Ректификация

Содержание

 

Введение	3
1    Ректификация	4
1.1 Теоретические основы процесса ректификации	5
1.2 Ректификация периодического  и непрерывного действия	7
1.3 Специальные методы  ректификации	9
1.4 Виды ректификационных колон	10
1.5 Выбор ректификационной колоны	12
2    Теплообменные  аппараты	19
3    Описание технологического  процесса и схемы	20
4    Технологический  расчет	20
4.1 Физико-химические свойства  веществ	20
4.2 Расчет теплообменного  аппарата	26
Заключение	27
Список использованной литературы	27

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

 

Простейшими способами перегонки  жидких смесей являются частичное испарение жидкости и конденсация полученных паров с отводом конденсата (простая перегонка) и частичная конденсация паров перегоняемой смеси с отводом конденсата. Каждый из этих процессов в отдельности не приводит к получению достаточно чистых продуктов, но осуществляя оба эти процесса одновременно и многократно в противоточных колонах, можно достичь разделения жидкой смеси на чистые компоненты. Такой процесс разделения жидких смесей при помощи одновременно и многократно повторяемых частичных испарений и конденсация называют ректификацией.

            Целью ректификации является  чёткое разделение жидких смесей  на отдельные чистые компоненты.

           Перегонка и ректификация применяются для получения различных продуктов в чистом виде, а также для разделения газовых смесей после их сжижения.

Большинство процессов химической технологии протекает только при  определенной температуре, которая  достигается путем подвода или  отвода тепловой энергии (теплоты). Процессы, скорость протекания которых определяется скоростью подвода или отвода теплоты(нагревание, охлаждение, испарение, конденсация и др.), называют тепловыми. Движущей силой тепловых процессов является разность температур более нагретого и менее нагретого тела. Вещество участвующее в процессе теплообмена, отдающее тепло называют-теплоносителем.

Существуют два способа  проведения тепловых процессов:

1 путем непосредственного соприкосновения теплоносителей;

2 путем передачи тепла через стенку, разделяющую теплоносители.

При передаче тепла непосредственным соприкосновением теплоносители обычно смешиваются друг с другом, что  не всегда допустимо. Поэтому данный способ применяется сравнительно редко, хотя он значительно проще в аппаратурном оформлении. При передаче тепла через  стенку теплоносители не смешиваются, а каждый из них движется по отдельному каналу. Поверхность стенки, разделяющая  теплоносители, используется для передачи тепла и называется поверхностью теплообмена.

 Передача тепла от  одного тела к другому может  происходить посредством простых  процессов: теплопроводности, конвекции  и теплового излучения и сложных  процессов, состоящих из простых  процессов.

Аппараты, в которых осуществляются тепловые процессы называются теплообменниками.

 

 

 

 

1 Ректификация 

 

 

1.1 Теоретические  основы процесса ректификации 

               

         Ректификация – разделение жидких  однородных смесей на составляющие  вещества или группы составляющих  веществ в результате взаимодействия  паровой смеси и жидкой смеси.  Это массообменный процесс, который  осуществляется в большинстве  случаев в противоточных колонных  аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными  используемыми в процессе абсорбции.

Возможность разделения жидкой смеси на составляющие её компоненты ректификацией обусловлена тем, что состав пара, образующегося над  жидкой смесью, отличается от состава  жидкой смеси в условиях равновесного состояния пара и жидкости.

            Во многих химических производствах  необходимо производить выделение  чистых веществ из смесей жидкостей.  Одним из наиболее распространенных  методов разделения смесей является  ректификация. Этот метод основан  на различии в температурах  кипения, а, следовательно, и  в летучести компонентов смеси.  Если летучесть компонентов различна, то состав пара над жидкостью  отличается от состава жидкой  смеси бóльшим содержанием низкокипящего (легколетучего) компонента – НКК. Вследствие этого при противоточном контакте жидкой смеси с парами, который осуществляется при ректификации в результате массообмена, пары будут обогащаться НКК, а жидкость – высококипящим (труднолетучим) компонентом – ВКК.

В конечном итоге пары будут  представлять собой более или  менее чистый НКК, а жидкость – ВКК.

             Процесс ректификации осуществляется  преимущественно в тарельчатых  или насадочных колонных аппаратах  периодическим или непрерывным  способом. На ректификацию поступает  исходная жидкая смесь, содержание  в которой НК составляет хf. В процессе ректификации смесь разделяется на две части: часть, обогащенную НКК – дистиллят и часть, обогащенную ВКК – кубовый остаток. Обозначим в долях НКК состав дистиллата – хр , а кубового остатка – хw .Исходная смесь подается в ту часть колонны, где жидкость имеет состав хf . Стекая вниз по колонне, она взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике. Пар имеет начальный состав, примерно равный составу кубового остатка хw, т.е. является обедненным НКК. В результате массообмена происходит переход НКК из жидкости в пар, а ВКК – из пара в жидкость.

  В точке ввода исходной  смеси пар может иметь в  пределе состав, равновесный с  исходной смесью. Для более полного  обогащения пара НКК верхнюю часть колоны орошают жидкостью состава хр, которая получается в дефлегматоре путем конденсации пара, выходящего из колонны. Эта часть конденсата называется флегмой. Другая часть конденсата пара выводится из дефлегматора в виде продукта разделения – дистиллата. Жидкость, отводимая из нижней части колонны, называется кубовым остатком. Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный процесс разделения подаваемой в колонну исходной бинарной смеси на дистиллат с высоким содержанием НКК и кубовый остаток, обогащенный ВКК.

 

 

1.2 Ректификация  периодического и непрерывного  действия

 

По способу проведения различают непрерывную и периодическую ректификацию. В ректификационных установках периодического действия начальную смесь заливают в перегонный куб, где поддерживается непрерывное кипение с образованием паров. Пар поступает на укрепление в колонну, орошаемую частью дистиллята. Другая часть дистиллята из дефлегматора или концевого холодильника, охлажденная до определенной температуры, через контрольный фонарь поступает в сборник готового продукта. В колоннах периодического действия ректификацию проводят до тех пор, пока жидкость в кубе не достигает заданного состава. Затем обогрев куба прекращают, остаток сливают в сборник, а в куб вновь загружают на перегонку начальную смесь. Установки периодической ректификации успешно применяют для разделения небольших количеств смесей. Большим недостатком ректификационных установок периодического действия является ухудшение качества готового продукта (дистиллята) по мере протекания процесса, а также потери тепла при периодической разгрузке и загрузке куба. Эти недостатки устраняются при непрерывной ректификации.

Колонны непрерывного действия (Рисунок 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, либо размещается непосредственно под колонной. Следовательно, с помощью кипятильника создается восходящий поток пара. Пары проходят через слой жидкости на нижней тарелке, которую будем считать первой, ведя нумерацию тарелок условно снизу вверх. В результате взаимодействия между жидкостью и паром, имеющим более высокую температуру, жидкость частично испаряется, причем в пар переходит преимущественно НК.

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 на пути пара от кипятильника до верха колонны.

 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 так называемую питающую  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 как  бы делит колонну на две  части, имеющие различное назначение. В верхней части 1а (от питающей  до верхней тарелки) должно  быть обеспечено возможно большее укрепление паров, т. е. обогащение их НК с тем, чтобы в дефлегматор направлялись пары, близкие по составу к чистому НК. Поэтому данная часть колонны называется укрепляющей. В нижней части 1б (от питающей до нижней тарелки) необходимо в максимальной степени удалить из жидкости НК, т. е. исчерпать жидкость для того, чтобы в кипятильник стекала жидкость, близкая по составу к чистому ВК. Соответственно эта часть колонны называется исчерпывающей.

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.

Схема установки непрерывной  ректификации отличается от периодической  тем, что питание колонны начальной  смесью определенного состава происходит непрерывно с постоянной скоростью; готовый продукт постоянного качества также непрерывно отводится.

 

1 – ректификационная колона (а – укрепляющая часть, б – исчерпывающая часть); 2 – кипятильник; 3 – дефлегматор; 4 – делитель флегмы; 5 – подогреватель исходной смеси; 6 – холодильник дистиллята; 7 – холодильник остатка; 8, 9 – сборники; 10 – насос.

 

Рисунок 1 – Схема непрерывно действующей ректификационной установки

 

 

1.3 Специальные методы ректификации

 

Для разделения смесей близко кипящих компонентов используют экстрактивную ректификацию характеризующеюся низкой относительной летучестью. Разделение таких смесей приходится проводить в колоннах с очень большим числом теоретических тарелок и высоким расходом пара из–за необходимости поддерживать большое флегмовое число.

Исходную смесь, состоящую  из компонентов А и В, подают на тарелку питания колонны 1 для экстрактивной ректификации (Рисунок 2 ). Несколько выше тарелки питания вводят разделяющий агент С. Низкокипящий компонент отбирают в виде дистиллята, а смесь высококипящего компонента В и разделяющего компонента С из нижней части колонны 1 направляют на разделение в колонну 2. Разделяющий компонент, отбираемый в виде кубового остатка, возвращают на орошение колонны 1.

 

 

 

 

1 – колонна для экстрактивной  ректификации; 2 – колонна для  разделения продукта В и экстрагирующего компонента С; 3 – насосы; 4 – кипятильники; 5 – конденсаторы.

 

Рисунок 2 – Схема установки для экстрактивной ректификации бинарной смеси