Расчет ректификационной колонны

ВВЕДЕНИЕ

       Выполнение курсового проекта способствует закреплению изученного материала, демонстрирует умения применять полученные знания. Кроме того, курсовое проектирование является подготовительным этапом к началу выполнения дипломного проекта. Эта работа необходима для успешной учебы.

     Ректификация – массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаев в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными аппаратам, используемым в процессах абсорбции. Поэтому методы подхода к расчету и проектированию ректификационных и абсорбционных установок имеют много общего. Тем не менее ряд особенностей процесса ректификации (различное соотношение нагрузок по жидкости и пару в нижней и верхней частях колонны, переменный по высоте коэффициент распределения, совместное протекание процессов массо- и теплопереноса) осложняет его расчет.

Одна из сложностей, с которой встречаются проектировщики, заключается в том, что в литературе отсутствуют обобщенные закономерности для расчетов кинетических коэффициентов процесса ректификации. В наибольшей степени это относится к колоннам диаметром более 800 мм, с насадками и тарелками, широко применяемыми в химических производствах. Большинство рекомендаций сводится к использованию для расчетов ректификационных колонн кинетических зависимостей, полученных при исследовании абсорбционных процессов. 
 

 

1. ТЕОРИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 ХАРРАКИЕРИСТИКА  ИСХОДНОГО СЫРЬЯ 

    Толуол - бесцветная жидкость с ароматическим запахом. Смешивается со спиртами, углеводородами, хорошо растворим в большинстве органических растворителей, растворимость в воде - низкая. По растворяющей способности подобен бензолу. Растворяет кремнийорганические смолы, полистирол. Применяется в смесевых растворителях для растворения эпоксидных, виниловых и акрилатных полимеров, хлоркаучука. Используется для экстракции нефтепродуктов (ISO 3735), высокооктановый компонент моторного топлива. Применяют в качестве растворителя для пластических масс, нитроцеллюлозных, алкидных лаков и эмалей, в качестве исходного вещества для получения многочисленных производных. Широко используется в лабораторной практике.

    Технические характеристики

    Таблица 1- Технические характеристики толуола

Наименование  показателя	Норма по ГОСТ 9880-76
Внешний вид и цвет	Прозрачная  жидкость, не содержащая посторонних  примесей и воды.
Плотность при 20°C, кг/см?, не менее	0,865-0,867
Пределы перегонки: 90% по объему (включая t° кипения  чистого толуола) t°, С°	max 0,7
Массовая  доля толуола, %	99,75
Массовая  доля примесей, %	0,25
-неароматических  углеводородов	0,10

 
 

 

-бензола		0,10
-ароматических  углеводородов		0,05
Окраска серной кислоты		0,51
Испытание на медной пластине		выдерживает
Реакция водной вытяжки	нейтральная
Испаряемость		Испаряется  без остатка
Массовая  доля общей серы		0,00015

          Меры предосторожности при работе с толуолом.

    Толуол  хранят в плотно закрытой таре. Работы с толуолом производить только в  проветриваемом помещении. 

    Ксилол  нефтяной - смесь трех изомеров ксилола и этилбензола - получается в процессе ароматизации нефтяных фракций.

    Применение

    Ксилол  нефтяной предназначен для выделения изомеров ксилола и применения в качестве растворителя лакокрасочных материалов. Из трех изомеров ксилола наилучшей растворяющей способностью обладает ортоксилол.

     
Ксилол нефтяной входит в состав смесевых растворителей 649, 650, Р-5, Р-12, РС-2, РКБ-1 и др., применяемых для растворения эпоксидных, виниловых, акриловых, кремнийорганических полимеров, нитроцеллюлозы, хлоркаучука.

    Гарантийный срок хранения ксилола нефтяного - 18 месяцев со дня изготовления.  
 

               

Технические характеристики ксилола

    Таблица 2- Технические характеристики ксилола

Наименование  показателя	Норма по ГОСТ 9410-78 для марки		Метод испытания
	А   ОКП 24 1451 0110	Б   ОКП 24 1451 0140
1. Внешний вид и цвет	Прозрачная  жидкость, не содержащая посторонних  примесей и воды, не темнее раствора 0,003 К2Cr2О7   в 1 дм?воды		По  ГОСТ 2706.1-74
2. Плотность при 20 °С, г/см3	0,862-0,868	0,860-0,870	По  ГОСТ 3900-85 и по п.4.3 настоящего стандарта
3. Пределы перегонки °С:			По  ГОСТ 2706.13-74
температура начала перегонки, не ниже:	137,5	137,0
98 % объема перегоняется при температуре,  не выше:	141,2	143,0

 
 

 

Таблица 2- технические характеристики ксилола 

95 % объема перегоняется в пределах  температуры, не выше:	3,0	4,5
4. Массовая доля основного вещества(ароматических  углеводородов C8H10), %, не менее:	99,6	Не  определяется	По  ГОСТ 2706.2-74
5. Окраска серной кислоты, номер образцовой шкалы, не более:	0,3	0,5	По  ГОСТ 2706.3-74
6. Содержание сероводорода и меркаптанов	Отсутствие	По  ГОСТ 2706.10-7
7. Реакция водной вытяжки	Нейтральная	По  ГОСТ 2706.7-74
8. Испаряемость	Испаряется  без остатка	По  ГОСТ 2706.8-74
9. Температура вспышки, °С, не ниже:	23	23	По  ГОСТ 6356-75

 

2. КЛАССИФИКАЦИЯ МАССОБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ.

 

    Данные  процессы характеризуются переходом  одного или нескольких веществ из одной среды (фазы) в другую.

    Всю совокупность массообменных процессов  можно разделить на следующие виды.

    Абсорбция – процесс поглощения газов или  паров из газовых или парогазовых  смесей жидкими поглотителями (абсорбентами).

    В промышленности абсорбцию применяют  для извлечения ценных компонентов  из газовых смесей или для очистки  этих смесей от вредных веществ и примесей.

    Адсорбция – процесс поглощения одного или  нескольких компонентов из газовой  смеси или раствора твердым веществом  – адсорбентом.

    Процессы  адсорбции широко применяются в  промышленности при очистке и  осушке газов, очистке и осветлении растворов, разделении смесей газов или паров.

    Различают физическую (обусловлена взаимным притяжением  молекул адсорбата и адсорбента) и химическую (химическое взаимодействие между молекулами поглощенного вещества и поверхностью молекулярного поглотителя) адсорбцию.

    Перегонка жидкостей применяется для разделения жидких однородных смесей, состоящих  из двух или большего числа летучих  компонентов. Это процесс, включающий частичное испарение разделяемой  смеси и последующую конденсацию  образующихся паров, осуществляемый однократно или многократно. В результате конденсации получают жидкость, состав которой отличается от состава исходной смеси.

    Различают следующие виды перегонки:

    •          дистилляция – процесс однократного частичного испарения жидкой смеси и конденсации образующихся паров. Ее обычно используют только для предварительного грубого разделения жидких смесей, а также для очистки сложных смесей от примесей;

    •          ректификация – процесс разделения однородных смесей жидкостей путем двухстороннего массообмена и теплообмена между жидкой и паровой фазами, имеющими различную температуру и движущимися относительно друг друга.

    Процессы  перегонки и ректификации находят  широкое применение в химической промышленности, где выделение компонентов  в чистом виде имеет большое значение, в спиртовой промышленности, производстве лекарственных препаратов, нефтеперерабатывающей промышленности и т.д.

    Сушка – процесс удаления влаги из различных  материалов. Предварительное удаление влаги осуществляется обычно более  дешевыми механическими способами (отстаиванием, отжимом, фильтрованием, центрифугированием), а более полное обезвоживание достигается сушкой.

    По  способу подвода тепла к высушиваемому  материалу различают следующие  виды сушки:

    •          конвективная сушка – осуществляется путем непосредственного соприкосновения высушиваемого материала с сушильным агентом, в качестве которого обычно используют нагретый воздух или топочные газы в смеси с воздухом;

    •          контактная сушка – осуществляется путем передачи тепла от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку;

    •          радиационная сушка – осуществляется путем передачи тепла инфракрасными лучами;

    •          диэлектрическая сушка – осуществляется путем нагревания в поле токов высокой частоты. Под действием электрического поля высокой частоты ионы и электроны в материале меняют направление движения синхронно с изменением знака заряда: диполярные молекулы приобретают вращательное движение, а неполярные молекулы поляризуются за счет смещения их зарядов. Эти процессы, сопровождаемые трением, приводят к выделению тепла и нагреванию высушиваемого материала;

    •          сублимационная сушка – это сушка в замороженном состоянии, при которой влага находится в виде льда и переходит в пар, минуя жидкое состояние при глубоком вакууме и при низких температурах.

    Процесс удаления влаги из материала протекает  в три стадии:

    •          при снижении давления в сушильной камере происходят быстрое самозамораживание влаги и сублимация льда за счет тепла, отдаваемого самим материалом;

    •          удаление основной части влаги сублимацией;

    •          удаление остаточной влаги тепловой сушкой.

    Высушиваемый  материал при любом методе находится  в контакте с воздухом, который  при конвективной сушке является и сушильным агентом.

    Экстракция  – процесс извлечения одного или нескольких компонентов из растворов или твердых тел с помощью избирательных растворителей (экстрагентов). При взаимодействии с экстрагентом в нем хорошо растворяются только извлекаемые компоненты и почти не растворяются остальные компоненты исходной смеси. Основным достоинством процесса экстракции в сравнении с другими процессами разделения жидких смесей (ректификация, выпаривание и др.) является низкая рабочая температура процесса.

 

3. НАЗНАЧЕНИЕ И СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ.

 

    Ректификация - (от позднелатинского rectificatio — выпрямление, исправление), 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 ректификационной колонне, причём часть выходящего из аппарата жидкости возвращается обратно после конденсации. 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 при дистилляции, 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. 
Сущность процесса ректификации сводится к выделению из смеси нескольких или, в нашем случае, одной жидкости с отличной от других температурой кипения в более или менее чистом виде. Это достигается нагреванием и испарением такой смеси с последующим многократным тепло- и массообменном между жидкой и паровой фазами; в результате часть легколетучего компонента переходит из жидкой фазы в паровую, а часть менее летучего компонента—из паровой фазы в жидкую. Важно! Ректификация позволяет получить чистый компонент без примесей, в отличие от обычной дистилляции, когда на выходе мы имеем не контролируемый набор различных веществ.