Проектирование энерго – и ресурсосберегающих процессов в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии

Процессы разделения смесей и получение индивидуальных веществ различной чистоты играют ключевую роль в современной промышленности. При этом наблюдается ярко выраженная тенденция получения все более чи-стых веществ. Среди процессов разделения жидких смесей доминирующую роль играет ректификация, и ее количественная доля в этих процессах со-ставляет около 90 %.
Современная промышленная ректификация сложилась более 100 лет тому назад и за последнее время не претерпела принципиальных изменений. Усилия тысяч инженеров и ученых были направлены на совершенствование промышленных процессов дистилляции, но сами основы существующего ректификационного процесса до сих пор остались без изменений.
В настоящее время большинство работающих промышленных ректи-фикационных колонн снабжены массообменными устройствами в виде таре-лок. Основными производителями тарельчатых контактных устройств в Рос-сийской Федерации являются фирмы ООО «НИПИ НГ «ПЕТОН», ИВЦ «ИНЖЕХИМ», НПК «КЕДР-89», ЗАО «ПИРО», ООО «Зульцер Хемтех».
В данном курсовом проекте рассмотрены основы процесса ректификации, принципиальная схема разделения бинарной смеси, конструктивные особенности тарелок для ректификационных колонн. Кроме того, представлены основные требования по выбору того или иного типа колонны. Согласно заданию на курсовой проект, в котором указаны компоненты бинарной смеси: ацетон-этанол, выбрана колонна с ситчатыми тарелками, и проведен её расчет по исходным данным, указанным в задании.
Выполнен материальный и тепловой балансы, определены основные размеры аппарата.

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.1 Теоретические основы процесса ректификации
Во многих химических производствах необходимо производить выделение чистых веществ из смесей жидкостей. Одним из наиболее распространенных методов разделения смесей является ректификация. Непременным условием протекания ректификационных процессов является наличие контакта паровой и жидкой фазы, находящихся в неравновесном состоянии.
Если летучесть компонентов различна, то состав пара над жидкостью отличается от состава жидкой смеси большим 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 дистиллята – 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 – дистиллята. 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 дистиллят с высоким содержанием НКК и кубовый остаток, обогащенный ВКК. Если обозначить количество поступающей на ректификацию исходной смеси GF, количество получаемого дистиллята GD и количество кубового остатка GW, то материальный баланс выразится равенством:
GF = GD + GW (1)
Если заданы количество и состав исходной смеси и составы продуктов разделения, то для определения количеств дистиллята и кубового остатка уравнение дополняют уравнением материального баланса для НКК:
GF хF= GD хD + GW хW (2)
Степень разделения – чистота получаемых при ректификации продуктов – определяется физико-химическими свойствами разделяемых веществ, размерами и конструкцией аппарата, условиями проведения процесса (гидродинамикой, давлением и пр.).
На рис 1 в координатах состав пара (у) – состав жидкости (х) графически представлена типичная зависимость между равновесными (линия 1) и рабочими (линия 2 и 3) составами фаз для бинарной смеси.
Уравнения линий рабочих концентраций для верхней и нижней частей колонны имеют различный вид:
- для верхней части
yв = R / (R + 1) x + xD / (R + 1); (3)
- для нижней части
yн = (R + f) / (R + 1) x – (f – 1) xW / (R + 1), (4)
где f = GF/ GD – удельное количество поступающей исходной смеси;
R = GR/ GD – флегмовое число, представляющее собой отношение количества флегмы, подаваемой на орошение колонны к количеству дистиллята.

Рисунок 1 - Х-Y-диаграмма. Зависимость между равновесными и рабочими
составами фаз для бинарной смеси

В уравнениях рабочих линий составы взаимодействующих фаз выра-жаются только в мольных долях НКК (см. рис.1).
При расчетах процессов ректификации принимаются следующие допущения, мало искажающие фактические условия протекания процесса, но значительно упрощающие расчет:
1. Разделяемая смесь следует правилу Трутона, согласно которому отношение мольной теплоты испарения или конденсации к абсолютной температуре кипения для всех жидкостей является приближенно величиной постоянной.
Для смеси, состоящей из двух компонентов:
rсм / Tсм = r1 / T1 = r2 / T2 - const. (5)
Отсюда следует, что при конденсации 1 кмоль ВК в колонне испаряется 1 кмоль НК, т.е. мольное количество паров, поднимающихся по колонне постоянно.
2. Принимается, что YD = xD , a YW = xW , т.е. пренебрегается укрепляющим действием дефлегматора в процессе конденсации в нем паров и пренебрегается исчерпывающим действием кипятильника.
3. Теплоты смешения компонентов разделяемой смеси равны нулю.
Кроме того, в расчетах исходят из того, что смесь, подлежащая раз-делению, поступает в колонну нагретой до температуры кипения на питаю-щей тарелке. В этом случае точка пересечения рабочих линий низа и верха колонны лежит на ординате x = хF .
1.2 Принцип работы ректификационного аппарата
Обычно ректификационный аппарат состоит из двух частей: верхней и нижней, каждая из которых представляет собой организованную поверхность контакта фаз между паром и жидкостью.
В нижней части исходная смесь взаимодействует с паром, начальный состав которого равен составу кубового остатка. Вследствие этого из смеси извлекается НКК.
В верхней ступени пар начального состава соответствующий составу исходной смеси, взаимодействует с жидкостью, начальный состав которой равен составу дистиллята. Вследствие этого пар обогащается НКК до требуемого предела, а ВКК извлекается из паровой фазы.