Задание. Рассчитать и спроектировать ректификационную колонну с клапанными тарелками для разделения под атмосферном давлением

Рассчитать и спроектировать ректификационную колонну с клапанными тарелками для разделения под атмосферном давлением, с расходом G_F т/ч бинарной смеси ацетон-толуол №1156 с концентрацией низкокипящего компонента X_F % (масс). Исходная смесь поступает в колонну при температуре кипения. Требование к частоте продуктов: X_D % (масс), X_W % (масс).

G_F =7 т/ч; X_F = 30% (масс); X_D = 93% (масс); X_W = 4% (масс)

РЕКТИФИКАЦИЯ - разделение жидких смесей на практически чистые компоненты, отличающиеся температурами кипения, путем многократных испарения жидкости и конденсации паров. Этот процесс имеет большое значение в химической технике. В качестве примеров достаточно указать на разделение природных углеводородов нефти и синтетических углеводородов с целью получения моторных топлив, на выделение индивидуальных газов из их смесей путем предварительно ожижения и последующей ректификации жидкой смеси.

Для ректификации обычно используют колонные аппараты - ректификационные колонны, в которых осуществляется многократный контакт между потоками паровой и жидкой фаз. Движущая сила ректификации - разность между фактическими (рабочими) и равновесными концентрациями компонентов в паровой фазе, отвечающими данному составу жидкой фазы. Парожидкостная система стремится к достижению равновесного состояния, в результате чего пар при контакте с жидкостью обогащается легколетучими (низко-кипящими) компонентами (ЛЛК), а жидкость - труднолетучими (высококипящими) компонентами (ТЛК). Поскольку жидкость и пар движутся, как правило, противотоком (пар-вверх, жидкость - вниз), при достаточно большой, высоте колонны в ее верх. части можно получить практически чистый целевой компонент. В зависимости от температур кипения разделяемых жидкостей ректификацию проводят под различным давлением: атмосферным (т. кип. 30-150 °С), выше атмосферного (при разделении жидкостей с низкими т-рами кипения, напр. сжиженных газов), в вакууме (при разделении высококипящих жидкостей для снижения их т-р кипения). Ректификацию можно осуществлять непрерывно или периодически. Для непрерывной ректификации применяют колонны, состоящие из двух ступеней: верхней-укрепляющей (в ней пар укрепляется, т.е. обогащается ЛЛК) и нижней - исчерпывающей (где происходит исчерпывание жидкой смеси, т. е. извлечение ЛЛК и обогащение ее ТЛК). При периодической ректификации в колонне производится только укрепление пара. Различают ректификацию бинарных (двухкомпонентных) и многокомпонентных смесей.

Ректификация— это тепломассообменный процесс, в результате которого конденсация составляющих пара происходит раздельно. Ректификационные установки по принципу действия делятся на периодические и непрерывные. В установках непрерывного действия разделяемая сырая смесь поступает в колонну и продукты разделения выводятся из неё непрерывно. В установках периодического действия разделяемую смесь загружают в куб одновременно и ректификацию проводят до получения продуктов заданного конечного состава. Промышленные ректификационные колонны могут достигать 80 метров в высоту и более 6,0 метров в диаметре. В ректификационных колоннах в качестве контактных устройств применяются тарелки, которые дали название химическому термину, и насадки. Насадка, заполняющая колонну, может представлять собой металлические, керамические, стеклянные и другие элементы различной формы. Конденсация осуществляется на развитой поверхности этих элементов.[1]

Тарелки. В колоннах с ситчатыми тарелками жидкость, поступившая на верхнюю тарелку, после контакта с паром сливается на нижнюю тарелку через переливное устройство. Пар движется навстречу жидкости из нижней части колонны вверх и проходит последовательно че­рез отверстия каждой тарелки. При нормальной работе жидкость не перетекает через отверстия в тарелках, т. к. поддерживается снизу давлением пара. При прохождении через жидкость пар образует на тарелке слой пены. Колонны с ситчатыми тарелками отличаются простотой устройства, высокой эффективностью и быстротой опорожнения от жидкости в случае возникновения аварийной ситуации.

В то же время эти колонны имеют недостатки: требуют строгой горизонтальности тарелок, а отверстия в тарел­ках легко забиваются отложениями.

Решетчатые (провальные) тарелки в отличие от ситчатых тарелок не имеют переливных патрубков, вследствие чего и пар и жидкость проходят через одни и те же отверстия (отверстия в решетча­тых и ситчатых тарелках делают круглыми диаметром 2–5 мм или щелевидными шириной 3–4 мм и длиной 200–300 мм и более). Решетчатые та­релки имеют те же достоинства и недостатки, что и ситчатые, и к тому же работают лишь в ограниченном диапазоне нагрузок по пару во избежание возникновения режима «захлебывания» колонны, при котором движущий­ся снизу вверх по колонне пар препятствует перетеканию жидкости вниз с тарелки на тарелку.

Клапанные тарелки характеризуются высокой стабильностью работы в ши­роком диапазоне нагрузок по пару. Жидкость переливается с тарелки на тарелку по переливным трубам 4, а пар проходит через отверстия в тарелках, в которых находятся клапаны 3. При снижении паровой нагрузки некоторые клапаны опускаются, перекрывая отверстия, что позволяет обеспечить заданный режим барботажа пара через слой жидкости в открытых отверстиях. При прохождении пара через отверстия клапаны перемещаются и вибрируют, что способствует самоочищению тарелок от образующихся отложений кокса, термополимеров, накипи и других веществ.

Струйные тарелки изготовляют в виде наклонных параллельных лопаток, проходя между которыми пар меняет направление в сторону движения жидкости на тарелке. Это позволяет увеличить кинетическую энергию жидкости для ускорения ее перемещения к сливным устройства и снизить гидравлическое сопротивление. Допустимая скорость движения пара на этих тарелках почти в 2 раза больше, чем на колпачковых. Независимо от типа тарелок к их изготовлению и монтажу предъявляются жесткие требования.[1]