Ректификация

 

Если же нужно провести процесс ректификации с разделяющими агентами используют азеотропную ректификацию. При азеотропной ректификации (Рисунок 3) исходную азеотропную смесь подают на тарелку питания колонны, которая орошается, сверху разделяющим агентом С. Расход разделяющего агента в основном зависит от состава исходной смеси. Так, при азеотропной ректификации расход разделяющего компонента увеличивается с повышением в исходной смеси концентрации тех компонентов, которые отбираются в дистиллят. При экстрактивной ректификации, наоборот, расход разделяющего компонента возрастает при увеличении в исходной смеси концентрации компонентов, отбираемых в виде кубового остатка.

 

1 – колонна; 2 – конденсатор; 3 – отстойник; 4 – кипятильник 

 

Рисунок 3 – Схема установки для азеотропной ректификации

 

Наиболее сложной задачей  при использовании методов экстрактивной  и азеотропной ректификации является выбор разделяющего компонента, который  должен удовлетворять следующим  требованиям:

1)обеспечивать, возможно, большее  повышение коэффициента относительной  летучести разделяемых компонентов; 

2)достаточно легко регенерировать;

3)хорошо растворять разделяемые  компоненты для предотвращения  расслаивания жидкой фазы при  температурных условиях в колонне;

4)быть безопасным в  обращении, доступным, дешевым,  термически стабильным.

Обычно при выборе разделяющего агента основываются на справочных данных.

 

 

1.4 Виды ректификационных колон

В промышленности применяют  колпачковые, ситчатые, насадочные, пленочные трубчатые колонны и центробежные пленочные ректификаторы. Они различаются в основном конструкцией внутреннего устройства аппарата, назначение которого — обеспечение взаимодействия жидкости и пара. Это взаимодействие происходит при барботировании пара через слой жидкости на тарелках (колпачковых или ситчатых), либо при поверхностном контакте пара и жидкости на насадке или поверхности жидкости, стекающей тонкой пленкой.

Тарельчатые колпачковые колонны наиболее часто применяют в ректификационных установках. Пары с предыдущей тарелки попадают в паровые патрубки колпачков и барботируют через слой жидкости, в которую частично погружены колпачки. Колпачки имеют отверстия или зубчатые прорези, расчленяющие пар на мелкие струйки для увеличения поверхности соприкосновения его с жидкостью. Переливные трубки служат для подвода и отвода жидкости и регулирования ее уровня на тарелке. Основной областью массообмена и теплообмена между парами и жидкостью, как показали исследования, является слой пены и брызг над тарелкой, создающийся в результате барботажа пара. Высота этого слоя зависит от размеров колпачков, глубины их погружения, скорости пара, толщины слоя жидкости на тарелке, физических свойств жидкости и др. Следует отметить, что, кроме колпачковых тарелок, применяют также клапанные, желобчатые, S-образные, чешуйчатые, провальные и другие конструкции тарелок. В расчетах необходимо учитывать особенности конструкций тарелок.

Насадочные колонны получили широкое распространение в промышленности. Они представляют собой цилиндрические аппараты, заполненные инертными  материалами в виде кусков определенного  размера или насадочными телами, имеющими форму, например, колец, шаров  для увеличения поверхности фазового контакта и интенсификации перемешивания жидкой и паровой фаз. Массо- и теплообмен в колоннах с насадкой характеризуются не только явлениями молекулярной диффузии, определяющимися физическими свойствами фаз, но и гидродинамическими условиями работы колонны, которые определяют турбулентность потоков: ламинарный, промежуточный и турбулентный, при которых поток пара является сплошным, непрерывным и заполняет свободный объем насадки, не занятый жидкостью, в то время как жидкость стекает лишь по поверхности насадки. Дальнейшее развитие турбулентного движения может привести к преодолению сил поверхностного натяжения и нарушению граничной поверхности между потоками жидкости и пара. При этом газовые вихри проникают в поток жидкости, происходит эмульгирование жидкости паром, и массообмен между фазами резко возрастает.

Трубчатые пленочные ректификационные колонны состоят из пучка вертикальных труб, по внутренней поверхности которых  тонкой пленкой стекает жидкость, взаимодействуя с поднимающимся  по трубам паром. Пар поступает из куба в трубки. Флегма образуется в  дефлегматоре непосредственно на внутренней поверхности трубок, охлаждаемых  водой в верхней их части. Диаметр  применяемых трубок-5—20 мм. Эффект работы пленочного аппарата возрастает с уменьшением  диаметра трубок. Трубчатые колонны  характеризуются простотой изготовления, высокими коэффициентами массопередачи и весьма малыми гидравлическими сопротивлениями движению пара. Многотрубные (и длиннотрубные) колонны с искусственным орошением имеют значительно меньшие габаритные размеры и массу, чем тарельчатые.

Ситчатые колонны применяют главным образом при ректификации спирта и жидкого воздуха. Допустимые нагрузки по жидкости и пару для них относительно невелики, и регулирование режима их работы затруднительно. Массо- и теплообмен между паром и жидкостью в основном происходят на некотором расстоянии от дна тарелки в слое пены и брызг. Давление и скорость пара, проходящего через отверстия сетки, должны быть достаточны для преодоления давления слоя жидкости на тарелке и создания сопротивления ее отеканию через отверстия. Ситчатые тарелки необходимо устанавливать строго горизонтально для обеспечения прохождения пара через все отверстия тарелки, а также во избежание стекания жидкости через них. Обычно диаметр отверстий ситчатой тарелки принимают в пределах 0,8—3,0 мм.

 

 

1.5 Выбор ректификационной колоны

 

В ректификационных колоннах применяются сотни различных  конструкций контактных устройств, существенно различающихся по своим  характеристикам и технико-экономическим  показателям. При этом в эксплуатации находятся наряду с самыми современными конструкциями контактные устройства таких типов (например, желобчатые тарелки и др.), которые, хотя и обеспечивают получение целевых продуктов, но не могут быть рекомендованы для современных и перспективных производств.

При выборе типа контактных устройств обычно руководствуются  следующими основными показателями:

а) производительностью;

б) гидравлическим сопротивлением;

в) коэффициентом полезного  действия;

г) диапазоном рабочих нагрузок;

д) возможностью работы на средах, склонных к образованию смолистых  или других отложений;

е) материалоемкостью

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Теплообменные аппараты

 

 

Характеристика и назначение теплообменных аппаратов. Теплообменными аппаратами или теплообменниками называют устройства для передачи тепла от одних сред (горячих теплоносителей) к другим (холодным теплоносителем). В химической технологии теплообменные аппараты применяются для нагревания и охлаждения веществ в различных агрегатных состояниях, испарения жидкостей и конденсации паров, перегонки и сублимации, абсорбции и адсорбции, расплавления твердых тел и кристаллизации, отвода и подвода тепла при проведении экзо и эндо термических реакций. Соответственно своему назначению теплообменные аппараты называют подогревателями, холодильниками, испарителями, конденсаторами, дистилляторами и др.

Классификация теплообменных  аппаратов. По назначению теплообменники  подразделяются на нагреватели, холодильники, конденсаторы, испарители, деаэраторы, пароперегреватели, дистиляторы.

По принципу действия и  способу передачи теплоты теплообменники можно  подразделить на рекуперативные, регенеративные, смесительные.

Смесительные теплообменники (смесители) являются  более простыми компактными аппаратами, в которых  теплота передается от горячего теплоносителя  к холодному при их смешивании, например при нагреве холодной воды горячей водой или водяным  паром или при нагреве легко  разделяющихся веществ (газ –  жидкость,вода – масло и т.п). Для увеличения поверхности контакта теплоносителей используется их разбрвзгивание, перемешивание и т.п

В рекуперативных теплообменниках  теплота от горячего теплоносителя  к холодному предается через  разделяющую поверхность, т.е в этих аппаратах осуществляется теплопередача. Наиболее широко распрстранены трубчатые поверхностные рекуператоры – кожухотрубные и секционные.

В регенеративных теплообменниках (регенераторах) горячий теплоноситель  нагревает насадку,которая имеет развитую поверхность теплообмена, а холодный теплоноситель получает от нее теплоту. По схеме движения теплоносителей различают аппараты прямоточные, противоточные, с перекрестным током. В прямоточных аппаратах оба теплоносителя движутся параллельно в одном направлении; в противоточных – параллельно в противоположных направлениях; в аппаратах с перекрестным током – перпендикулярно; в аппаратах с комбинированным током - прямоточно и противоточно; в аппаратах с многократным перекрестным током – комбинированное движение сочетается с перекрестным. По числу ходов теплоносителя теплообменники могут быть одноходовыми и многоходовыми.

Необходимость увеличения ходов  теплоносителя диктуется следующим.

Интенсивность теплоотдачи, а зависит от скорости движения теплоносителя (при турбулентном а=r˃0,8). Одним из способов увеличения а, а следовательно, коэффициента теплопередачи является повышение скорости  движения теплоносителя. В теплообменнике один теплоноситель подается  трубы, а другой – в межтрубное постранство.

           Расход G(м³/с) теплоносителя в трубах

 

                                                  G=S_с nd_вn                                (1.1)                                           

 

где S_с – площадь поперечного сечения одной трубы, м²;

                n – число труб;

                 v – скорость теплоносителя в трубе, м/с.

 

Если расход теплоносителя  постоянен (G=const), то увеличение скорости v приводит к уменьшению числа труб n в аппарате. Площадь поверхности (м²) нагрева труб

                        

                                                      S_n=_dl n                                                   (1.2)

  

Из этого выражения  следует, что уменьшения количества труб n требует для сохранения той же поверхности нагрева увеличения длины труб.

При малом количестве труб в аппарате необходимую длину  целесообразнее создать в самом  аппарате, заставляя теплоноситель проходить за один проход через половину или меньшее число труб пучка.    Необходимая длина труб равна сумме последовательных ходов теплоносителя. Аппараты, в которых теплоноситель делает несколько ходов в трубах, называются многоходовыми.

 В межтрубном пространстве теплоноситель делает, как правило, один ход, увеличение скорости движения здесь достигается за счет перегородок.

Многоходовые теплообменники работают по схемам (числу ходов  в межтрубном и трубном пространствах):1-2,1-4,реже 1-3,1-6,1-8,2-2,2-4и.т.д.

 По переодичности действия теплобменники бывают непрерывного и переодического действия.

Теплообменники непрерывного действия более предпочтительны, так как лучше обеспечивают технологические процессы. По роду теплообменных поверхностей теплообменники могут быть трубчатыми или пластинчатыми, т.е. поверхность нагрева в теплообменниках может быть в виде труб или пластин разной формы. Наибольшее распространения получили трубчатые теплообменники, причем трубы могут быть прямыми, U-образными, в виде спирали, змеевика и пр.

 Оребренные трубы применяются, когда коэффицент теплоотдачи одного из теплоносителей, например газа, во много раз меньше коэффицента теплоотдачи другого теплоносителя.

Далее теплообменные аппараты подробно будут рассмотрены по принципу действия и способу передачи теплоты.

      Рекуперативные  теплообменники (рекуператоры). В различных  отраслях производства, в том  числе и химической, наибольшее распространение получили рекуперативные теплообменные аппараты, в которых теплота от горячего теплоносителя к холодному предается через глухую стенку. Таким образом, в этих аппаратах взаимодействие теплоносителей объединено во времени, но происходит в разных пространствах.

   Рекуперативные теплообменники подразделяются на кожухотрубные, секционные(труба  в трубе), погружные, и оросительные.

   Кожухотрубные теплообменники  являются одними из более распространённых  рекуператоров. Они компактны, неметаллоёмкие, в них достигаются достаточно высокие значения коэффициентов теплообмена.

   Однако они имеют ряд недостатков: сложность очистки поверхности нагрева, небольшие скорости теплоносителей в межтрубном пространстве.

   Кожухотрубный  теплообменник (Рисунок 5), состоящий из пучка труб расположенных внутри кожуха 2. Концы пучка закреплены в трубных решетках 3 путем развальцовки, сварки и пайки сальников. К кожуху с помощью фланцевого соединения присоединены две крышки 4. Кожух и трубки образуют два пространства для движения теплоносителей: трубное и межтрубное. Ввод и вывод теплоносителей в аппарате производится через штуцера 5.

   Схема движения  теплоносителей в кожухотрубчатом теплообменнике может быть прямоточной, противоточной, комбинированной. По прямоточной и противоточной схемам движения теплоносителей работают одноходовые аппараты. По комбинированной схеме движения теплоносителей работают многоходовые теплообменники, интенсивность переноса теплоты повышается с увеличением скорости движения теплоносителей в трубном и межтрубном пространствах теплообменниках и степени их турбулентности.