Ректификация бинарных смесей

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ТЮМЕНСКИЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра переработки нефти и газа

Зачётный проект

Ректификация бинарных смесей

Выполнили:

студенты гр. ХТб-20-1

Старовойтова О.М., Быкова Е.С.,Тустугашева А.А., Воронина М.Б., Айсин Т.У., Абабкова В.А., Кайдаулова А.

Проверил:

Жданович М.Ф.,

основы инженерного проектирования

Тюмень, 2021

Введение

Ректификация - массообменный процесс разделения однородных жидких смесей на практически чистые компоненты или фракции, отличающиеся температурами кипения, путем противоточного взаимодействия жидкости и пара. Ректификация широко применяется в химической и смежных отраслях промышленности, направленных для получения ректификованного этилового спирта, разделения смесей бензол - толуол, выделения различных фракций углеводородов из нефти, получения компонентов воздуха.

Движущая сила процесса ректификации - разность между фактическими и равновесными концентрациями компонентов в паровой фазе, отвечающими данному составу жидкой фазы. При движении вверх пар постоянно обогащается легколетучим (низкокипящим) компонентом, а жидкость при движении вниз - труднолетучим (высококипящим) компонентом. бинарная смесь ректификационная установка

Ректификационная колонна является одним из центральных аппаратов технологической установки по первичной переработке нефти или нефтепродуктов. Применение данного аппарата вызвано необходимостью реализации простого способа разделения нефти или ее продуктов на фракции в зависимости от их температур кипения. Такой способ получил название ректификации, а аппарат для проведения данного процесса - ректификационной колонной.

Тепломассообмен между противоточно движущимися неравновесными паровой и жидкой фазами в ректификационных осуществляется на контактных устройствах (КУ), которые часто называются “тарелками”. В ректификационных колоннах поток парового орошения создается нагревательными элементами (печь, ввод перегретого водяного пара), а жидкого - конденсационными устройствами (холодильники - конденсаторы, холодные циркуляционные орошения). В результате взаимодействия между паровой и жидкой фазами на КУ в соответствии с законами термодинамического парожидкостного равновесия паровая фаза обогащается легкокипящими, а жидкая - тяжелокипящими компонентами. Поэтому именно КУ и определяют в значительной мере общую эффективность процесса разделения. Для нефтяных колонн вообще и для колонн АВТ, в частности, можно выделить ряд присущих им характерных особенностей: очень высокая производительность по сырью (до 1000 м3/ч для атмосферной колонны); подвод тепла в разделительную систему осуществляется огневым нагревом сырья в трубчатой печи (основная и вакуумная колонны АВТ), вводом перегретого водяного пара (практически все колонны) и циркуляцией «горячей струи» (отбензиневающая колонна АТ); последнее обстоятельство предполагает применение специальных сепарационных зон для разделения паровой и жидкой фаз; в схеме ректификации присутствуют выносные отпарные секции, а также циркуляционные орошения, что предполагает возможность организации на КУ боковых отборов жидкой фазы и подводов как паровой, так и жидкой фаз в нескольких точках по высоте колонны. Эти особенности должны учитываться при выборе конструкций контактных устройств в задачах проектирования блоков разделения нефти.

Для осуществления процесса ректификации в колонных аппаратах обязательно используют контактные устройства: Насадочные; Тарельчатые; Роторные. Роторные колонны не получили большого распространения, к то время как тарельчатые и насадочные имеют большую популярность.

Цель работы - изучить процесс ректификации и ознакомиться с теоретическими материалами по данной теме

Задачи:

-составить блок схему

-составить операционную схему

-составить принципиальную схему ректификационной установки для разделения бинарной смеси

-рассчитать материальный баланс установки

-выбрать наиболее актуальную ректификационную схему исходя из собранных материалов.

1. Обзорная часть

1.1 Патенты

1.1.1 Устройство для ректификации спирта с применением эжектора

Устройство для ректификации спирта с применением эжектора, содержащееректификационную колонну, теплообменник, эжектор, отделитель жидкости,отличающееся тем, что межзмеевиковое пространство теплообменника соединено слинией подачи пара из котельной, а вход змеевика теплообменника соединен с линиейподачи в него жидкого продукта из теплообменника куба ректификационной колонны,при этом выход из змеевика соединен с линией подачи жидкого продукта в соплоэжектора, который входит в камеру смешения, соединенную трубопроводом подачипара с верхней частью ректификационной колонны, напорная часть эжектора в видедиффузора соединена трубопроводом с отделителем жидкости, нижняя часть которогоснабжена трубопроводом возврата части готового продукта в верхнюю частьректификационной колонны, а верхняя его часть соединена линией подачи пара втеплообменник куба ректификационной колонны.

Рисунок 1.Принципиальная схема ректификации спирта с применением эжектора.

1.1.2 Устройство оборота воды при ректификации спирта

Изобретение относится к пищевой водоснабжении. Изобретение обеспечивает промышленности, в частности к оборудованию для повышение надежности работы ректификационного ректификации спирта. Устройство содержит по аппарата при одновременной экономии воды меньшей мере один ректификационный аппарат с трубопроводом отработанной воды и трубопроводом подачи воды и систему оборотного.

Рисунок 2. Устройство оборота воды при ректификации спирта

1.1.3 Способ обезвоживания этанола экстрактивной ректификацией сэтиленгликолем

Изобретение относится к области химической технологии, в частности к получению этанола из синтетического спирта. Способ обезвоживания этанола экстрактивной ректификацией с этиленгликолем в одной сложной колонне, в котором сложная колонна имеет боковую укрепляющую секцию, состоящую из 3 т.т., а основная колонна содержит 21 т.т., флегмовые числа в основной колонне и в боковой секциисоставляют (0,33-0,38) и (0,11-0,15) соответственно с отбором в дистилляте основной колонны этанола,в кубе- этиленгликоля, который возвращают на орошение на 3-ю тарелку основной колонны, а в дистилляте боковой секции - воды. Изобретение позволяет получить этанол и воду более высокого качества и снизить энергетические затраты на 20,1% по сравнению со схемой-прототипом при одинаковом соотношении исходная смесь.

1.1.4 Ректификационная установка

Изобретение относится к ректификационным установкам, предназначенным для массообменных процессов в системе "пар - жидкость", и может найти применение в химической, нефтехимической, коксохимической, металлургической, машиностроительной и других отраслях промышленности, а также в промышленной экологии для очистки уксусной кислоты от примесей. Ректификационная содержит две размещенные раздельно ректификационные колонны, каждая из которых выполнена в виде цилиндрической обечайки с контактными устройствами. Верхняя часть первой обечайки соединена с нижней частью второй обечайки, а нижняя часть второй обечайки с помощью насоса с верхней частью первой обечайки. Установка содержит кипятильник, входи выход которого соединены с нижней частью первой обечайки, и дефлегматор, вход которого соединен с верхней частью второй обечайки, а выход соединен с емкостью дистиллята, а также через точку вывода флегмы из дефлегматора с помощью гидрозатвора и вентиля с верхней частью первой обечайки и через вентиль с верхней частью второй обечайки, средняя часть которой соединена с помощью насоса с емкостью исходной смеси. В установку включена емкость кубового остатка, вход которой соединен с нижней частью первой обечайки. Соединения конструктивных элементов ректификационной установки выполнены в виде трубопроводов. Технический результат: снижение материальных затрат и времени на пуск ректификационной колонны. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Рисунок 3. Экстрактивной ректификацией с этиленгликолем

1.1.5Вакуум-прерыватель для ректификационных колонн воздухоразделительных установок

Изобретение относится к криогенной промышленности и может быть использовано для ректификации низкокипящих фракций. Вакуум-прерыватель для ректификационных колонн воздухоразделительных установок включает верхний и нижний резервуары, связанные между собой центральной вертикальной трубой, установленной внутри резервуаров, и стеклянной обводной трубкой. Нижний резервуар оснащен штуцером для соединения с ректификационной колонной. Вокруг нижнего резервуара размещен с образованием полости кожух, который оснащен входным и выходным штуцерами для подачи и отвода теплоносителя, расположенными тангенциально к кожуху соответственно в верхней и нижней его части. В полости установлены винтообразные направляющие. Верхний резервуар снабжен клапанами прямого и обратного действия. Технический результат: повышение эффективности, надежности, взрывобезопасности ректификационных колонн. 1 ил.

Рисунок 4. Вакуум-прерыватель для ректификационных колонн воздухоразделительных установок

1.2 Статьи

1.2.1Ректификация бинарных смесей методами простой дистилляции

Смесь можно разделить на множество фракций разного состава, но невозможно разделить на индивидуальные компоненты. Такая задача может быть решена разве что с помощью множества последовательных дистилляций, но в этом случае выход как низкокипящего, так и высококипящего компонента будет очень мал, а сама установка будет громоздкой. Часть дистиллята можно отводить в качестве целевого продукта, а остальную часть возвращать в верхний куб для поддержания в нем концентрации низкокипящего компонента, обеспечивающей необходимый равновесный состав уходящих паров. Для сохранения стабильного режима в систему необходимо непрерывно подавать поток исходной смеси, отводя из нижнего куба высококипящий кубовый остаток. Исходную смесь при этом целесообразно вводить в тот промежуточный куб, где содержится смесь такого же состава. В идеальном случае температуры жидкости и пара при их контакте в каждом кубе выравниваются, составы обеих фаз остаются равновесными, низкокипящий (легколетучий) компонент диффундирует из жидкости в пар, а высококипящий -- из пара в жидкость. Такой контакт, завершающийся установлением фазового равновесия, называется теоретической тарелкой. В вышеприведенном примере число теоретических тарелок равно числу кубов. Рассмотренный процесс разделения называется ректификацией. На практике система из множества дистилляционных кубов заменяется более эффективными структурами, насадочными, пленочными, барботажными ректификационными колоннами

Рисунок 5. Ректификация бинарных смесей методами простой дистилляции

1.2.2 Ректификация бинарной смеси в присутствии инертного газа

Головка полной конденсации с разделенными потоками пара и жидкости состояла из пароводной трубки, змеевикового холодильника и качающейся воронки для отбора проб дистиллята. Обогрев колбы-испарителя осуществлялся при помощи электропроводящего покрытия на внешней поверхности колбы. Температура жидкости в кубе, а также пара в паропроводной трубке контролировалась посредством лабораторных стеклянных термометров.

Рисунок 6. Ректификация бинарной смеси в присутствии инертного газа

1.2.3 Ректификация бинарных двухфазных смесей разной физико-химической природы: нормальный режим и отклонения от него

В представленной работе на примере ректификации бинарной двухфазной смеси рассматривается нормальный режим непрерывной ректификации, а также отклонения от него, которые часто встречаются на практике. При анализе этих отклонений доказано, что они приводят к повышению расхода энергии на проводимый процесс. В промышленности колонны, разделяющие бинарные смеси, как правило, являются замыкающими аппаратами в технологической схеме разделения многокомпонентных смесей, получающихся в реакторе в результате протекания целевых и побочных реакций. Ректификация бинарных смесей по сравнению с многокомпонентными является наиболее простым процессом. В связи с этим основная часть монографий, особенно в тридцатых-сороковых годах прошлого столетия, начинается с рассмотрения бинарной ректификации, хотя рассматриваются и многокомпонентные смеси

Рисунок 7. Ректификация бинарных двухфазных смесей разной физико-химической природы

2. Технологическая часть

Особенности постановки и решения проектной и поверочной задач на примере расчета ректификации бинарной смечи. Рассматривая процесс ректификации, следует отметить, что использование степеней свободы колонны при различной постановке задачи ее расчета имеет свою специфику. В связи с этим, цель данной работы состоит в том, чтобы в рамках различной постановки задачи расчета ретификации установить взаимосвязь между типом фиксируемых переменных (спецификации задачи) и самой процедурой расчета. Прежде чем перейти к анализу подобной взаимосвязи, рассмотрим общий подход, отражающий характер соответствия между фиксируемыми рабочими параметрами колонны и числом степеней ее свободы при проектной и поверочной постановке задачи.

Расссмотрим простую ректификационную колонну, включающую N ступеней разделения, парциальный кипятильник, а также полный конденсатор, одновременно выполняющий функцию отделителя флегмы. В этом случае число степеней свободы равно: C+2N+9

Рисунок 8. Принципиальная схема ректификации для составления материального и теплового балансов ректификации:

1-куб; 2-колонна; 3-разделительный приемник;4-дефлегматор.

Ректификационная установка состоит из колонной части, в которой расположены тарелки или насадка, и кипятильника (куба) -- кожухотрубчатыго или змеевикового теплообменника. Кипятильник может быть встроенным в нижнюю колонную часть либо вынесенным за пределы колонны. Наибольшее распространение получили тарельчатые и насадочные ректификационные колонны .В колонну ректификационной установки поступает исходная смесь, которая в ре-зультате ректификации разделяется на дистиллят и кубовый остаток. Выходящие из колонны пары конденсируются в дефлегматоре и попадают в разделительный приемник 3, где разделяютсяна две части: одна часть, так называемая флегма Ф, направляется на орошение колонны, а другая отбирается в виде продукта -- дистиллята.

2.1 Блок-схема

Рисунок 9. Блок схема для процесса ректификации:

1-подготовка сырья; 2-нагрев сырья; 3-испарение; 4-конденсация.

2.2 Операционная схема

Рисунок 10. Принципиальная схема для процесса ректификации

Принципиальная схема

Рисунок 11. Принципиальная схема для процесса ректификации:

1-емкость для исходной смеси; 2,9-насосы; 3-теплообменник;

4-кипятильник; 5-ректификационная колона; 6-дефлегматор;

7-холодильник дистиллята; 8-емкость для сбора дистиллята;

10-холодильник кубовой жидкости; 11-емкость для кубовой жидкости.

3. Расчетная часть

Рассчитать материальный баланс установки при массовом расходе сырья 10000 кг/ч, если содержание НКК в смеси - 0,43; дистилляте - 0,94; остатке - 0,06, доля отгона - 0,63.

Формула для расчета массового расхода сырья:

F=?y+xW

где F - массовый расход сырья; W- остаток; D - дистиллят.

Формула для расчета доли отгона:

e =

Формула для расчета выхода продукта:

D=eЧF

D=0,63Ч10000=6300 кг/ч

Формула для расчета остатка:

W=F-D

W=10000-6300=3700 кг/ч

По формуле для расчета массового расхода сырья:

F=0,194+0,06=1

Заключение

Ректификация -- один из самых энергоемких химико-технологических процессов. Эксплуатационные затраты, связанные с расходом энергии, могут достигать при ректификации 70 % общей стоимости разделения, поэтому при проектировании ректификационных установок необходимо решать задачу рационального сочетания флегмового числа, от которого зависит расход энергии, диаметра и высоты колонны, определяющей капитальные затраты. Оптимальная схема разделения должна отвечать минимуму затрат. При выборе схемы, состоящей из ряда колонн, снижение энергетических затрат возможно за счет рекуперации тепловых потоков благодаря различию температур кипения продуктов разделения (например, высококипящие компоненты можно использовать для подогрева низкокипящих).

Большая экономия энергии может быть достигнута путем применения схемы с тепловым насосом. В данном случае пары дистиллята, выходящие из колонны, сжимаются компрессором до давления, соответствующего требуемой температуре его конденсации в перегонном кубе колонны; при этом отпадает необходимость в дефлегматоре и сокращаются расходы пара и воды. С целью экономии капитальных затрат иногда выгодно использовать вместо нескольких простых колонн одну сложную колонну с отпарными секциями и боковыми отборами отдельных фракций. Несмотря на все большее распространение других альтернативных процессов и методов разделения жидких бинарных смесей (испарение через мембрану, противоточная кристаллизация с непрерывным массообменом, экстракция), ректификация по-прежнему сохраняет свое лидирующее значение.

Список литературы

1. Научная электронная библиотека «eLibrary» - https://elibrary.ru/

2. Федеральный институт промышленной собственности - https://www.fips.ru

3. Александров И.А, Ректификационные и абсорбционные аппаратыМетоды расчета и основы конструирования : научное издание / И.А. Александров., перераб. - М.: Химия, 2012. - 208 с.

4. Скобло, А.И. Процессы и аппараты нефтегазопереработки инефтехимии.: учебник для вузов., перераб. и доп. / А.И.Скобло, Ю.К.Молоканов, В.А.Владимиров, В.А.Щелкунов. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2011.- 677с.

Размещено на Allbest.ru