Ректификация в производстве уксусной кислоты

   

        Содержание

 

Введение 1 Описание технологической схемы установки 2 Краткая характеристика  рабочих веществ 3 Обзор и анализ существующих конструкций ректификационных колонн 3.1 Типы колонных аппаратов 3.2 Классификация тарелок 4 Технологический расчет 4.1 Исходные данные к расчету 4.2 Разработка и описание  конструкции оборудования 5 Расчет вспомогательного оборудования Заключение Список использованных источников Приложение

7 8 11   12 12 13 21 21 22 24 26 27 28

      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Ректификация – процесс разделения гомогенных смесей летучих жидкостей  путём двустороннего массообмена и теплообмена между неравновесными жидкой и паровой фазами, имеющими различную температуру и движущимися противоположно друг другу.

Разделение осуществляется обычно в колонных аппаратах при многократном или непрерывном контакте фаз. При каждом контакте из жидкости испаряется преимущественно низкокипящий компонент, которым обогащаются пары, а из паровой конденсируется преимущественно высококипящий компонент переходящий в жидкость. В результате обмена компонентами между фазами в конечном счете пары представляют собой почти чистый низкокипящий компонент. Эти пары выходящие из верхней части колонны после их конденсации в отдельном аппарате дают дистиллят (верхний продукт) и флегму - жидкость, возвращающую для орошения колонны и взаимодействия с поднимающимися в колоне парами. Снизу удаляется жидкость представляющая собой почти чистый высококипящий компонент - кубовый остаток (нижний продукт). Часть остатка испаряют в нижней части колонны для получения восходящего потока пара.

Ректификация известна с начала девятнадцатого века, как один из важнейших  технологических процессов главным  образом спиртовой и нефтяной промышленности. В настоящее время  ректификацию всё шире применяют  в самых различных областях химической технологии, где выделение компонентов в чистом виде имеет весьма важное значение (в производных органического синтеза, изотопов, полупроводников и различных других веществ высокой чистоты).

 

1 Описание технологической схемы установки

 

Схема ректификационной установки  непрерывного действия приведена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Схема непрерывно действующей  ректификационной установки: 1а - концентрационная часть ректификационной колонны; 1б – отгонная часть ректификационной колонны; 2 – кипятильник; 3 – дефлегматор; 4 – делитель флегмы; 5 – подогреватель исходной смеси; 6 – холодильник дистиллята (или холодильник – конденсатор); 7 – холодильник остатка (или нижнего продукта); 8,9 – сборники; 10 – насосы

 

Ректификационная колонна 1 имеет цилиндрический корпус, внутри которого установлены контактные  устройства в виде тарелок или насадки. Снизу вверх по колонне движутся пары, поступающие в нижнюю часть аппарата из кипятильника 2, который находится вне колонны, т.е. является выносным (как показано на рисунке), либо размещается непосредственно под колонной. С помощью кипятильника создается  восходящий поток пара. Пары проходят через слой жидкости на нижней тарелке.

Испарение жидкости на тарелке происходит за счет тепла конденсации пара. Из пара конденсируется и переходит в жидкость преимущественно высококипящий компонент, содержание которого в поступающем на тарелку паре выше равновесного с составом жидкости на тарелке. При равенстве теплот испарения компонентов бинарной смеси для испарения 1 моль легколетучего (или низкокипящего компонента – НК) необходимо сконденсировать 1 моль труднолетучего (или высококипящего компонента – ВК), то есть фазы на тарелке обмениваются эквимолекулярными количествами компонентов.

Таким образом, пар, представляющий собой  на выходе из кипятильника почти чистый ВК, по мере движения вверх все более обогащается  низкокипящим компонентом и покидает верхнюю тарелку колонны в виде почти чистого НК, который практически полностью переходит в паровую фазу.

Пары конденсируются в дефлегматоре 3, охлаждаемом водой, и получаемая жидкость разделяется в делителе 4 на дистиллят и флегму, которая направляется на верхнюю тарелку колонны.  Следовательно, с помощью дефлегматора в колонне создается нисходящий поток жидкости.

 Жидкость, поступающая на орошение  колонны (флегма), представляет собой почти чистый НК. Однако, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, жидкость все более обогащается ВК, конденсирующимся из пара. Когда жидкость достигает нижней тарелки, она становится практически чистым  ВК и поступает в кипятильник, обогреваемый глухим паром или другим теплоносителем.

На некотором расстоянии от верха  колонны к жидкости из дефлегматора присоединяется исходная смесь, которая поступает на питательную тарелку колонны.  Для того чтобы уменьшить тепловую нагрузку кипятильника, исходную смесь обычно предварительно нагревают в подогревателе 5 до температуры кипения жидкости на питающей тарелке.

Питающая тарелка делит колонну  на две части, имеющие различное  назначение. В верхней части (от питающей до верхней тарелки) должно быть обеспечено обогащение паров  НК с тем, чтобы в дефлегматор направлялись пары, близкие по составу к чистому НК. Поэтому данная часть колонны называется укрепляющей или концентрационной.

В нижней части (от питающей до нижней тарелки) необходимо в максимальной степени удалить из жидкости НК, то есть исчерпать жидкость для того, чтобы в кипятильник стекала жидкость, близкая по составу к чистому ВК. Соответственно эта часть колонны называется исчерпывающей или отгонной.

В дефлегматоре 3 могут быть сконденсированы либо все пары, поступающие из колонны, либо только часть их соответствующая количеству возвращаемой в колонну флегмы. В первом случае часть конденсата, остающаяся после отделения флегмы, представляет собой дистиллят (ректификат), или верхний продукт, который после охлаждения в холодильнике 6 направляется в сборник дистиллята 9. Во втором случае несконденсированные в дефлегматоре пары одновременно конденсируются и охлаждаются в холодильнике 6, который при таком варианте работы служит конденсатором – холодильником дистиллята.

Жидкость, выходящая из низа колонны (близкая по составу ВК) также  делится на две части. Одна часть, как указывалось, направляется в  кипятильник, а другая – остаток (нижний продукт) после охлаждения водой в холодильнике 7 направляется в сборник 8 [1].

 

 

 

 

 

 

 

2 Краткая характеристика рабочих  веществ

 

Уксусная кислота СН₃СОOН − бесцветная горючая жидкость с резким запахом с t_п.= +16,8 ^оС, t_кип=118 ^оС ,хорошо растворимая в воде, применяется как приправа к пище. Имеет характерный кислый вкус, проводит электрический ток.

Смесь сухого газа с парами жидкости называется влажным газом. Максимально возможное содержание пара в газе, выше которого наблюдается конденсация, соответствует условиям насыщения при определенной температуре t и парциальном давлении P_н.п. Насыщенный водяной пар называют греющим или первичным. Греющий пар при t= 130 ^оС характеризуют следующие параметры: абсолютное давление P=2,755 кгс/см³; плотность ρ=1,494 кг/м³; удельная теплоемкость С=2179 кДж/кг; удельная энтальпия жидкости i'=546,8 кДж/кг и удельная энтальпия пара i''=546,8 КДж/кг.

Вода Н₂О − прозрачная жидкость с t_кр.= 0 ^оС и t_кип.= 100 ^оС, плохо проводит теплоту и электричество, хороший растворитель, обладает высокой теплоемкостью. Чистая вода не имеет вкуса и запаха, ее получают в процессе перегонки, после этого она называется дистиллированной.

 

 

 

 

 

 

 

3 Обзор и анализ существующих конструкций ректификационных колонн

 

3.1 Типы колонных аппаратов

Аппараты колонного типа могут  быть классифицированы в зависимости от рабочего давления, технологического назначения и типа контактных устройств. В зависимости от применяемого давления колонные аппараты подразделяют на атмосферные, вакуумные и колонны, работающие под давлением.

По технологическому назначению колонные аппараты подразделяются на колонны атмосферных и атмосферно-вакуумных установок разделения нефти и мазута, колонны установок вторичной перегонки бензинов, каталитического крекинга, установок газоразделения, установок регенерации растворителей при депарафинизации масел и др.

По типу внутренних контактных устройств  различают тарельчатые, насадочные и пленочные колонные аппараты (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 – Схемы основных типов колонных аппаратов:

а – тарельчатый; б – насадочный; в – пленочный; 1 – корпус колонны; 2 – полотно тарелки; 3 – переточное устройство; 4 – опорная решетка; 5 – насадка;   6 – распределитель; 7 – трубная решетка; 8 – труба

 

 

Области применения контактных устройств  определяются свойствами разделяемых смесей, рабочим давлением в аппарате, нагрузкам по пару (газу) и жидкости и т.п.

В тарельчатых аппаратах (рисунок 3.1, а) контакт между фазами происходит при прохождении пара (газа) сквозь слой жидкости, находящейся на контактном устройстве (тарелке) жидкостью осуществляется на поверхности специальных насадочных тел, а также в свободном пространстве между ними [2].

В ректификационных колоннах применяются  тарелки различных конструкций (колпачковые, клапанные, струйные, провальные и т.п.), существенно различающиеся по своим рабочим характеристикам и технико-экономическим данным.

При выборе конструкции контактного  устройства учитывают как их гидродинамические  и массообменные характеристики, так и экономические показатели работы колонны при использовании того или иного типа контактных устройств.

3.2 Классификация тарелок

В настоящее время в промышленной практике известны сотни различных конструкций тарелок, которые можно классифицировать  по способу передачи жидкости с тарелки на тарелку, по способу взаимодействия жидкой и паровой (газовой) фаз, по характеру диспергирования взаимодействующих фаз, по конструкции устройства для ввода пара (газа) в жидкость и др.

По способу передачи жидкости различают  тарелки со специальными переточными устройствами и тарелки провальные. По характеру диспергирования  взаимодействующих фаз различают тарелки барботажного и струйного типов.

В зависимости от конструкции устройств для ввода пара в жидкость различают ситчатые (дырчатые), колпачковые, клапанные, язычковые (чешуйчатые) и другие типы тарелок [3].

Рассмотрим особенности работы барботажной тарелки на примере колпачковой тарелки с круглыми колпачками, схема которой приведена на рисунке 3.2.

 

Рисунок 3.2 – Схема работы барботажной тарелки с круглыми колпачками:

а – общий вид тарелки; б – схема барботажа газа в зоне контакта; I – зона небарботируемой жидкости; II – зона недеформируемых струй; III – зона деформируемых струй – пены; IV – зона парового пространства с взвешенными каплями жидкости

 

Жидкость поступает на полотно  тарелки из переливного устройства и течет от приточной стороны  тарелки к сточной, при этом на тарелке возникает градиент уровня жидкости. Стенка переливного устройства погружена в жидкость, находящуюся на нижележащей тарелке, что обеспечивает в колонне соответствующий гидравлический затвор, исключающий возможность прохождения паров через переливное устройство.

Уровень жидкости в переливном устройстве выше уровня жидкости на тарелке, что  обеспечивает необходимый расход жидкости.  Высота слоя жидкости  на полотне тарелки определяется высотой сливной перегородки и подпором жидкости над гребнем слива.  Изменяя высоту сливной перегородки, можно менять уровень жидкости на тарелке.

Поток паров при поступлении  в слой жидкости прорезями колпачков разбивается на большое число отдельных струй, которые с большой скоростью входят в жидкость. В пространстве между смежными колпачками паровые и жидкостные струи, сталкиваясь, деформируются, образуя слой газожидкостной системы (пены) с сильно развитой поверхностью контакта фаз (рисунок  3.2, б).

Бесколпачковые барботажные тарелки (из S-образных элементов, клапанные, струйные, ситчатые), снабженные переливными устройствами, по принципу работы аналогичны работе колпачковой тарелки.

Тарелки из Sобразных элементов (рисунок 3.3) является разновидностью колпачковых тарелок и состоят из отдельных элементов, каждый из которых образует одновременно полость для паров и жидкости.

 

 

 

Рисунок 3.3 – Конструкция тарелки из S-образных элементов:

1 – корпус колонны; 2 – сливная перегородка; 3 – паровой элемент; 4 –    S-образный элемент; 5 – поперечные перегородки; 6 – разъемный S – образный элемент; 7 – жидкостный элемент; 8 – отверстие для слива жидкости; 9 – опорное кольцо; 10 – струбцина; 11 – заглушки; 12 – прорези в S – образных элементах