениепитания колонныфлегмой и подачитеплоносителяв испаритель(куб колонны).Изменениеосновных расходныхпараметровможно проводить,например, поданным о качественномсоставе легколетучегокомпоненталибо в кубовойжидкости, либов дистилляте.

1.2.3. Экстрактивнаяи азеотропнаяректификация

Уровеньтрудностиразделениясмесей с близкимитемпературамикипения можетбыть оцененс помощьюкоэффициентаотносительнойлетучести =РА/РВ. Если значение невелико, тотакую смесьможно разделятьпод вакуумом.Вместе с темчасто экономическицелесообразнеев этом случаеоказываетсяиспользованиеметода, основанногона введениив разделяемуюсмесьдополнительного-разделяющего-компонентаизбирательногодействия.

В разделяющемкомпоненте,который являетсявысококипящимпо отношениюк одному издвух компонентовисходной смеси,этот последнийхорошо растворим,а второй компонентлибо нерастворим,либо труднорастворим.Присутствиетретьего -разделяющего,или экстрагирующего,- компонентаприводит кснижению силпритяжениянерастворимогокомпонентав растворе костальнымчастицам и врезультатеэтого - к увеличениюего относительнойлетучести всистеме (рис.1.9.).

Таким образом,разделяющийагент обладаетизбирательнымдействием -повышает давлениепара НК в большейстепени, чемдавление параВК. Резкое увеличение облегчаетразделениеисходных компонентов,но влечет засобой последующийпроцесс разделениясмеси хорошорастворимогои экстрагирующегокомпонентов,которые удаляютсяс остатком.Описанный методразделенияназываютэкстрактивнойректификацией.

Рис. 1.9.Положениекривой равновесиябез добавки(1) и с добавкой(2) разделяющегоагента

В отличиеот экстрактивной,азеотропнаяректификациязаключаетсяв осуществлениипроцесса вприсутствииразделяющегокомпонента,образующегос компонентамиразделяемойсмеси один илинесколькоазеотропов,которые в основномотбираютсяв виде дистиллята.Схема установкидля проведенияэкстрактивнойректификациипредставленана рис. (1.10.).

Исходнуюсмесь, состоящуюиз компонентовА иВ, подаютна тарелкупитания колонны7 для экстрактивнойректификации.Нескольковыше тарелкипитания вводятразделяющийагент С.Низкокипящийкомпонентотбирают в видедистиллята,а смесь высококипящегокомпонентаВ иразделяющегокомпонентаС из нижнейчасти колонны1 направляютна разделениев колонну 2.Разделяющийкомпонент,отбираемыйв виде кубовогоостатка, возвращаютна орошениеколонны 1.

Рис. 1.10. Схемаустановки дляэкстрактивнойректификациибинарной смеси

1-колоннадля экстрактивнойректификации;2-колонна дляразделенияпродукта ВиэкстрагирующегокомпонентаС;3-насосы;4-кипятильники;5-конденсаторы

Приазеотропнойректификации(рис. 1.11.) исходнуюазеотропнуюсмесь подаютна тарелкупитания колонны,которая орошаетсясверхуразделяющимагентом С.Расходразделяющегоагента восновном зависитот составаисходной смеси.Так, при азеотропнойректификациирасход разделяющегокомпонентаувеличиваетсяс повышениемв исходнойсмеси концентрациитех компонентов,которыеотбираютсяв дистиллят.При экстрактивнойректификации,наоборот, расходразделяющегокомпонентавозрастаетпри увеличениив исходнойсмеси концентрациикомпонентов,отбираемыхв виде кубовогоостатка.

Рис. 1.11. Схемаустановки дляазеотропнойректификации:

1-колонна;2-конденсатор;3-отстойник;4-кипятильник

Наиболеесложной задачейпри использованииметодов экстрактивнойи азеотропнойректификацииявляется выборразделяющегокомпонента,который долженудовлетворятьследующимтребованиям:1) обеспечиватьвозможно большееповышениекоэффициентаотносительнойлетучестиразделяемыхкомпонентов;2) достаточнолегко регенерировать;3) хорошо растворятьразделяемыекомпонентыдля предотвращениярасслаиванияжидкой фазыпри темпетемпературныхусловиях вколонне; 4) бытьбезопаснымв обращении,доступным,дешевым, термическистабильным.Обычно привыборе разделяющегоагента основываютсяна справочныхданных.

Если вкачестве разделяющегоагента используютрастворимыетвердыевещества, тотакой процессразделенияназывают солевойректификацией.

1.3. Типовоеоборудованиедля проектируемойустановки

Для проведенияпроцессовректификацииприменяютсяаппаратыразнообразныхконструкций,основные типыкоторых неотличаютсяот соответствующихтипов абсорберов.

В ректификационныхустановкахиспользуютглавным образомаппараты двухтипов: насадочныеи тарельчатыеректификационныеколонны. Крометого, для ректификациипод вакуумомприменяютпленочные ироторные колонныразличныхконструкций.

Насадочные,барботажные,а также некоторыепленочныеколонны поконструкциивнутреннихустройств(тарелок, насадочныхтел и т. д.) аналогичныабсорбционнымколоннам. Однаков отличие отабсорберовректификационныеколонны снабженытеплообменнымиустройствами— кипятильником(кубом) и дефлегматором.Кроме того, дляуменьшенияпотерь теплав окружающуюсреду ректификационныеаппараты покрываюттепловой изоляцией.

Кипятильникили куб, предназначендля превращенияв пар частижидкости, стекающейиз колонны, иподвода парав ее нижнюючасть (под насадкуили нижнюютарелку). Кипятильникиимеют поверхностьнагрева в видезмеевика илипредставляютсобой кожухотрубчатыйтеплообменник,встроенныйв нижнюю частьколонны (рис.1.12., а).Болееудобны дляремонта и заменывыносные кипятильники(см. рис. 1.7.), которыеустанавливаютниже колонныс тем, чтобыобеспечитьестественнуюциркуляциюжидкости.

В периодическидействующихколоннах кубявляется нетолько испарителем,но и емкостьюдля исходнойсмеси. Поэтомуобъем кубадолжен бытьв 1,3—1,6 раза большеего единовременнойзагрузки (наодну операцию).Обогрев кипятильниковнаиболее частопроизводитсяводяным насыщеннымпаром.

Дефлегматор,предназначенныйдля конденсациипаров и подачиорошения (флегмы)в колонну,представляетсобой кожухотрубчатыйтеплообменник,в межтрубномпространствекоторого обычноконденсируютсяпары, а в трубахдвижется охлаждающийагент (вода).Однако вопросо направленииконденсирующихсяпаров и охлаждающегоагента внутрьили снаружитруб следуетрешать в каждомконкретномслучае, учитываяжелательностьповышениякоэффициентатеплопередачии удобствоочистки поверхноститеплообмена.

Вслучае частичнойконденсациипаров в дефлегматореего располагаютнепосредственнонад колонной(рис. 1.12., а), чтобыобеспечитьбольшую компактностьустановки, либовне колонны(см. рис. 1.7.). Приэтом конденсат(флегму) из нижнейчасти дефлегматораподают непосредственночерез гидравлическийзатвор наверхколонны, таккак в данномслучае отпадаетнеобходимостьв делителефлегмы.

В случаеполной конденсациипаров в дефлегматореего устанавливаютвыше колонны(см. рис. 1.7.), непосредственнона колонне (см.рис. 1.12., а)илинижеверха колонны(рис. 1.12., б)длятого, чтобыуменьшить общуювысоту установки.В последнемслучае флегмуиз дефлегматора1 подают в колонну2 насосом.Такое размещениедефлегматорачасто применяютпри установкеректификационныхколонн внезданий, чтоболее экономичнов условияхумеренногоклимата.

Рис. 1.12. Варианты установкидефлегматоров:

а —на колонне; б —ниже верха колонны; 1 — дефлегматоры; 2 —колонны; 3 —насос.

Б а р б от а ж н ы е колонныв процессахректификациинаиболеешироко распространены.Ониприменимы длябольшихпроизводительностей,широкого диапазонаизмененийнагрузок попару и жидкостии могут обеспечитьвесьмачеткое разделениесмесей. Недостатокбарботажныхаппаратов—относительновысокое гидравлическоесопротивление—вусловияхректификациине имеет такогосущественногозначения, какв процессахабсорбции,где величина

рсвязана созначительнымизатратамиэнергии наперемещениегаза черезаппарат. Приректификацииповышениегидравлическогосопротивленияприводит лишьк некоторомуувеличениюдавленияи соответственнок повышениютемпературыкипения жидкостив кипятильникеколонны. Однакотот же недостаток(значительноегидравлическоесопротивление)сохраняет своезначение дляпроцессовректификациипод вакуумом.

В н а са д о ч н ы хколоннах (рис.1.13.) используютсянасадки различныхтипов, но впромышленностинаиболеераспространеныколонны с насадкойиз колец Рашига.Меньшее гидравлическоесопротивлениенасадочныхколонн по сравнениюс барботажнымиособенно важноприректификациипод вакуумом.Даже при значительномвакууме в верхнейчасти колоннывследствиебольшогогидравлическогосопротивленияее разрежениев кипятильникеможет оказатьсянедостаточнымдля требуемогоснижения температурыкипения исходнойсмеси.

Для уменьшениягидравлическогосопротивлениявакуумныхколонн в нихприменяютнасадки с возможнобольшим свободнымобъемом.

В самойректификационнойколонне нетребуетсяотводить тепло,как в абсорберах.Поэтому трудностьотвода теплаиз насадочныхколонн являетсяскорее достоинством,чем недостаткомнасадочныхколонн в условияхпроцессаректификации.

Однакои при ректификацииследует считатьсяс тем, что равномерноераспределениежидкости понасадке в колоннахбольшого диаметразатруднено.В связи с этимдиаметр промышленныхнасадочныхректификационныхколонн обычноне превышает0,8—1 м.

Рис. 1.13.Насадочнаяректификационнаяколонна скипятильником

1-корпус; 2-насадка; 3-опорнаярешетка;4-перераспределительфлегмы; 5-патрубокдля слива кубовогоостатка; 6-кипятильник;7-ороситель.

Как ужеотмечалось,в насадочныхколоннах поверхностьюконтакта фазявляется смоченнаяповерхностьн а с а д ки. Поэтому насадкадолжна иметьвозможно большуюповерхностьв единице объема.Вместе с темдля того, чтобынасадка работалаэффективно,она должнаудовлетворятьследующимтребованиям:1) хорошо смачиватьсяорошающейжидкостью, т.е.материалнасадки поотношению корошающейжидкости долженбытьлиофильным;2) оказыватьмалое гидравлическоесопротивлениегазовому потоку,т.е. иметь возможнобольшее значениесвободногообъема илисечения насадки;3) создаватьвозможностьдля высокихнагрузок аппаратапо жидкостии газу; для этогонасадка должнатакже иметьбольшие значения

или S_CB;4) иметь малуюплотность;5) равномернораспределятьорошающуюжидкость; 6) бытьстойкой к агрессивнымсредам; 7) обладатьвысокой механическойпрочностью;8) иметь невысокуюстоимость.

Очевидно,что насадок,которые быполностьюудовлетворяливсемуказаннымтребованиям,не существует,так как соответствиеодним требованиямнарушает соответствиедругим (например,увеличениеудельной поверхностиа насадкивлечет за собойповышениегидравлическогосопротивления,а также снижениепредельнодопустимыхскоростей газаи т.д.).

Поэтомув промышленностииспользуютбольшое числоразнообразныхпо форме и размерамнасадок, изготовленныхиз различныхматериалов(металла, керамики,пластическихмасс и др.), которыеудовлетворяютосновным требованиямпри проведениитого или иногопроцессаректификации.

В качественасадки наиболеешироко применяюттонкостенныекольцаРашига(Приложение1, а), имеющиевысоту, равнуюдиаметру, которыйизменяетсяв пределах15-150 мм. Кольцамалых размеровзасыпают вколонну навалом.Большие кольца(от 50х50 мм ивыше) укладываютправильнымирядами, сдвинутымидруг относительнодруга. Такойспособ заполненияаппарата насадкойназываютзагрузкой вукладку, азагруженнуютаким способомнасадку - регулярной.Регулярнаянасадка имеетряд преимуществперед нерегулярной,навалом засыпаннойв колонну: обладаетменьшим гидравлическимсопротивлением,допускаетбольшие скоростигаза. Однакорегулярнаянасадка требуетболее сложныхпо устройствуоросителей,чем насадка,засыпаннаянавалом.

Хордовуюнасадку(см.Приложение1, б) обычно применяютв колоннахбольшого диаметра.Несмотря напростоту ееизготовления,хордовая насадкавследствиенебольшихудельной поверхностии свободногосечения вытесняетсяболее сложнымии дорогостоящимивидами фасонныхнасадок, частьиз которыхпредставленав Приложение1, б. В табл. 1.1. приведеныосновныехарактеристикинасадок некоторыхтипов.

Таблица1.1. Характеристикинасадок

		Удельная	Свобод-	Эквивалент-	Масса \
Насадка	Размерыэлемен-	поверхность,	ный	ныйдиаметр,	1 м³на-
	та,мм	М²/М³	объем,	м	садки,кг
			М³/М³
. Регулярнаянасадка
Деревяннаяхордовая	10	100	0,55	0,022	210
(шагв свету	20	65	0,68	0,042	145
10х 100 мм)
Керамическиекольца	50 х50 х 50	НО	0,735	0,027	650
Рашига	80 х80 х 8	80	0,720	0,036	670
	100х 100 х 100	60	0,720	0,048	670
Засыпкав навал
Керамическиекольца	15 х15 х 2	330	0,700	0,009	690
Рашига	25 х25 х 3	200	0,740	0,015	530
	50 х50 х 5	90	0,785	0,035	530
Стальныекольца	10 х10 х 0,5	500	0,880	0,007	960
Рашига	15 х15 х 0,5	350	0,920	0,009	660
	25 х25 х 0,8	220	0,920	0,017	640
Керамическиекольца	25 х25 х 3	220	0,740	0,014	610
Палля	50 х50 х 5	120	0,780	0,026	520
Стальныекольца	25 х25 х 0,6	235	0,900	0,01	525
Палля	50 х50 х 1	108	0,900	0,033	415
Керамическиеседла	12,5	460	0,680	0,006	720
Берля	25	260	0,690	0,011	670
	38	165	0,700	0,017	670

При выбореразмеров насадкинеобходимоучитывать, чтос увеличениемразмеров ееэлементовувеличиваетсядопустимаяскорость газа,а гидравлическоесопротивлениенасадочнойколонны снижается.Общая стоимостьколонны с крупнойнасадкой будет ниже за счетснижения диаметраколонны, несмотряна то, что высотанасадки несколькоувеличитсяпо сравнениюс таковой вколонне, заполненномнасадкой меньшихразмеров.

Еслинеобходимопровести глубокоеразделениегазовой смеси,требующеебольшого числаединиц переноса,то в этом случаерациональнееиспользоватьмелкую насадку.

При выбореразмера насадкинеобходимособлюдатьусловие, прикотором отношениедиаметра Dколоннык эквивалентномудиаметру d_Энасадки

D/d_Э

10.

Пленочныеаппараты.Эти аппаратыприменяютсядля ректификацииподвакуумом смесей,обладающихмалой термическойстойкостьюпри нагревании(например, различныемономеры иполимеры, атакже другиепродуктыорганическогосинтеза).

В ректификационныхаппаратахпленочноготипа достигаетсянизкое гидравлическоесопротивление.Кроме того,задержка жидкостив единицеобъема работающегоаппарата мала.

К числупленочныхректификационныхаппаратовотносятсяколонны с регулярнойнасадкойв виде пакетоввертикальныхтрубок диаметром6—20 мм(многотрубчатыеколонны),а также пакетовплоскопараллельнойили сотовойнасадки с каналамиразличнойформы, изготовленнойиз перфорированныхметаллическихлистов илиметаллическойсетки.Одна из распространенныхконструкцийроторно-пленочныхколонн показанана рис. 1.14.Она состоитиз колонны, илиректификатора1, снабженногонаружным обогревомчерезпаровые рубашки2 иротором 3,роторногоиспарителя4 иконденсатора5. Ротор, представляющийсобой полуютрубу с лопастями,охлаждаемуюизнутри водой,вращаетсявнутрикорпуса колонны.Исходная

Рис.1.14. Схемароторно-пленочнойректификационнойколонны.

1-колонна;2-рубашка дляобогрева; 3-ротор;4-роторныйиспаритель;5-конденсатор-дефлегматор;6-штущер дляввода исходнойсмеси; 7- штуцердля ввода флегмы;8-штуцер дляввода пара;9-штуцер длявывода остатка.

смесьподается вколонну черезштуцер6. Сверхуколонна орошаетсяфлегмой, поступающейиз конденсатора5 через штуцер7. Пар подаетсяв колонну черезштуцер 8 изиспарителя4, снабженногонеохлаждаемымротором ианалогичногопленочномувыпарномуаппарату. Поднимаясьв пространствемежду ротором3 икорпусом колонны1, пар конденсируетсяна наружнойповерхностиротора. Образующаясяпленка конденсатаотбрасываетсяпод действиемцентробежнойсилы по поверхностилопастей роторак периферии.Попадая наобогреваемуювнутреннююповерхность,жидкость испаряетсяи образующийсяпар поднимаетсякверху. Такимконденсационно-испарительнымспособом (приработе внеадиабатическихусловиях) достигаетсячеткое разделениесмеси при маломвремени еепребыванияв аппаратеи незначительномперепаде давленийпо высоте колонны,так как большаячастьвнутреннегопространствакорпуса заполненапотоком пара.Роторныеиспарителитипа испарителя4 могутбыть использованыв качествесамостоятельныхаппаратов длявакуумнойдистилляциисмесей, чувствительныхк высокимтемпературам.

Недостаткироторных колонн:ограниченностьих высоты идиаметра (из-засложностиизготовленияи требований,предъявляемыхк прочностии жесткостиротора), а такжевысокие эксплуатационныерасходы.

В случаезагрязненныхсред целесообразноприменятьрегулярныенасадки, в томчисле при работепод повышеннымдавлением. Дляэтих сред можноиспользоватьтакже так называемыеколонны сплавающейнасадкой.В качественасадки в такихколоннах обычноприменяютлегкие полыешары из пластмассы,которые придостаточновысоких скоростяхгаза переходятво взвешенноесостояние.Вследствиеих интенсивноговзаимодействиятакая насадкапрактическине загрязняется.

В колоннахс плавающейнасадкой возможносоздание болеевысоких скоростей,чем в колоннахс неподвижнойнасадкой. Приэтом увеличениескорости газаприводит красширениюслоя шаров, чтоспособствуетснижению скоростигаза в слоенасадки. Поэтомусущественноеувеличениескорости газовогопотока в такихаппаратах(до 3-5 м/с) не приводитк значительномувозрастаниюих гидравлическогосопротивления.

ПРИЛОЖЕНИЕ1

Видынасадок

1 2 3 6 7

4 8

а -насадкаиз колец Рашига:1-отдельноекольцо; 2-кольцанавалом; 3-регулярнаянасадка; б- фасонная насадка:1-кольца Палля;2 -седлообразнаянасадка; 3-кольцас крестообразнымиперегородками;4 -керамическиеблоки; 5-витыеиз проволокинасадки; 6-кольцас внутреннимиспиралями;7-пропеллернаянасадка; 8-деревяннаяхордовая насадка

Б Г ТУ

ФАКУЛЬТЕТ

УТВЕРЖДАЮ

Зав.кафедрой

“_______"___________" 2003 г “

ЗАДАНИЕПО КУРСОВОМУПРОЕКТИРОВАНИЮ

Студенту Кардашу А. В.

1. Темапроекта: Рассчитатьи спроектироватьректификационнуюустановкунепрерывногодействиядля разделениябинарной смеси_______________________________

____________________________

2. Срокисдачи cтудентомзаконченного проекта

3. Исходныеданные к проекту:

3.1. Производительность: ______________

по исходной смеси ___________________

подистилляту________________________

по кубовомуостатку_______6000кг/ч_____

3.2. Содержаниелегколетучегокомпонентав:

а) исходнойсмеси __0.22____ % Мольные

б) дистилляте_______0.9___% Мольные

в) кубовомостатке _0.08____% Мольные

3.3. Температураисходнойсмеси__35_С______

3.4. Температурыгреющего параи охлаждающейводы во вспомогательномоборудованиивыбрать самостоятельно.

3.5.Исходнаясмесь передподачей в колоннуподогреваетсяв теплообменникес использованиемтепла кубовогоостатка (паровфлегмы и дистиллята).

3.6. Типколонны______________________

3.7. Типконтактныхустройств____________

3.S.Давление вверху колоны ___________

* - параметрывыбрать самостоятельно

4. Содержаниерасчётно-пояснитсльной записки изложенона оборотебланка задания

5. Переченьграфическогоматериала:

5.1. Схемаустановки 1лист (А1).

5.2. Общий вид аппаратас необходимымиразрезамисечениямиотдельнымиузлами

(по указаниюпреподавателя.А1 )

5.3.Чертеж сборочной единицы, рабочие чертежи деталей (А 1. только дляспец.:Т.05.03.01МиАХП).

6. Консультантыпо проекту:Протасов С. К.

7. Датавыдачи задания 7.09.2003

8. Календарныйграфик работынал проектом:

8.1. Литературныйобзор 24.09.2003

8.2. Обоснованиеи описаниеустановки 1.10.2003

8.3. Подробныйрасчёт ректификационнойколонны 29.10.2003

8.4. Подробныйрасчет теплообменника 19.11.2003

8.5. Расчёти подбор вспомогательногооборудования 3.12.2003

8.6. Выполнениеграфическойчасти 22.12.2003

8.7. Защитапроекта

РУКОВОДИTЕJIЬ__Протасов C.К.___________________

Заданиепринял к исполнению______________________________ « 9 » Сентября2003 г

Содержаниерасчетно-пояснительнойзаписки

Пояснительнаязаписка включает:титульный лист,задание напроектирование,реферат, содержание,введение,литературныйобзор, описаниетехнологическойсхемы установки,расчет основногоаппарата, подробныйрасчет одногоиз теплообменников,расчет и подборвспомогательногооборудования,заключениеи список использованныхисточников.При необходимостив состав пояснительнойзаписки включаютсписок условныхобозначенийи приложения.Список основныхобозначенийпомещают послесодержания,а приложенияпосле спискаиспользованныхисточников.Задание напроектированиевыдаетсяруководителемпроекта.

2. Рефератсодержит сведенияоб объеме проекта,перечень ключевыхслов, краткуюаннотациюматериаловпроекта.

3. Содержаниевключает переченьнаименованийразделов иподразделов, в которых состоитпояснительнаязаписка.

4. Во введениикратко отражаютсяроль и перспективыразвития химическойпромышленности,роль технологическогопроцесса иназначениепроектируемой установки. Объем введения не должен превышай, двухлистов.

5. В литературномобзоре приводитсяописание: 1)теоретическихоснов разрабатываемогопроцесса; 2) основныхтехнологическихсхем для дляпроведения;3) типовогооборудованиядля проектируемойустановки.

По заданиюпреподавателялитературныйобзор можетбыть дополненпатентнымобзором посовременномуаппаратурно-технологическомуоформлениюпроцесса.

6. Обоснованиеи описаниетехнологическойсхемы включают:обоснованиеее выбора,обоснованиевыбора основногоаппарата ивспомогательногооборудованияс кратким описаниемих конструкцийи принципадействия; подробноеописание принципадействияразрабатываемойустановки.

Описаниетехнологическойсхемы завершаетсякратким обоснованиеммероприятийпо охране окружающейсреды, т.е. попредотвращениюи обезвреживаниювредных промышленныхвыбросов.

7. Расчетосновногоаппарата зависитот его назначения,типа и конструкции.Он содержиттехнологический и конструктивный расчеты посуществующимметодикам.

8. Подробныйрасчет теплообменникавключает в себякак теплотехнический,так и гидравлическийрасчеты.

9. Подборвспомогательногооборудования(обычно стандартногои нормализованного)производитсяна основеориентировочныхрасчетов.

10. В заключениеприводятсяхарактеристикиустановки,основногоаппарата ивспомогательногооборудования.

11. Списокиспользованныхисточниковвключает переченьлитературы и других источников,использованныхпри выполнении курсовогопроекта.

ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ КУPCОВОГОП РОЕКТА ПО ВСЕМ ТЕМАМРУКОВОДСТВОВАТЬСЯ:

1. Калишук Д. Г. , ПротасовС.К., Марков В.А.Процессы иаппараты химической технологии.Методическиеуказания ккурсовомупроектированиюпо одноименнойдисциплинедля студ. очногои заочногообучения. - Мн.:Ротапринт БГТУ,1992.

2. Основныепроцессы иаппараты химическойтехнологии.Пособие попроектированию/ Под ред. Ю.И.Дытнерского.- М.: Химия, 1991.

МинистерствообразованияРеспубликиБеларусь

Учреждениеобразования: “Белорусскийгосударственныйтехнологический университет”

КафедраПИАХП

Расчётно-пояснительнаязаписка

К курсовомупроекту покурсу ПИАХТ

натему: Расчёти проектированиеректификационнойустановкинепрерывногодействия дляразделениябинарной смесибензол-толуол.

Разработал:студент

ФакультетаТОВ 4к. 1 гр.

КардашА. В.

Проверил:Протасов С К

Минск2003

РЕФЕРАТ

Запискасодержит:

5 – таблиц;20 - рисунков; 2 приложения;67 листов.

РЕКТИФИКАЦИЯ, КОЛОНА, ТАРЕЛКА,НАСАДКА, ДИСТИЛЯТ,ФЛЕГМА, НАСОС,ТЕПЛООБМЕННИК,ШТУЦЕР, ТРУБОПРОВОД,ПАР, КОНДЕНСАТ.

В даннойрасчетно-пояснительнойзаписке приведентепловой,материальный,гидравлическийрасчет ректификационнойустановкивключающуюв себя теплообменнуюаппаратуру,трубопроводы,ёмкости дляпродуктовперегонки исаму колону.Выполнен такжеподбор стандартногооборудованияи оптимальнойтехнологическойсхемы для проведенияпроцесса. Проведенполный гидравлическийи тепловойрасчёт теплообменника

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………………………………………………	6
1.Литературныйобзор…………………………………………………………	7
1.1Теоретическиеосновы разрабатываемогопроц6есса…………………….	7
1.1.1Общие сведенияо процессеректификации…………..……………	7
1.1.2Равновесиев системахжидкость-пар………………………………	8
1.1.3Материальныйи тепловойбалансы ректификационнойколоны...	11
1.2 Основныесхемы дляпроведенияпроцесса……………………………….	17
1.2.1Непрерывнаяректификация………………………………………...	18
1.2.2Периодическаяректификация………………………………………	19
1.2.3Экстрактивнаяи азеотропнаяректификация………………………	20
1.3Типовое оборудованиедля проектируемойустановки…………………..	23
2.Описаниеи обоснованиеустановки…………………………………………	29
3.Расчётректификационнойколонны……………….…………………………	31
3.1Особенностирасчёта тарельчатойректификационнойколоны………….	31
3.1.1 Материальныйбаланс колонныи………………………………….	31
3.1.2.Определениерабочегофлегмовогочисла…..…………………….	32
3.1.3.Определениесреднемассовогорасхода пожидкости…………….	35
3.1.4. Определениесреднемассовогорасхода попару…….…………….	35
3.1.5. Скоростьпара и диаметрколонны………………………………….	36
3.2.Определениевысотыколоны………………………………………………	38
3.2.1Определениевысоты колоныпо кинетическойкривой…………..	38
3.2.2.Высота светлогослоя жидкостина тарелке ипаросодержаниебарботажногослоя………………………………………………………..	40 39
3.2.3Определениекоэффициентовмассопередачи……………………..	43
3.2.4Определениеэффективноститарелки……………………………..	45
3.3.Расчет гидравлическогосопротивления тарелок колонны……………..	50
3.4.Расчётштуцеров…………………………………………………………….	51
3.5Тепловой балансректификационнойколоны……………………………..	51
4.Подробныйрасчёттеплообменника…………………………………………	54
5.Расчёт и подборвспомогательногооборудования…………………………	58
5.1.Расчёт кожухотрубчатогоиспарителя……………………………………..	58
5.2.Расчёт теплообменникаподогревателя…………………………………….	58
5.3.Расчёт кожухотрубчатогоконденсатора(дефлегматора)………………...	59
5.4.Расчёт холодильникадистиллята…………………………………………..	60
5.5 Выбор насосадля перекачиванияисходнойсмеси……………………….	60
5.6Определениевысотывсасывания…………………………………………...	63
Заключение………………………………………………………….……………	64
Списокиспользованныхисточников…………………………………………..	65
Приложение1……………………………………………………………………	66
Приложение2……………………………………………………………………	67

ВВЕДЕНИЕ

На всем протяжениисвоего развитияхимия служитчеловеку в егопрактическойдеятельности.Еще задолгодо новой эрывозникли ремесла,в основе которыхлежали химическиепроцессы: получениеметаллов, стекла,керамики, красителей.

Роль современнойхимии в различныхотрасляхпромышленностии сельскогохозяйстваисключительновелика. Безразвития химииневозможноразвитиетопливно-энергетическогокомплекса,металлургии,транспорта,связи, строительства,электроники,сферы быта иуслуг и т. д.Химическаяиндустрияснабжает народноехозяйстворазличнымиматериаламии сырьем. Этокислоты, щелочи,растворители,топливо, масла,пластмассы,химическиеволокна, синтетическиекаучуки, минеральныеудобрения имногие другие.В различныхотрасляхпромышленностииспользуютсяхимическиеметоды, напримеркатализ (ускорениепроцессов),защита металловот коррозии,обработкадеталей химическимспособом.

Исключительнобольшое значениехимия имеетв энергетике,которая используетэнергию химическихреакций. В связис истощениемприродныхзапасов нефтивозрастаетпотреблениесинтетическоготоплива, котороевырабатываетхимическаяиндустрия.Существеннойэкономии нефтипозволяетдостичь внедрениеновых процессовполученияжидкого топливаиз бурого икаменного угля.Таким образом,химическойи нефтехимическойпромышленностиотводитсяважная рольв реализацииэнергетическойпрограммы РБ.

Современнаяхимическаяпромышленностьхарактеризуетсявесьма большимчислом разнообразныхпроизводств,различающихсяусловиямипротеканиятехнологическихпроцессов имногообразиемфизико-химическихсвойств перерабатываемыхвеществ и выпускаемойпродукции.Вместе с темтехнологическиепроцессы различныхпроизводствпредставляютсобой комбинациюсравнительнонебольшогочисла типовыхпроцессов(нагревание,охлаждение,фильтрованиеи т. д.). За последниедесятилетияразвитие химическойтехнологиипривело к появлениюпринципиальноновых процессов,что поставило химическуютехнологиюна качественноболее высокийуровень. В этомотношениивесьма перспективнымявляется бурноеразвитиевычислительнойтехники, котораясоздает невиданныедо недавнеговремени возможностидля исследования,моделированияи расчета процессови аппаратовхимическойтехнологии.

Ректификация— массообменныйпроцесс, которыйосуществляетсяв большинствеслучаев впротивоточныхколонных аппаратахс контактнымиэлементами(насадки тарелки)аналогичнымииспользуемымв процессеабсорбции.

Ректификационнаяустановка даётнаиболее полноеразделениесмесей жидкостей,целиком иличастично растворимыхдруг в друге.Процесс заключаетсяв многократномвзаимодействиипаров с жидкостью- флегмой, полученнойпри частичнойконденсациипаров.

2.ОПИСАНИЕИ ОБОСНОВАНИЕУСТАНОВКИ

Для разделениясмеси толуол– бензол, применяетсяректификационноеразделение.Процесс разделениятребуетсяпроводитьнепрерывнымспособом. Таккак нам не известныпредыдущиестадии процесса,то перед подачейна колоннунеобходимопредусмотретьнакопительныйбак, которыйбудет обеспечиватьнепрерывнуюподачу смесина ректификационнуюколонну в случаесбоев на предыдущихэтапах производства,так как этисбои могутпривести костановкеколонны. Поэтой же причиненеобходимопредусмотретьдва нагнетательныхнасоса, передающихисходную смесьс накопительногобака, черезтеплообменникина ректификацию(на случай выходаодного из нихиз строя). Длявозможностиочистки накопительногобака, предусматриваетсяотвод в канализациюиз последнегопредусматриваетсяотвод в канализациюдля воды.

Питаниетребуетсяподавать вколонну притемпературекипения, дляэтого необходимоподогреть его.С этой цельюперед подачейна колоннуустанавливаетсятеплообменник.Так как исходнаясмесь толуол– бензол кипитпри температуре99 С, то для подогрева,с целью экономиигреющего пара,целесообразноиспользоватьтепло кубовогоостатка. Дляотвода конденсатапредусматриваемотдельнуюканализационнуюсистему, позволяющуювозвращатьконденсатобратно напарогенерацию. В колонне исходнаясмесь разделяетсяна два потока:толуол содержащийи бензол, отбираемыхсоответственнос нижней и верхней частей колонны.толуол какболее труднолетучийкомпонент,собираетсявнизу (в кубовойчасти) колонны,а бензол каклегколетучийкомпонент вверхней частиколонны. Дляобеспеченияпотока парачерез колонну,устанавливаетсякипятильниккубового остатка.Часть кубовогоостатка в видепродукта отводитсяи собираетсяв бак. Целесообразнопредусмотретьустановкусборных баков,как для толуола,так и для бензола,т.к. не известнопо технологическойлинии, куданаправляютсяпродуктыректификации.Для транспортировкипо дальнейшейтехнологическойлинии продуктов,из сборныхбаков продуктатранспортируютсянасосами. Передподачей бензолав сборную ёмкостьего необходимоохладить, чтоосуществляетсятакже при помощитеплообменников.В целях экономииэнергии, рациональноиспользоватьтепло кубовогоостатка длянагреванияпитания. Приэтом такжеуменьшаетсяколичествотеплообменников,если этоготепла достаточно,чтобы нагретьпитание дотемпературыкипения, илиуменьшаетсяповерхностьтеплообменникапри использованиидополнительногоподогрева спомощью греющегопара. Для образованияфлегмы пары,содержащиепреимущественнолегколетучийкомпонент,конденсируютв теплообменнике-дефлегматоре,и разделяютна отводимыйв виде продуктапоток и на поток,возвращаемыйкак флегмуобратно в колонну.

Так как вдефлегматорепродукт толькоконденсируется,но не охлаждается,то перед подачейв сборную ёмкостьего необходимоохладить. Охлаждениепродукта втеплообменникеи дефлегматореосуществляетсяс помощью воды,как наиболеедешевоготеплоносителя.Для оборотнойвода послевыхода изтеплообменникови отвода предусматриваемотдельнуюканализационнуюсистему, длявозможностираздельногонаправленияна регенерацию.Для сборныхёмкостей продуктовтакже устанавливаемотвода дляпромывных вод.

Так как втехнологическомпроцессе используютсялегко текучиеи чистые жидкостис не большимрасходом, тоиспользуемцентробежныенасосы. В качестветеплообменниковиспользуемкожухотрубчатыетеплообменникикак наиболеераспространённыеи вполне подходящиедля реализациинашей технологическойсхемы. Технологическаясхема приведенана чертеже.