Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

«Тюменский государственный  нефтегазовый университет»

Технологический Институт

 

 

 

 

 

 

 

Курсовой проект

 

по дисциплине: Процессы и аппараты

 

на тему

 

Расчет тарельчатой  ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол  

 

 

 

 

       Выполнил: Студент гр.ХТТт-10-9-1

                Халяндра О.И 

                                  Проверил: Таранова Л.В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тюмень 2013 

ВВЕДЕНИЕ

 

Ректификация — массообменный  процесс, который осуществляется в 

большинстве случаев в противоточных  колонных аппаратах с контактными 

элементами (насадки  тарелки) аналогичными используемым в  процессе

абсорбции. Поэтому  методы подход к расчету и проектированию

ректификационных  и абсорбционных установок имею много общего. Тем не

менее ряд особенностей процесса ректификации (различие соотношение 

нагрузок по жидкости и пару в нижней и верхней частях колонны, переменные

по высоте колонны физические свойства фаз и коэффициент распределения,

совместное протекание процессов массо- и теплопереноса) осложняет его расчет.

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: при получении окиси этилена, этилового спирта, а также получения компонентов воздуха (кислорода, азота, инертных газов).Также ректификация широко используется и в других отраслях народного хозяйства: цветной металлургии, коксохимической и лесохимической промышленностях.

Так, одним из способов получения бензола является ректификация. Бензол (C6H6) -- ароматический углеводород - входит в состав бензина, широко применяется в промышленности, является исходным сырьём для производства лекарств, различных пластмасс, синтетической резины, красителей. В физическом весе пластмасс около 30%, в каучуках и резинах - 66%, в синтетических волокнах - до 80% приходится на ароматические углеводороды, родоначальником которых является бензол. Бензол входит в состав сырой нефти, но в промышленных масштабах по большей части синтезируется из других её компонентов. Ректификационные колонны обеспечивают получение бензола и толуола чистотой 99,9%, содержание толуола в смеси ксилолов не превышает 1,5%. Применяют при получение отдельных фракций и индивидуальных углеводородов из нефтяного сырья в нефтеперерабатывающей и нефтехимической, а также в химико - фармацевтической промышленностях.

Целью данной курсовой работы  расчёт тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол и подбор аппарата.  

 

 

 

 

 

1. Общие сведения о процессе ректификации

 

• Ректификация —один из способов разделения жидких смесей, основанный на различном распределении компонентов смеси между жидкой и паровой фазами. При  ректификации потоки пара и жидкости, перемещаясь в противоположных направлениях (противотоком), многократно контактируют друг с другом в специальных аппаратах (ректификационных колоннах), причём часть выходящего из аппарата пара (или жидкости) возвращается обратно после конденсации (для пара) или испарения (для жидкости). Такое противоточное движение контактирующих потоков сопровождается процессами теплообмена и массообмена, которые на каждой стадии контакта протекают (в пределе) до состояния равновесия; при этом восходящие потоки пара непрерывно обогащаются более летучими компонентами, а стекающая жидкость — менее летучими. При затрате того же количества тепла, что и придистилляции, ректификация позволяет достигнуть большего извлечения и обогащения по нужному компоненту или группе компонентов. Ректификация широко применяется как в промышленном, так и в препаративном и лабораторном масштабах, часто в комплексе с др. процессами разделения,такими,как абсорбция,экстракция и кристаллизация.
• Ректификация позволяет достичь высокой степени разделения смесей на составляющие их компоненты.
• Процесс осуществляется путем многократного контакта между неравновесными жидкой и паровой фазами, движущимися противотоком. При взаимодействии происходит массообмен, обусловленный стремлением системы к состоянию равновесия. В результате каждого контакта компоненты смеси перераспределяются между фазами так, что пар обогащается НКК, а жидкость – ВКК. Многократное контактирование в итоге приводит в итоге к практически полному разделению смеси.
• Процесс осуществляют периодически или непрерывно (наиболее часто в нефтепереработке) при атмосферном или повышенном давлении, а также под вакуумом. Повышенное давление используют для разделения смесей компонентов с низкими температурами кипения, а вакуум – для разделения смесей высококипящих веществ, чтобы избежать их разложения при высоких температурах.
• Процесс ректификации осуществляют в аппаратах, называемых ректификационными колоннами.
• Ректификационные колонны – это аппараты большой высоты при сравнительно небольшом диаметре, внутри которых находятся контактные массообменные устройства, обеспечивающие контактирование паровой и жидкой фаз.
•   Помимо колонн в состав ректификационных установок входит теплообменное оборудование (теплообменники, конденсаторы, холодильники, испарители), емкости и насосы.
• Колонны классифицируют по различным признакам -  по давлению, по технологическому назначению, по типу внутренних контактных устройств и др.
• 1. По давлению – колонны атмосферные, вакуумные и работающие под давлением
• 2. По технологическому назначению – колонны атмосферной и атмосферно-вакуумной перегонки нефти и мазута, колонны установок вторичной перегонки, колонны установок каталитического крекинга и т.д.
• 3. По типу внутренних устройств – тарельчатые и насадочные колонны
• Тарельчатые – с контактными устройствами в виде тарелок различной конструкции, установленных по высоте колонны
• Насадочные – в качестве контактных устройств используются различные насадки, уложенные слоями в колонне
• В колонне различают следующие части:
• Зона ввода сырья – секция питания или эвапорационное пространство (средняя часть колонны)
• Концентрационная (укрепляющая) часть – зона выше ввода сырья (верхняя часть колонны)
• Отгонная (исчерпывающая) часть – зона ниже ввода сырья (нижняя часть колонны)

2. Основные технологические схемы для проведения

разрабатываемого процесса

Процессы ректификации осуществляются периодически или непрерывно при  различных давлениях: при атмосферном давлении, под вакуумом (для разделения смесей высококипящих веществ), а также под давлением больше атмосферного (для разделения смесей, являющихся газообразными при нормальных температурах).

1. Периодическая ректификация

Периодически действующие ректификационные установки применяют для разделения жидких смесей в тех случаях, когда использование непрерывно действующих установок нецелесообразно.

Один из возможных вариантов установки показан на рис.1

 

Рис.1 Схема установки для проведения периодической ректификации:

1 – куб; 2 – колонна; 3 – дефлегматор; 4 – делитель  потоков; 5 – холодильник; 6 – сборники.

Исходную смесь периодически загружают  в куб – кипятильник 1, где доводят  до кипения. Образующиеся пары поднимаются  по колонне 2, в которой происходит противоточное взаимодействие этих паров с жидкостью (флегмой), поступающей из дефлегматора 3. Часть конденсата после делителя потока возвращается в колонну в виде флегмы, другая часть – дистиллят Р – через холодильник 5 собирается в сборниках 6,7 в виде отдельных фракций. Процесс ректификации заканчивают обычно после того, как будет достигнут за данный средний состав дистиллята.

2. Непрерывная ректификация

Рассмотрим, как реализуются указанные  выше условия в ректификационных колоннах непрерывного действия (см. рис. 2), которые наиболее широко применяются в промышленности.

 

Рис. 2 Схема непрерывно действующей ректификационной установки:

ёмкость для исходной смеси ; 2, 9- насосы;  3- теплообменник-подогреватель;  4- кипятильник;  5- ректификационная колонна;  6- дефлегматор;  7- холодильник дистиллята;  8- ёмкость для сбора дистиллята;  10- холодильник кубовой жидкости;  11- ёмкость для  кубовой жидкости.

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует  с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка хW , т. е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава хР , получаемой в дефлегматоре 6 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Частьконденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7 направляется в промежуточную емкость 8.Из кубовой части колонны насосом 9 непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 10 и направляется в емкость 11. Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента) и кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).

Расчет ректификационной колонны  сводится к определению ее основных

геометрических размеров - диаметра и высоты. Оба параметра в значительной

мере определяются гидродинамическим  режимом работы колонны, который, в 

свою очередь, зависит от скоростей и физических свойств фаз, а также от типа

насадки.

3. Типовое оборудование  для проектируемой установки

Для проведения процессов ректификации применяются аппараты разнообразных  конструкций, основные типы которых  не отличаются от соответствующих типов абсорберов.

В ректификационных установках используют главным образом аппараты двух типов: насадочные и тарельчатые  ректификационные колонны. Кроме того, для ректификации под вакуумом применяют  пленочные и роторные колонны  различных конструкций.

Насадочные, барботажные, а  также некоторые пленочные колонны  по конструкции внутренних устройств (тарелок, насадочных тел и т. д.) аналогичны абсорбционным колоннам. Однако в  отличие от абсорберов ректификационные колонны снабжены теплообменными устройствами – кипятильником (кубом) и дефлегматором. Кроме того, для уменьшения потерь тепла в окружающую среду ректификационные аппараты покрывают тепловой изоляцией.

Кипятильник или куб, предназначен для превращения в пар части  жидкости, стекающей из колонны, и подвода пара в ее нижнюю часть (под насадку или нижнюю тарелку). Кипятильники имеют поверхность нагрева в виде змеевика или представляют собой кожухотрубчатых теплообменник, встроенный в нижнюю часть колонны (см. рис. 1.8). Более удобны для ремонта и замены выносные кипятильники, которые устанавливают ниже колонны с тем, чтобы обеспечить естественную циркуляцию жидкости.

 

 

Рис. 1.8. Варианты установки  дефлегматоров: а – на колонне; б – ниже верха колонны; 1 – дефлегматоры; 2 – колонны; 3 – насос.

В периодически действующих колоннах куб является не только испарителем, но и емкостью для исходной смеси. Поэтому объем куба должен быть в 1,3–1,6 раза больше его единовременной загрузки (на одну операцию). Обогрев  кипятильников наиболее часто производится водяным насыщенным паром.

Дефлегматор, предназначенный  для конденсации паров и подачи орошения (флегмы) в колонну, представляет собой кожухотрубчатый теплообменник, в межтрубном пространстве которого обычно конденсируются пары, а в  трубах движется охлаждающий агент (вода). Однако вопрос о направлении конденсирующихся паров и охлаждающего агента внутрь или снаружи труб следует решать в каждом конкретном случае, учитывая желательность повышения коэффициента теплопередачи и удобство очистки поверхности теплообмена.

В случае частичной конденсации  паров в дефлегматоре его располагают  непосредственно над колонной, чтобы  обеспечить большую компактность установки, либо вне колонны. При этом конденсат (флегму) из нижней части дефлегматора подают непосредственно через гидравлический затвор наверх колонны, так как в данном случае отпадает необходимость в делителе флегмы.

В случае полной конденсации  паров в дефлегматоре его устанавливают  выше колонны, непосредственно на колонне  или ниже верха колонны для  того, чтобы уменьшить общую высоту установки. В последнем случае флегму из дефлегматора 1 подают в колонну 2 насосом. Такое размещение дефлегматора часто применяют при установке ректификационных колонн вне зданий, что более экономично в условиях умеренного климата.

3.1. Барботажные колонны

Барботажные колонны применимы  для больших производительностей, широкого диапазона изменений нагрузок по пару и жидкости и могут обеспечить весьма четкое разделение смесей. Недостаток барботажных аппаратов – относительно высокое гидравлическое сопротивление – в условиях ректификации не имеет такого существенного значения. При ректификации повышение гидравлического сопротивления приводит лишь к некоторому увеличению давления и соответственно к повышению температуры кипения жидкости в кипятильнике колонны. Однако тот же недостаток (значительное гидравлическое сопротивление) сохраняет свое значение для процессов ректификации под вакуумом.

3.2. Насадочные колонны

В этих колоннах (см. рис. 1.9) используются насадки различных типов, но в  промышленности наиболее распространены колонны с насадкой из колец Рашига. Меньшее гидравлическое сопротивление насадочных колонн по сравнению с барботажными особенно важно при ректификации под вакуумом. Даже при значительном вакууме в верхней части колонны вследствие большого гидравлического сопротивления ее разрежение в кипятильнике может оказаться недостаточным для требуемого снижения температуры кипения исходной смеси.

Для уменьшения гидравлического  сопротивления вакуумных колонн в них применяют насадки с возможно большим свободным объемом.

В самой ректификационной колонне  не требуется отводить тепло, как  в абсорберах. Поэтому трудность  отвода тепла из насадочных колонн является скорее достоинством, чем  недостатком насадочных колонн в  условиях процесса ректификации.

Однако и при ректификации следует  считаться с тем, что равномерное  распределение жидкости по насадке  в колоннах большого диаметра затруднено. В связи с этим диаметр промышленных насадочных ректификационных колонн обычно не превышает 0,8–1 м.