VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Введение

Одним из основных направлений развития химической промышленности является создание мощного современного производства пластических масс и каучуков. Важное значение приобретают мономеры, например, пиперилен и изопрен.

Химическая промышленность – одна из ведущих отраслей тяжёлой индустрии, является научно-технической и материальной базой, которая играет исключительно важную роль в развитии производственных сил, укреплении оборонной мощи государства и обеспечении жизненных потребностей общества.Она объединяет целый комплекс отраслей производства, в которых преобладают химические методы переработки предметов общественного труда (сырья, материалов), позволяет решить технические, технологические и экономические проблемы, создавать новые материалы с заранее заданными свойствами, заменять металлы в строительстве, машиностроении, повышать производительность и экономить затраты общественного труда.

На базе комплексного использования разнообразного сырья и утилизации производственных отходов химическая индустрия образует сложную систему

связей со многими отраслями промышленности и комбинируется с переработкой нефти, газа, угля, с черной и цветной металлургией, лесной промышленностью. Из таких сочетаний складываются целые промышленные комплексы. В основе производственного процесса в химической промышленности чаще всего лежит преобразование молекулярной структуры вещества.

Нефтяное и газовое сырье стало основным для химической промышленности. Это объясняется, прежде всего, его техническими и экономическими преимуществами.

1 Технологическая часть

1.  

   1. Теоретические основы процесса

В условиях химических производств при синтезе продуктов часто получают смеси жидких компонентов, из которых необходимо выделить затем тот или иной компонент в чистом виде. Это достигается ректификацией.

Ректификация известна с начала XIX века как один из важнейших технологических процессов главным образом спиртовой и нефтяной промышленности. В настоящее время ректификацию во всем мире применяют в самых различных областях химической технологии, где выделение компонентов в чистом виде имеет весьма важное значение (в производствах органического синтеза, изотопов, полимеров, полупроводников и различных других веществ высокой чистоты). Ректификация — это процесс многократного испарения и конденсации, в ходе которого исходная смесь разделяется на 2 или более компонентов, и паровая фаза насыщается легколетучим (низкокипящим) компонентом (-тами), а жидкая часть смеси насыщается тяжелолетучим (высококипящим) компонентом (-тами). [7]

Ректификация – разделение жидкой смеси на компоненты путем массообмена между встречными потоками пара и жидкости. Ректификацию широко применяют, так как при ее проведении получают из смеси компоненты необходимой чистоты, чего нельзя достичь другими способами разделения смесей.

Смеси жидких компонентов, встречающиеся на практике, могут быть трех видов:

1. смеси жидкостей, взаимно растворимых при любых соотношениях (например, этиловый спирт-вода, бензол-толуол и т.д.)

2. смеси жидкостей, нерастворимых одна в другой (например, бензол-вода, масло-вода и т.д.)

3. смеси частично растворимых жидкостей (например, ацетон-вода,

фенол-вода и т.д.)

В зависимости от вида смеси и требуемой чистоты выбирают на практике способы их разделения. Смеси жидкостей, нерастворимых одна в другой из-за разности их плотностей, легко разделяют отстаиванием в специальных разделительных сосудах.

Для грубого разделения двух взаимно растворимых жидкостей применяют простую перегонку, основанную на различной температуре кипения компонентов данной смеси. При кипении смеси компонент с более низкой температурой кипения (высококипящий компонент - ВК) остается в жидкости.

При конденсации паров получают дистиллят, содержащий преимущественно низкокипящий компонентв остатке, т.е. неиспаренной жидкости содержится в основном высококипящий компонент.

Для точного разделения смесей взаимно растворимых или частично растворимых компонентов применяют ректификацию, которую проводят в аппарате, называемом ректификационной колонной. В нижней части колонны (кубе), как и при простой перегонке, кипит смесь.Пары, содержащие в основном низкокипящий компонент (НК), поднимаются вверх. С помощью специальных барботажных устройств пары соприкасаются с движущейся сверху аппарата флегмой (дистиллятом), состоящей из НК на входе в колонну.

При соприкосновении паров и дистиллята происходит массообмен за счет многократной конденсации паров и испарения жидкости: из паров конденсируется преимущественно высококипящий компонент (ВК), а из жидкости испаряется в основном НК. В результате поднимающиеся пары обогащаются НК, а стекающая флегма-ВК.

После вывода и конденсации паров в специальном конденсаторе, называемом дефлегматором, получают практически чистый НК, часть которого в виде флегмы используют для орошения колонны.

В кубе остается кубовый остаток, содержащий в основном ВК.

[1, с.220]

Сущность процесса ректификации можно охарактеризовать как разделение

жидкой смеси на дистиллят и остаток в результате противоточного взаимодействия жидкости с парами.

Процессы ректификации осуществляются периодически или непрерывно при различных давлениях: под атмосферным давлением, под вакуумом (для разделения смесей высококипящих веществ),а также под давлением больше атмосферного.

При ректификации основными рабочими параметрами являются рабочее давление и температура, поэтому законами Рауля и Дальтона установлена зависимость между давлением и содержанием компонентов в жидкой смеси.

Закон Рауля: парциальное давление пара каждого компонента зависит от температуры и содержания данного компонента и прямо пропорционально молярной доле данного компонента в смеси, т.е.

рНК=РНКх;рВК=РВК(1-х)

(4)

где рНК ирВК- парциальное давление НК и ВК над смесью в условиях равновесия; РНК и РВК - давление паров чистых НК и ВК при конкретной температуре (принимают по таблицам в зависимости от температуры).

Закон Дальтона: полное давление газовой или паровой смеси равно сумме парциальных давлений компонентов:

Р=рНК+рВК

(5)

Из законов Рауля и Дальтона выведены формулы для определения х и у:

у=РНКР	(6)
х=Р-РВКРНК- РВК	(7)

Используя эти формулы и выбрав значения РНК и РВК для ряда точек в интервале температур кипения чистых НК и ВК, строят равновесную кривую, необходимую для расчета ректификационных колонн.

При рабочих условиях переход НК происходит не до равновесного состояния, а по так называемым рабочим линиям

Рисунок 1.2.1 Схема массообмена (а) и график равновесного процесс (б)y*=f(x)

[1, с.223]

Согласно правилу фаз, давление паров чистой жидкости является однозначной функцией температуры насыщения, поэтому почти все данные о давлении паров представляют в виде зависимости:

(8)

Давление насыщенного пара может быть связано с любым другим интенсивным свойством насыщенной жидкости (или пара), однако температура насыщения в этом случае наиболее удобна. Если паровая фаза находится в равновесии с жидкой фазой, то условие равенства химических потенциалов, температуры и давления обеих фаз приводит к уравнению Клаузиуса-Клапейрона:

(9)

Конкретные методы разделения изопрен-пиперилена

Пиперилен и изопрен можно отделить друг от друга, переводя их в сульфоны и разлагая при разных температурах. Удобство этого метода заключается в том, что олефины с сернистым ангидридом не реагируют; мономерные сульфоны остальных диенов разлагаются при более низких

температурах, а полимерные сульфоны, например полициклопентадиенсульфон,

можно легко отделить. По окончании реакции избыток сернистого ангидрида с парафинами и олефинами сбрасывают. Полисульфон циклопентадиена является кристаллическим соединением даже при температурах свыше 180°, поэтому при указанной температуре его механически отделяют от мономерных расплавленных сульфонов, которые кристаллизуются при охлаждении. Пипериленсульфон невозможно отделить от изопренсульфона кристаллизацией. Однако, поскольку он разлагается при более низкой температуре, нежели сульфон изопрена, смесь нагревают до температуры несколько выше 115° и выделяющийся пиперилен отгоняют. Оставшийся чистый изопренсульфон при нагревании до 135—140° разлагается с образованием изопрена. Мономер очищают для удаления сернистого ангидрида, промывая его щелочью в специальной ванне, и высушивают.

1.2 Сравнительная характеристика аппаратов

Процесс ректификации проводят в ректификационных колоннах, которые по конструкции внутренних устройств делятся на тарельчатые, в которых взаимодействие пара и жидкости осуществляется на специальных барботажных устройствах (тарелках); насадочные; ротационно-пленочные.

[1, с.221]

Ректификационные колонны – это более компактные аппараты, в которых достигается значительно более экономичное, полное и четкое разделение смесей на компоненты.

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[7].

Насадки и тарелки, являющиеся контактными устройствами, создают условия для взаимодействия пара и жидкости. Чтобы это происходило максимально активно, необходимо чтобы тарелки и насадки были неравновесными. При контактировании потоков величина неравновесности должна уменьшаться. В правильном контактном устройстве неравновесность должна быть равна нулю, чтобы процесс массообмена прекратился. Неравновесность – это отклонение состояния среды от равновесия и меняющего при этом свои термодинамические свойства.

Для интенсификации массообмена и улучшения разделения были предложены аппараты, работа которых основана на принципе использования центробежной силы (колонны с вращающейся трубой, горbзонтальные аппараты с вращающимся спиралевидным ротором).

1—кожух; 2—лента ротора; 3. 4—ситчатые цилиндры.

Рисунок 1.2.1. Центробежный пленочный ректификационный аппарат

1,2- ректификационные колонны, 3,4- насосы, 5- кипятильники, 6- конденсаторы; I- охлаждающая вода, II- греющий пар, III-конденсат, IV- восполнение потерь экстрагирующего агента.

Рисунок 1.2.2. Схема установки для экстрактивной ректификации

Эти ректификационные колонны применяются для того чтобы разделить близкокипящие компоненты в присутствии надлежаще подобранного растворителя. В качестве разделяющего агента такого вещества, применяется вещество которое обеспечивает отгонку разделяющего агента.

1 -куб; 2-колонна; 3-дефлегматор; 4-делитель потоков; 5-холодильник; 6, 7-сборники.

Рисунок 1.2.3. . Ректификационная установка периодического действия:

1 – верхняя часть колонны; 2 – нижняя часть колонны; 3 – куб колонны; 4 – дефлегматор; 5 – отделитель флегмы; 6 – холодильник; 7 – сборник готового продукта.

Рисунок 1.2.4. Схема ректификационной установки непрерывного действия

Тарелки – внутренние барботажные устройства, которые обеспечивают непосредственный контакт между паровой и жидкой фазами, необходимый для массообмена при ректификации.

Тарельчатые колонные аппараты комплектуют тарелками следующих типов: стальными с капсульными круглыми колпачками (ТСК-I, ТСК III, ТСК-Р, однопоточные; ТСК – РЦ, ТСК – РБ – двухпоточные); с тунельными колпачками (ТСТ – одно- и двухпоточные); с чугунными колпачками (ТЧК – однопоточные); с медными колпачками (ТМК-однопоточные); с s-образными элементами; ситчатыми с отбойными элементами (ТСБ – II – одно- и двухпоточные); клапанными одно- и двухпоточными; с керамическими колпачками (ТКК – однопоточные); решетчатыми.

Наибольшее применение находят колпачковые, ситчатые и клапанные тарелки.

Тарелки стальные с капсульными круглыми колпачками типа ТСК-Iизготовляют в соответствии с ОСТ 26-01-282-71 для колонных аппаратов диаметром 400; 500; 600; 800; 1000 мм, корпус которых собирают из царг.

Основной частью такой тарелки (рис. 1.2.5) является основание 2-стальной отбортованный диск толщиной 4 мм с отверстиями для установки паровых патрубков 3 и сигментной сливной трубы 1. Над паровыми патрубками установлены стандартные колпачки 4. Для создания необходимого уровня жидкости тарелка снабжена сливной перегородкой 10, к которой винтами прикреплена регулировочная планка 9. Перегородка 5 образует так называемый входной карман, в который погружается сливная труба выше расположенной тарелки. Нижняя тарелка установлена на кольце 15, приваренном к царге. Точность горизонтальной установки обеспечивается регулировочными винтами 14.

Для установки располагаемой выше тарелки служат стойки 7, имеющие опорные плитки 8. Таким образом заполняют всю царгу (три-пять тарелок).

Зазор между бортом основания тарелки и царгой уплотняют установкой сальниковой наюивки 13 и зажатием ее прижимным кольцом 6 с помощью шпилек 11 и скоб 12.

На рисунке 1.2.6.показаны конструкции стандартных колпачков, изготовляемых в соответствии с ГОСТ 9634 – 68 в двух исполнениях (I-нерегулируемые по высоте и II-регулируемые), из углеродистой стали Ст3кп (слева на рисунке) и легированных сталей 08Х13, 12Х18Н10Т; 10Х17Н13М2Т.

Колпачки 1 прикреплены к паровым патрубкам 2 специальными болтами 5, шайбами 3 и гайками 4. По краю колпачок имеет прорези шириной 4 мм и высотой 15; 20 или 30 мм.

Жидкость через сегментную сливную трубу (рисунок 1.2.6.) заполняют тарелку на уровень, определяемый положением регулировочной планки 9. Колпачки своими прорезями погружены в жидкость. Пар проходит снизу через паровые патрубки, щели колпачков и барботирует сквозь слой жидкости; при этом происходит массообмен. Жидкость переливается на ниже расположенную тарелку, а пар идет вверх. Расстояние между тарелками принимают из ряда значений 200; 250; 300; 350; 400; 450 и 500 мм.

Рисунок 1.2.5. Тарелка ТСК-I

Рисунок 1.2.6. Капсульные колпачки

Разборная конструкции тарелки позволяет вести монтаж и демонтаж через лазы. Расстояние между тарелками 300; 350; 400; 450; 500; 600; 700; 800; 900; 1000 и 1200 мм.

Тарелки стальные разборные двухпоточныеколпачковые изготовляют в соответствии с нормалями ОН 26-01-4-64 и ОН 26-01-126-69 типа ТСК-РЦ (с центральным сливом) и ТСК-РБ (с боковым сливом) для колонных аппаратов диаметром от 1400 до 5000 мм.

Тарелки медные колпачковые типа ТМКизготовляют в соответствии с нормалями МН 5257-64, МН 5259-64 и МН 5261-64 для медных колонных аппаратов диаметром от 500 до 2000 мм. Материал тарелок и их деталей – медь М3. Констуктивно эти тарелки аналогичны тарелкам типа ТСК-I.

По МН 5263-64 и МН 5264-64 изготовляют одноколпачковые медные цельные тарелки типа ТМО для аппаратов диаметром от 500 до 1600 мм.

Ректификационные тарелки с туннельными колпачками типа ТСТ изготовляют по отраслевым нормалям для колонн диаметром свыше 1400 мм, применяемых в нефтеперерабатывающей промышленности.

Рисунок 1.2.7Тарелка сs-образным элементами

Тарелки собирают из отдельных продольных секций, штампованных из листовой стали и уложенных на опорные уголки. Борта двух рядом закрепленных секций образуют между собой длинную вертикальную щель (паровой канал), над которой с помощью двух шпилек закрепляют туннельный (желобчатый) колпачок. Колпачок имеет зубчатые края. Изготовляют колпачки штамповкой из углеродистой или легированной стали длиной 760; 810; 1092; 1170; 1400; 1600 и 1840 мм, шириной и высотой 80 мм.

[1, с.232]

1-секция; 2 – полка опорная; 3- перегодка сливная; 4 – планка регулирующая; 5– карман; 6 – клапан; 7 – балка опорная

Рисунок 1.2.8Клапанная тарелка

Тарелки с s-образными элементами (рисунок 1.2.7., а) собирают из штампованных из листовой стали s-образных элементов 1, которые крепят винтами к опорной раме 2. В собранном виде колпачковая часть с зубчатой кромкой одного элемента закрепляют поперечные пластины 3. Переливные устройства выполняют, как у тарелок типа ТСК-Р. Тарелки такого типа находят все большее применение благодаря преимуществам перед другими (просты в изготовлении, имеют небольшую массу и высокий КПД). Их изготовляют по ОСТ 26-02-536-72.

Клапанные тарелки применяют в ректификационных колоннах диаметром от 1000 до 4000 мм, работающих попеременных по пару и жидкости.

В соответствии с ГОСТ 16452-70 изготовляют клапанные однопоточные тарелки (рис. 1.2.8.) для колонн диаметром от 1000 до 4000 мм, а по ОН 26-02-29-66 – двухпоточные тарелки для колонн от 1400 до 8000 мм. Тарелка состоит из барботажной части переливного устройства. Барботажную часть собирают из секций 1, уложенных на опорную полку 2 и балки 7. В секциях имеются отверстия диаметром 40 мм, в которых установлены саморегулирующиесяклапаны 6, т.е. устройства, которые сами открывают проходы для пара в зависимости от его количества и поддерживают этим стабильный процесс ректификации. Расстояние между тарелками принимают равным 450; 500; 600; 700; 800 и 900 мм. Тарелки изготовляют из сталей ВСт3сп4, 08Х13, 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т.

Ситчатые тарелки изготовляют в соответствии с ГОСТ 16453-70 с отбойными элементами для аппаратов колонного типа с внутренним диаметром от 1200 до 4000 мм. Тарелки (рисунок 1.2.9) состоят в зависимости от диаметра из 2-16 секций 1, изготовленных из перфорированного листа толщиной 2 мм с просечно-вытяжными щелевидными отверстиями. Тарелка имеет сливное устройство и барботажную часть. Для уменьшения брызгоуноса на тарелке установлены под углом 60° отбойные элементы 3. По принципу действия ситчатые тарелки аналогичны рассмотренным. Расстояние между тарелками 450; 500; 600; 700; 800 и 900 мм.

1-отбойные элементы; а-дренажные отверстия

Рисунок 1.2.9. Ситчатая тарелка с отбойными элементами:

Решетчатые тарелки (рисунок 1.2.10) состоит из трех-десяти секций 2, изготовленных из углеродистой листовой стали толщиной 2-4 мм. Полотно секции имеет продолговатые отверстия, расположенных рядами. Секции укладывают на опорное кольцо 6 и опорные балки 5. В отличии от всех конструкций эти тарелки не имеют переливных устройств, так как благодаря наличию большого числа отверстий перелив жидкости и проход пара осуществляются через одни и те же отверстия.[1]

1-прокладка; 2-секция; 3-косынка; 4-кронштейн; 5-балка; 6-кольцо опорное; 7-шайба специальная

Рисунок 1.2.10 Конструкция решетчатой тарелки:

Наряду с тарельчатыми колонными аппаратами широко применяют насадочные (см. рисунок 1.2.11), внутри которых по высоте установлены решетки типа ТСН-IV под насадку, распределительные тарелки типа ТСН-III и перераспределительные тарелки типа ТСН-II.

Рисунок 1.2.11 Стальные насадочные тарелки ТСН-II (а) и ТСН-III (б)

Решетка под насадку(рисунок 1.2.12). Насадку – кольца Рашига – насыпают на опорную решетку, которую собирают из колосников 1 толщиной 4-10 мм и высотой 50 мм из полосовой угеродистой или легированной стали. При исполненииIIмежду колосниками устанавливают дистанционные втулки 3 и весь пакет стягивают шпильками 2. Применяют также решетки цельносварной конструкции (исполнение I). Расстояние между колосниками принимают таким, чтобы обеспечить проходное сечение и в то же время предотвратить просыпание насадки.

Решетки больших размеров изготовляют из нескольких секций, число которых может достигать 22, в зависимости от диаметра аппарата. Для придания решетки или ее секции круглой формы и увеличения жесткости к краям колосников приваривают дуги или полукольца 6 из полосовой стали.

Решетку укладывают на опорное кольцо 4, которое устанавливают на вертикальные косынки 5, приваренные по окружности внутри корпуса, и на опорные балки (одна центральная и две боковые), которые крепят к косынкам болтами (на рисунке не показаны).

Рисунок 1.2.12 Решетка под насадку

Решетку укладывают на опорное кольцо 4, которое устанавливают на вертикальные косынки 5, приваренные по окружности внутри корпуса, и на опорные балки (одна центральная и две боковые), которые крепят к косынкам болтами (на рисунке не показаны).

В тарельчатых контактных устройствах интенсификация процесса тепломассообменамежду взаимодействующими жидкой и паровой фазами обеспечивается, в основном, за счет максимально возможного увеличения относительнойскорости движения фаз. Это наиболее старый тип контактного устройства, частьконструкцийстандартизована.Тарельчатые колонны используются, как правило, в крупнотоннажных производствах. Предельная интенсивность процесса достигается при турбулизации двухфазной системы, однако обычно достичь турбулентного течения неудается из-за ограничений по скорости газовой фазы, обусловленных "захлебыванием" колонны и высоким гидравлическим сопротивлением. Суммируя сказанное, для современных тарельчатых устройств присущи следующие недостатки:

- Низкая эффективность из-за значительной высоты теоретической тарелки (Обычно тарелки расположены через 0.4-0.5 м по высоте колонны, а с учетом КПД единичной тарелки на уровне 50-70 %, ВЭТТ ≈ 1 м), что определяет большие размеры таких аппаратов,

- Малая допустимая скорость потоков (1.5-2.0 м/с для паровой фазы).

В отличие от тарельчатых контактных устройств, в насадочных контактных

устройствах процесс тепломассообмена осуществляется не за счет организации

интенсивного перемешивания взаимодействующих фаз, а за счет увеличения площади поверхности контакта фаз, т.е. их эффективность, определяется удельной поверхностью насадки. Новейшие насыпные (неупорядоченные) насадки с кольцами Рашига, Палля, «Инталокс» или седлами Берля имеют увеличенную поверхность межфазного контакта и поэтому обеспечивают лучший тепло/массоперенос(ВЭТТ ≈ 0.3-0.5 м).

Однако, их производительность ограничивается, в первую очередь, малой скоростью газового потока по свободному сечению аппарата – 1-1.5 м/с. В таких насадочных аппаратах также

наблюдается неравномерность орошения жидкостью рабочего слоя; при переупаковке слоя со временем газовый поток начинает проходить отдельными каналами, обедненными орошающей жидкостью. Следствием этого является постепенное забивание твердыми частицами каналов, а эффективность процесса снижается.

Современным этапом развития контактных устройств является создание

организованных пакетных насадок, характеризующихся развитой межфазной

поверхностью контакта фаз, более высокой скоростью движения газообразной фазы и более устойчивым противоточным режимом работы, по сравнению с другими видами насадок. Однако, существование организованных каналов противоточного движения определяет значительное гидравлическое сопротивление слоя и накладывает ограничения на скорость потоков.

1.3. Устройство основного аппарата

По конструкции корпусов различают в основном три типа колонн.

1. Корпус собран из отдельныхцарг, соединяемый между собой фланцами на прокладке. Крышку и днище крепят таким же способом. В таком корпусе не устраивают люков-лазов.

2. Корпус цельносварной; крышку крепят с помощью фланцевого соединения. Для осмотра в корпусе предусматривают смотровые люки.

3. Корпус цельносварной, к нему приваривают крышку и днище. Для монтажа и демонтажа тарелок его обязательно снабжают люками-лазами.

Ректификационные колонны (РК) изготовляют в основном из листовой стали (углеродистой или легированной): ВСт3сп2-ВСт3сп4, 08Х13, 12Х18Н10Т, 20+10Х17Н13М2Т, ВСт3+08Х13; сплава ХН65МВ; титановых сплавов. Кроме того, применяют колонны, изготовляемые из меди, чугуна, керамики, стекла и АТМ.

Колонные аппараты изготовляют по заводским нормалям и в соответствии с требованиями ОСТ 26-291-71.

[1, с.225]

1 – тарелка; 2 – колпачок; 3 – паровой патрубок; 4 – переливная трубка Рисунок 1.3.1. Схема устройства тарельчатой (колпачковой) колонны

Рисунок 1.3.2. Схема работы колпачковой тарелки[13]

Эти колонны наиболее распространены в ректификационных установках. На рисунке 1.3.1 схематически изображена колонна небольшого диаметра, состоящая из тарелок 1, на каждой из которых имеется один колпачок 2 круглого сечения и патрубок 3 для прохода пара. Края колпачка погружены в жидкость. Благодаря этому на тарелке создается гидравлический затвор, и пар, выходящий из колпачка, должен проходить через слой жидкости, находящийся на тарелке. Колпачки имеют отверстия или зубчатые прорези для раздробления пара на мелкие пузырьки, т.е. для увеличения поверхности его соприкосновения с жидкостью.

Приток и отвод жидкости, а также высоту жидкости на тарелке регулируют при помощи переливных трубок 4, которые расположены надиаметрально противоположных кольцах тарелки; поэтому жидкость течет на соседних тарелках во взаимно противоположных направлениях.

Схема работы колпачковой тарелки изображена на рисунке 1.3.2. Выходящие через прорези колпачки пузырьки пара сливаются в струйки, которые проходят через слой жидкости, находящейся на тарелке, и над жидкостью образуется слой пены и брызг, – основная область массообмена и теплообмена между паром и жидкостью на тарелке.

При движении струйки пара обычно сливаются друг с другом; при этом некоторая часть сечения прорезей обнажается, и образуются каналы, по которым газ проходит из-под колпачка сквозь жидкость. Поэтому поверхность взаимодействия газа с жидкостью непосредственно в зоне барботажа невелика. Основная зона фазового контакта находится в области пены и брызг над жидкостью, которые образуются вследствие распыления пара в жидкости и уноса брызг при трении пара о жидкость.

Кипятильники (подогреватели) предназначены для обеспечения образования восходящего по РК потока пара, и могут быть встраиваемыми внутрь колонны (рисунок 6.10, а) или выносными (рисунок 6.10, б), а конденсаторы-дефлегматоры - для получения флегмы за счет частичной конденсации выходящей паровой фазы.

а – встроенный кипятильник; б – выносной.

Рисунок 6.10 - Варианты расположения кипятильников:

При непрерывной ректификации многокомпонентных смесей в установке должна быть не одна колонна, а больше, т.к. в одной колонне можно разделить смесь только на два продукта.

Периодически действующие ректификационные установки применяют, как правило, для разделения жидких смесей в тех случаях, когда использование непрерывно действующих установок нецелесообразно. Обычно это характерно для технологических процессов, в которых количества подлежащих разделению смесей невелики и требуется определенное время для накопления этих продуктов перед разделением или в условиях часто меняющегося состава исходной смеси.

Пожарная опасность процессов ректификации определяется пожароопасными свойствами веществ и режимом работы РК (температура, давление). Большинство колонн работает под небольшим давлением 0,12...0,7 МПа. При нормальных режимах работы, в РК работающих под избыточным давлением, образование горючей смеси невозможно. Горючие концентрации внутри РК могут образовываться в периоды остановки на ремонт и пуска колонн после ремонта.

Причины образования неплотностей и повреждений в РК: повышение давления, температурные и механические воздействия, химический износ оборудования. Повышение давления является следствием нарушений материального и энергетического балансов, процесса нормальной конденсации паровой фазы, попадания в высоконагретые РК жидкостей с низкой температурой кипения.

Источниками зажигания в процессах ректификации могут быть: огневые работы; самовоспламенение нагретого продукта; самовозгорание пирофорных отложений; нагретые поверхности РК и другого оборудования.

Пожар на ректификационной колонне может быстро принять крупные масштабы, т. к. в результате аварии возможен выход наружу большого количества горючей жидкости и ее паров. Пары горючей жидкости выходящие наружу могут привести к образованию взрывоопасных концентраций в объеме помещений или на территории открытых площадок. Распространению пожара способствуют системы производственной вентиляции и канализации.

Один и тот же принцип действия РК используется как в относительно простых лабораторных приборах, так и в сложных промышленных установках нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, газовой, пивоваренной и других отраслей. Диаметр промышленных ректификационных колонн может достигать 16 метров, а высота — 90 метров и более.

Исходная смесь, нагретая до температуры питания tf в паровой, парожидкостной или жидкой фазе, поступает в колонну в качестве питания (Gf). Зону, в которую подаётся питание, называют эвапорационной, так как там происходит процесс эвапорации — однократного отделения пара от жидкости.

Пары поднимаются в верхнюю часть колонны, охлаждаются, конденсируются в холодильнике-конденсаторе и подаются обратно на верхнюю

тарелку колонны в качестве орошения. Таким образом в верхней части колонны (укрепляющей) противотоком движутся пары (снизу вверх) и стекает жидкость (сверху вниз).

Стекая вниз по тарелкам, жидкость обогащается высококипящими компонентами, а пары, чем выше поднимаются в верх колонны, тем более обогащаются легкокипящими компонентами. Таким образом, отводимый с верха колонны продукт обогащен легкокипящим компонентом. Продукт, отводимый с верха колонны, называют дистиллятом. Часть дистиллята, сконденсированного в холодильнике и возвращённого обратно в колонну, называют орошением или флегмой. Отношение количества возвращемой в колонну флегмы и количества отводимого дистиллята называется флегмовым числом.

Для создания восходящего потока паров в кубовой (нижней, отгонной) части ректификационной колонны часть кубовой жидкости направляют в теплообменник, образовавшиеся пары подают обратно под нижнюю тарелку колонны.

Таким образом, в кубе колонны создается 2 потока: 1 поток — жидкость, стекающая с верха (из зоны питания+орошение) 2 поток — пары, поднимающиеся с низа колонны.

Кубовая жидкость, стекая сверху вниз по тарелкам, обогащается высококипящим компонентом, а пары обогащаются легкокипящим компонентом.

[9, с.296]

В случае, если разгоняемый продукт состоит из двух компонентов, конечными продуктами являются дистиллят, выходящий из верхней части колонны и кубовый остаток (менее летучий компонент в жидком виде, вытекающий из нижней части колонны.

Для разгонки изопрен-пиперилена целесообразно в качестве основного аппарата применить тарельчатую ректификационную колонну с колпачковыми тарелками (рисунок 1.3.1 и рисунок 1.3.2). Принцип
 действия тарельчатых колонок состоит в барботаже пара через
 жидкость на каждой тарелке, на которой поддерживают определенный уровень жидкости. Флегма перетекает с верхней тарелки на нижнюю по переливным трубкам, расположенным внутри
 или снаружи колонки. Недостаток тарельчатых колонн - относительно высокое гидравлическое сопротивление - в условиях ректификации не имеет такого существенного значения, как в процессах абсорбции, где величина р связана со значительными затратами энергии на перемещение газа через аппарат. При ректификации повышение гидравлического сопротивления приводит лишь к некоторому увеличению давления и соответственно к повышению температуры кипения жидкости в кипятильнике колонны. Однако тот же недостаток (значительное гидравлическое сопротивление) сохраняет свое значение для процессов ректификации под вакуумом. Ещё существенным недостатком барботажных ректификационных колонн является сложность конструкции.

Тарельчатые колонны с колпачковыми тарелками менее чувствительны к загрязнениям, чем ситчатые, и отличаются более высоким интервалом устойчивой работы колонны. Эти колонны наиболее распространены в ректификационных установках. На рисунке 6 схематически изображена колонна небольшого диаметра, состоящая из тарелок 1, на каждой из которых имеется один колпачок 2 круглого сечения и патрубок 3 для прохода пара. Края колпачка погружены в жидкость. Благодаря этому на тарелке создается гидравлический затвор, и пар, выходящий из колпачка, должен проходить через слой жидкости, находящийся на тарелке. Колпачки имеют отверстия или зубчатые прорези для раздробления пара на мелкие пузырьки, т.е. для увеличения поверхности его соприкосновения с жидкостью.

Приток и отвод жидкости, а также высоту жидкости на тарелке регулируют при помощи переливных трубок 4, которые расположены на диаметрально противоположных концах тарелки; поэтому жидкость течет на соседних тарелках во взаимно противоположных направлениях.

Наиболее оптимальнее применять для разделения изопрен-пиперилена тарельчатые колонны с колпачковыми тарелками.

1.4 Технологическая обвязка аппарата

Исходная смесь из расходной емкости Е1 центробежным насосом подается в подогреватель АТ, где нагревается до температуры кипения и поступает на питающую тарелку ректификационной колонны КЛ. Стекая по тарелкам жидкость, попадает в куб, из которого поступает в кипятильник ИП. Из кипятильника пары жидкости поступают в нижнюю часть колонны и двигаются навстречу исходной смеси, барботируя через нее и обогащаясь низкокипящим компонентом. Выходя из колонны пары, попадают в дефлегматор ХК3 и конденсируются. Дистиллят поступает в разделитель Е4, где разделяется на два

потока: одна часть в качестве флегмы возвращается в колонну и стекает по тарелкам вниз, обогащаясь при этом высококипящим компонентом, а другая часть поступает в холодильник ХК1, охлаждается и попадает в приемную емкость Е3. По мере работы часть жидкости из куба отводится в холодильник ХК2 и поступает в приемную емкость Е4 в качестве кубового остатка.

Е1, Е2, Е3, Е4 - емкости; АТ – подогреватель; ИП – кипятильник; КЛ – ректификационная колонна; ХК1, ХК2 – холодильники; ХК3 – дефлегматор.

Рисунок 1 Технологическая обвязка аппарата

1.5 Техника безопасности при обслуживании ректификационной колонны

1.5.1 Ректификационные колонны перед пуском должны быть осмотрены, проверена исправность и готовность к работе всех связанных с ними аппаратов и трубопроводов, исправность контрольно-измерительных приборов, регуляторов температуры и давления в колонне, измерителей уровня жидкости в нижней части колонны приемниках ректификата, ректификационных емкостях и емкостях остатка.

1.5.2 Пуск ректификационной установки в работу должен производиться строго в установленной последовательности, которая должна быть указана в технологической инструкции.

1.5.3При работе ректификационной колонны необходимо непрерывно контролировать параметры процесса и исправность аппарата.

1.5.4 Для улавливания жидкости, которая может быть выброшена вместе с парами и газами через предохранительный клапан наружу на линии за предохранительном клапаном следует иметь сепаратор. Уровень жидкости в сепараторе не должен превышать установленного предела.

1.5.5 В зимнее время на открытых установках не реже одного раза в смену необходимо проверять проверять состояние колонны, продуктопроводов, водяных линий, дренажных отростков на паропроводах и аппарата, спускных линий и т.п. В этот период следует обеспечить непрерывное движение жидкости в коммуникациях для предотвращения их разрыва. Спускные и дренажные линии, а также наиболее опасные участки для подачи воды, щелочи, других замерзающих жидкостей должны быть утеплены.

1.5.6 Необходимо следить за тем, чтобы поврежденные участки теплоизоляции ректификационных колонн и их опор своевременно исправлялись. Теплоизоляция должна быть чистой, исправленной и выполнена так, чтобы при утечках не могли образовываться скрытые потоки жидкости по корпусу.

1.5.7 Чистку внутренней поверхности колонны следует вести осторожно неискрящими инструментами.

1.5.8 Отложения, снимаемые со стенок при очистке необходимо складывать в металлическую посуду и удалять из помещения или с установки.

1.5.9 При обнаружении утечки в ректификационных колоннах необходимо подать водяной пар или азот к местам пропуска для предотвращения возможного воспламенения или образования смесей взрывоопасных концентраций.

При возникновении аварии или пожара после снижения внутреннего давления в аппарате необходимо подать внутрь его водяной пар или азот.

1.5.10 В цехах или на открытых установках необходимо проверять наличие первичных средств пожаротушения и исправность имеющихся стационарных или полустационарных систем пожаротушения.

1.5.11 Колонные аппараты большой высоты (40м и более) должны быть обеспечены стационарными системами водяного или воздушно-пенного охлаждения и тушения, состояние и наличие которых должно систематически проверяться.

1.5.12 Ремонтные работы в колонне могут производиться лишь после полного удаления продукта и продувки РК паром.

[14, с.25]

1.6 Физико-химические свойства веществ

1.6.1 Пиперилен (1,3 – пентадиен)

Молекулярная формула	CH₂(CH)₃CH₃
Молярная масса, кгкмоль	68,117
Плотность, кгм3	683
Температура кипения, ˚С	44,07
Температура плавления, ˚С	Минус 140, 82
Показатель преломления	1, 4363
Удельная теплоемкость, Джкг*К	1394,4

Пиперилен — летучий, горючий углеводород, состоящий из пяти углеродных цепей с двумя двойными связями. Получается как побочный продукт при производстве этилена из нефтяного сырья методом пиролиза.

Пиперилен используется в качестве мономера при производстве пластмасс, клеев и смол. Также применяется в качестве взрывчатого вещества (горючего) внекоторых объёмно-детонирующих авиабомбах.

Химические свойства

Пиперилен вступает в реакции, характерные для сопряженных диенов: гидрируется, окисляется, с SO2 образует цикличный сульфон, транс-Пиперилен (в отличие от цис-Пиперилена) вступает в диеновый синтез.

Пиперилен содержится в продуктах крекинга нефти. Образуется в качестве побочного продукта при дегидрировании изопентана в изопрен (техн. фракция содержит 70-80% пиперилена).

Синтезируют пиперилен из ацетилена, ацетальдегида и СН2О:

Пиперилен может быть получен также дегидрированием пентенов, дегидратацией 2,3-пентандиола, из кротонового альдегида. Пиперилен легко полимеризуются и сополимеризуются, например, с изопреном, стиролом. Изопрен

Молекулярная формула
Структурная формула	СН2=С(СН3)-СН=СН2
Молекулярная масса, кгкмоль		68,11
Плотность, кгм3		681
Вязкость,Пас		0, 216*103
Температура кипения, ˚С		34,067
Температура плавления, ˚С		Минус 145,95
Показатель преломления		1, 42194
Удельная теплоемкость, Джкг*К		2255,20
Удельная теплота парообразования, КДжкг		378,33

Изопрен в нормальных условиях представляет собой бесцветную подвижную жидкость, нерастворимую в воде и хорошо растворяющуюся в спирте, эфире и других органических растворителях. Температура кипения изопрена при атмосферном давлении равна 34,067 . С понижением температуры он затвердевает в стеклообразную массу с т. пл. –145,95°. Изопрен легко повышенной воспламеняется и работа с ним требует осторожности.

Химические свойства

Полимеризация. Изопрен легко полимеризуется и сополимеризуется с другими непредельными соединениями. В присутствии воздуха образует пероксиды, инициирующиесамопроизвольную полимеризацию.

Реакции электрофильного присоединения. В зависимости от условий реакции может происходить 1,2- и 1,4- присоединение.

СН2=С-СН=СН2+Br2CH2Br-C=CH-CH2Br

| |

CH3 CH3

2. Расчетная часть

Исходные данные
Производительность ректификационной колонны для разделения изопрен-пиперилена, т/ч	23
Содержание низкокипящего компонента в сырье, % масс.	46
Содержание низкокипящего компонента в дистилляте, % масс.	97
Содержание низкокипящего компонента в кубовом остатке, % масс.	2
Низкокипящий компонент– изопрен
Высококипящий компонент –пиперилен

2.1 Материальный баланс

2.1.1 Производительность по исходной смеси F, т/ч выразим в кг/с

F=23∙10003600=6, 39кгс

Массовый расход дистиллята Р, кг/с и кубового остатка W, кг/с определили согласно[10,с.351] уравнению материального баланса по формуле

F=P+W; F∙xF=P∙xP+W∙xW

(2.1)

где F,P,W – массовые расходы питания, дистиллята и кубового остатка;

x_F,x_W,xP- массовые доли низкокипящего компонента в питании, дистилляте и кубовом остатке.

6,39= Р+W;  Р=6,39–W; 

6,39∙0,46=Р∙0,97+W*0,022.944=(6,39–W)∙0,97+W∙0,02;

Р=6,39–W P=6,39 -W P=2,92;

2, 944-6,1983= -0,97∙W+W∙0,02 3,2543=-0,95W W=3,48

2.1.2 Концентрацию питания, дистиллята и кубового остатка выразим в мольных долях согласно [10, с.351] по формуле:

XF=,

(2.2)

где Х- cсодержание легколетучего компонента в исходной смеси;

М- молекулярная масса легколетучего компонента, г/моль;

М- молекулярная масса высококипящего компонента, г/моль.

Х_{F=0,4668,124668,12+1-0,4668,11=0,4599}

XP= ,		(2.3)
XW= ,	(2.4)

ХР=0.9768.120.9768.12+1-0.9768.11=0,9727

Х_{W=0,0268.120,0268,12+1-0,0268,11=0,02}

2.1.3 Относительный мольный расход питания Fnопределили согласно

[10, с.352] по формуле:

Fn=,		(2.5)
Fn=(0,97-0,02)0,46-0,02=2,16

2.1.4 Минимальное флегмовое числоRmin определили согласно [15,с.251] по формуле:,

Rmin= Xp-YF*YF*-XF,

(2.6)

где R_min– минимальное флегмовое число;

Xp- cсодержание легколетучего компонента в дистилляте;

X_F- cсодержание легколетучего компонента в исходной смеси;

Y_F^*- равновесная концентрация паровой фазы в исходной смеси.

Rmin= 0,973-0,5750,575-0,4599=0,3458

2.1.5 Рабочее флегмовое числоRРАБопределили согласно [15,с.251] по формуле:

RРАБ=1,3Rmin+ 0,3	(2.7)
RРАБ=1,2-2,5Rmin

RРАБ=1,3∙3,458+0,3=4,795

В верхней части колонны число действительных тарелок 13∙1,7≈22, в нижней 12∙1,7≈20.Всего тарелок 42

2.2 Конструктивный расчет

2.2.1 Средние концентрации низкокипящего компонента Хср ,Хср ,,,Хcpопределии в жидкости согласно [10, с.352] по формуле:

а) в верхней части колонны

Хср ,= XF+XP2	(2.8)
Хср ,= 0,4599+0,97272=0,7163

б) в нижней части колонны

Хср ,,= XF+XW2

(2.9)

Хср ,,=0,4599+0,022=0, 24

Хcp= Xcp,+Xcp,,2

(2.10)

Хcp=0,7163+0,242=0,478

2.2.2 Средние концентрации пара уср,иуср,,определили согласно [10,с.352] уравнению рабочих линий по формуле

а) в верхней части колонны

уср,= RR+1∙xcp,+xpR+1

(2.11)

уср,= 4,7954,795+1∙0,7163+0,97274,795+1=0,768

б) в нижней части колнны

уср,,= R+fR+1∙xcp,,-f-1R+1∙xw

(2.12)

уср,,= 4,795+2,174,795+1∙0,24-2,17-14,795+1∙0,02=0,292

а) при уср,= 0,768	tcp,=37°C
б) при уср,,=0,292	tcp,,=40°C

Средние температуры пара определяем по диаграмме t-x, y:

Таблица 1336 – Равновесие между жидкостью и паром [16].

ИЗОПРЕН-транс-ПИПЕРИЛЕН

С5Н8-С5Н8

х	Y	t
22.50	30.68	41.20
29.80	39.65	40.29
33.45	44.25	38.94
62.10	71.75	37.94
81.85	87.35	35.58
85.60	90.14	35.38
94.70	96.52	34.78
98.44	98.96	34.40
98.70	99.14	34.10
99.34	99.58	34.00

Средние мольные массы Mcp,,кгкмоль, Mcp,,, кгкмольи плотности пара ρcp,, кгм3, ρcp,,кгм3,определили согласно [3.с.353] по формуле

а) В верхней части колонны

Mcp,=ycp,∙MHK+1-ycp,∙MBK	(2.13)
Mcp,=0,768∙68,12+1-0,768∙68,11=68,118кгкмоль
ρcp,=Mcp,∙T022,4∙Tcp,	(2.14)
ρcp,=68,118∙27322,4∙310=2,678кгм3
б) в нижней части колонны
Mcp,,=ycp,,∙MHK+1-ycp,,∙MBK	(2.15)
Mcp,,=0,292∙68,12+1-0,292∙68,11=68,11кгкмоль
ρcp,,=Mcp,,∙T022,4∙Tcp,, ρcp,,=68,11∙27322,4∙313=2,65кгм3	(2.16)

Среднюю плотность пара в колоннеρп, кгм3определили согласно [10, с.353] по формуле:

ρп=ρср,+ρср,,2	(2.17)
ρп=2,678+2,652=2,665кгм3

Плотность жидкихпиперилена и изопрена близки. Температура в верху колонны при ХР=0,9727 равняется 32°C, а в кубе-испарителе при Х_W=0,02 равняется 50°C (рис.2).

Плотность изопрена при температуре 34°C ρнк=681кгм3, а пиперилена при 44°C ρвк=683кгм3

Среднюю плотность жидкости в колоннеρж,кг/м³определили согласно [10, с.353] по формуле:

ρж=Хср∙ρнк+(1-Хср)∙ρвк

(2.18)

где ρж- средняя плотность жидкости в колонне, кг/м³

ρнк- средняя плотность легколетучего компонента, кг/м³;

ρвк- средняя плотность высококипящего компонента, кг/м³.

ρж=0,478∙681+1-0,478∙683=682,047кгм3

Определяем скорость пара в колонне по уравнению (2.19). По данным справочника «Машины и аппараты химических производств» принимаем расстояние между тарелками h=500мм. Для колпачковых тарелок по графику

(рис.8.1) находим С=0,5.

Скорость пара в колонне ω, мсопределили согласно [10.с.353] по формуле:

ω=С∙ρжρп,

(2.19)

где С - коэффициент, зависящий от конструкции тарелок;

ρж- средняя плотность жидкости в колонне, кг/м³;

ρп- средняя плотность пара в колонне, кг/м³.

ω=0,5∙682,052,665=7,999мс

Объемный расход проходящего через колонну параV, м3с при средней температуре в колонне

Тcp=310+3132=311,5 К

V=P∙(R+1)∙22,4∙TcpMp∙273 где Mp- мольная масса дистиллята, равная	(2.20)
Mp=Мнк∙Хр+Мвк1-Хр Mp=68,12∙0,9727+68,111-0,9727=68,12кгкмоль	(2.21)

V=2,92∙(4,795+1)∙22,4∙311,568,12∙273=6,35м3с

Диаметр колонныD ,м:

D=V0,785∙ω	(2.22)
D=6,350,785∙7,999=1,0056м

Действительное число тарелокn, шт, определили согласно [10,с.356] по формуле:

n=nTη	(2.23)
n=250,5=50

По данным справочника «Машины и аппараты химических производств» определили значение коэффициента полезного действия тарелки по графику (рис.8.1) η=0,5

Высоту тарельчатой ректификационной колонны Н, м, определили согласно формуле:

Н=Нв+h∙nT-1+HH	(2.24)
Н=1,5+0,5∙50-1+1=27м

где Н_ви Н_н – высота верха и низа колонны, принимаются соответственно 1,5 и 1м;

h- расстояние между тарелками. В зависимости от диаметра колонны принимаются равными 0,3-0,6 м.

По каталогу-справочнику «Колонные аппараты» выбираем колонный аппарат с колпачковыми тарелками диаметром D=1200 мм

Диаметр D, мм	1200
Свободное сечение колонны, м2	1,13
Длина линии барботажа, м	12,3
Периметр слива Lc, м	0,818
Сечение перелива, м2	0,099
Свободное сечение тарелки, м2	0,129
Относительная площадь для прохода паров Fc, %	11,4
Масса, кг	68,6

2.3 Тепловой баланс колонны.

Он составлен для того, чтобы подсчитать расход греющего пара на процесс ректификации.Тепловой баланс рассчитываем согласно [11, c.88] по следующим формулам.:

Приход тепла (Вт):

с исходной смесью,Q2:

Q2=Gfcftf Q2=6,4 ∙1803,86324∙37,3=413237,88886 Вт

(2.25)

с греющим паром, Q1:

Q1=Dr Q1=3,48∙1653=5752,44 Вт

(2.26)

Расход тепла (Вт):

с паром низкокипящего компонента, Q4

Q4=Cпiп Q4=1536,745∙6813,8244=10471110,577 Вт

(2.27)

с кубовым остатком, Q5:

Q5=Gwiw Q5=3,48∙1536,745=5347,87099 Вт

(2.28)

Потери в окружающую среду, Qп:

Qп=(0, 02÷0,03)Q1 Qп=0,02∙5752,44=115,05 Вт

(2.29)

В формулах приняты обозначения: Gf, GфGп, GdGw- количество исходной смеси, флегмы, пара, выходящего из колонны, дистиллята, кубовой жидкости, кгс; ifiфiw- энтальпия исходной смеси, флегмы, кубового остатка (их можно заменить произведением молярных теплоемкостей на температуру жидкостей, то есть if=cftfи т.д.), Джкг; iп=iф+ri – энтальпия пара, выходящего из колонны; rf– теплота испарения флегмы, Джкг; i – энтальпия или теплосодержание греющего пара, подведенного в куб колонны, Джкг; iконд – энтальпия конденсата греющего пара, Джкг.

Приход тепла с флегмой

Q3=Q4+Q5+Qп-Q1-Q2

(2.30)

Q3=69674,9886+5347,87099+115,005-5752,44-413237,88884=10057583Вт

Составляем уравнение теплового баланса:

Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Qп

(2.31)

Сводная таблица теплового баланса:

Приход теплоты			Расход теплоты
Наименование	Вт	%	Наименование	Вт	%
Приход тепла: с исходной смесью, Q2	413237,88886	3,95	Расход тепла с паром низкокипящего компонента, Q4	10471110,577	99,95
Приход тепла с греющим паром, Q1	5752,44	0,05	Расход тепла с кубовым остатком, Q5	5347,87099	0,05
Приход тепла с флегмой, Q3	10057583,169	96	Потери в окружающую среду, Qп	115,05	0,001

2.4 Расчет вспомогательного оборудования

Расчет и выбор центробежного насоса для всасывания исходной смеси

2.4.1 Диаметр трубопровода d, м определили согласно [10, c.90] по формуле:

d=V(0,785∙ω)

(2.32)

где V- объемный расход равен 0,0078 м³/с;

ω- скорость на всасывающей и нагнетательной линиях, которая равна 1,5 м³/с.

d=0,0095(0,785∙1,5)=0,008 м
Re=ω∙d∙pµ где ρ- средняя плотность, кг/м3 определяемая по формуле	(2.33)
ρ=хвк∙ρвк+хнк∙ρнк,	(2.34)

где х_вки х_нк – концентрации высококипящего компонента – перхлорэтилена и низкокипящего компонента – четыреххлористого углерода определили согласно [10, с.90] по формуле (2.2).

ρ =0,5401∙683 + 0,4599∙681=682,08 кгм3

2.4.3 Концентрацию высококипящего компонента пипериленаX_вкпринимаем равной Х_вк=0,54 и найдем в мольных долях его концентрацию

XF=, Xвк= =0,54

где р_вк- плотность высококипящего компонента пиперилена, равная 683 кгм3.

Тогда концентрация, низкокипящего компонента - изопренаX_нк будет равна

Х_нк=1-0,54.

X_нк= =0,45

p_нк- плотность низкокипящего компонента изопрена, равная 681кгм3.

2.4.4 Динамическую вязкость µ, Па∙с определили согласно [10, с.90]по формуле

µ=µ1∙ хвк +µ2∙хнк

(2.35)

где µ₁и µ₂ –динамические вязкости высококипящего компонента и низкокипящего компонента, Па∙с.

Динамические вязкости высококипящего компонента и низкокипящего компонента, определили согласно [18] по таблице, µ₁=0,429 МПа∙с и µ₂=0,216 МПа∙с.

µ=0,429∙0,54+0,216∙0,45=0,329МПа∙с

1,5∙0,08∙682,080,329 ∙10-3=248783

Следовательно, режим турбулентный.

2.4.5 Сумму коэффициентов местных сопротивлений для всасывающей линииζвс определили согласно [10, с.90] по формуле:

ζвс=ζ1+2ζ2+3ζ3

(2.36)

где ζ1= 0,5-вход в трубу (с острыми краями);

ζ2=0,5-прямоточный вентиль (для d=100 мм и Re>3∙10⁵);

ζ3=АВ=1,0∙0,11=0,11 отвод под углом 90˚(табл. ХIII).

ζвс=0,5+2∙0,5+3∙0,11=1,83

2.4.6 Давление на всасывающей поверхности с учетом коэффициентов местных сопротивлений ∆рвс, Па определили согласно [1.с.90] по формуле

∆рвс=(ℷlвсd+ ∑ζвс)pw22

(2.37)

гдеlвс-длина трубопровода на линии всасывания,м,lвс=15м; среднее значение

абсолютной шероховатости стенок труб е=0,2 мм; относительная шероховатость dэе =0,35; значение коэффициента трения определяем согласно [10, с.22]по графику 1.5 и ℷ=0,025.

∆рвс=0,025∙150,08+1,83682,08∙1,522=5001,14 Па

2.4.7 Потери напора на всасывающей линии , м определили согласно [19, с.90] по формуле:

Нп.вс=∆рвср∙g	(2.38)
Нп.вс=5001,14682,08∙9,81=0,75м

2.4.8 Сумму коэффициентов местных сопротивлений для нагнетательной поверхности определили согласно [19, с.90] по формуле:

∑ζн=ζ1+2ζ2+5ζ3+2ζ4+ζ5

(2.39)

где ζ1=1-выход из трубы;ζ2=А2В2=1,0∙ 0,11=0,11-отвод под углом 90˚;ζ3=А₃В₃=1,13 ∙0,11=0,12-отвод под углом 110˚; ζ4=4,1-нормальный вентиль( при d=100 мм);ζ5=0,5 –прямоточный вентиль( При Re>3∙10⁵ ).

∑ζн=1+2 ∙0,14+5∙ 0,12 +2∙ 4,1 +0,5=10,52

2.4.9 Давление на нагнетательной поверхности с учётом коэффициентов местных сопротивлений, Па определили согласно [19,с.90] по формуле

∆рн=(ℷ∙lнd+∑Eн)∙pw22

(2.40)

где lн- длина трубопровода на линии нагнетания, м, равная lн= 35 м

∆рн=0,025∙350,08+10,52∙682,08∙1,522=16465 Па

2.4.10 Потери напора на нагнетательной линииНн,м определили согласно [10,с.91] по формуле:

Нн=∆рн(ρ∙g)

(2.41)

Нн=16465(682,08∙9,81)=2,5 м

2.4.11 Общие потери напора Нп,м определили согласно [10,с.91] по формуле:

Нп=Нвс+Нн	(2.42)
Нп=0,75+2,5=3,25 м

Выбор насоса

2.4.12 Полный напор, развиваемый насосом Н, м определили согласно [10, c.91] по формуле:

H=p2-p1ρ∙g+Hг+Hп

(2.43)

где p2-p1- разностҗ давлений, котору принимаем 0,1∙10⁶ Па;

Н_г- геометрическая высота подъема воды, м, которую принимаем равной 20 м.

H=0,1∙106682,08∙9,81+20+3,25=38,2 м

2.4.10 Полезную мощность N, кВт определили согласно [10, c.91] по формуле:

N=V∙ρ∙g∙H

(2.45)

N=0,0095∙682,08∙9,81∙38,2=2428,24 Вт=1,428 кВт

2.4.11 Мощность, потребляемую двигателем насосаNдв, кВт определили согласно [10,c.91] по формуле

Nдв=Nη

(2.46)

где η- средняя производительность , которую принимаем равной 0,6.

Nдв=1,4280,6=2,38 кВт

По таблице 2.5 [10.c.92] установили по заданной производительности N=2,38 кВт и напору H=38,2 м марку насоса Х90/49, для которого при оптимальных условиях работы производительность Q=2,5∙10^-2 м³/с, напор Н=40 м, к.п.д. насоса η _н= 0,70. Насос снабжен двигателем АО2-72-2, номинальной мощностью N_н= 30 кВт (η _д=0,89, частота вращения вала n=48,3 об/с).

2.4.12 Предельную номинальную высоту всасывания Н_вс, м определили согласно [10.c.92] по формуле:-2332,865

Нкав=0,3∙Q∙n223		(2.47)
Нкав=0,3∙2,5∙10-2∙48,3223=52,77 м

2.4.13 Вместимость сборника V, м3 определили согласно [20,c.31] по формуле:

V=mτ∙τ(ρ∙φзап)

(2.48)

где m_τ- производительность изопрен-пиперилена, равная кг/ч; τ- время заполнения сборника, ч и равное 0,25 ч-1; степень заполнения сборника φ_зап=0,8.

V=23000∙0,25(671,3972∙0,8)=10,7 м3

По таблице 1 устанавливаем, что полученным данным соответствует емкостной стальной цилиндрический аппарат, имеющий следующиехарактеричтики:

Тип		ГЭЭ
Исполнение 1		горизонтальный с двумя эллиптическими днищами
Диаметр внутренний, мм		1600
Длина цилиндрической части, мм		4445
Вместимость номинальная, м3		160,0
Площадь поверхности внутренняя, м2	27,9

Расчёт штуцеров

2.4.14 Диаметры штуцеров для ввода сырья, для выхода паров дистиллята, для флегмы, для ввода кубового остатка , м определили согласно [10, с.97] по формуле:

(2.49)

где V- объём, м³ определили согласно по формуле

V=mρ

(2.50)

где m – расход сырья, кг/c.

Тогда формула (2.49) приобретает следующий вид

(2.49’)

2.4.15 Диаметр штуцера для входа исходного сырья dF, м определили согласно [10,97] по формуле:

dF=6,4681,640,785∙1,5=0,09 м

2.4.16 Диаметр штуцера для флегмы dФ, м определили согласно [10, с.97] по формуле:

dФ=14671,39720,785∙1,5=0,13 м

2.4.17 Диаметр штуцера для выхода дистиллята dР, м определили согласно [10, с.97] по формуле:

dР=2,92660,570,785∙1,5=0,06 м

2.4.18 Диаметр штуцера для выхода кубового остатка dw, м определили согласно [10, с.97] по формуле:

dW=3,48682,960,785∙1,5=0,076 м

Список литературных источников

1. А.С. Криворот «Конструкция и основы проектирования машин и аппаратов химической промышленности»,М., 1976.

2. http://www.knowledge.allbest.ru

3. http://www.xumuk.ru

4. http://www.otherreferats.allbest.ru

5. http://www.otvet.mail.ru

6. http://www.tradition-ru.org

7. http://www.ru.m.wikipedia.org

8. УДК 66.013:614 (083) «Правила пожарной безопасности при эксплуатации химической промышленности». М.:ХИМИЯ, 1981

9. Александров И.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. – 2-е издание перераб. – Москва: Химия, 1971 (стр.296)

10. К.Ф. Павлов, П.Г.Романков, А.А.Носков «Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии», 1987г.

11. М.Н.Кувшиннский, А.П. Соболева, Курсовое проектирование по предмету «Процессы и аппараты химической промышленности», 1980г.

12. Учебное пособие для учащихся техникумов – 2-е издание, перераб. и доп. – М.:Высшая школа, 1980

13. http://lit-eng.ru/upload/hrp_presentation/pvn%20prezent.pdf

14. http://www.pr-j.ru/proizvodstvo-i-texnologii/raschet-rektifikacionnoj-kolonny.html

15. Клименко В.Л., Табурчак П.А., Иванова С.Н., Глухарев Л.С., Виценко А.Б., Сахарова И.Т. «Организация и планирование химического производства», Ленинград, «Химия», 1989г

16. Иоффе И.Л. «Проектирование процессов и аппаратов химической технологии», 1991г.

17. Коган, Таблица 1336.

18. Татевский «Химико-физические свойства углеводородов»

19. Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.3. «Процессы и аппараты химической технологии», 1962г.

20. С.П. Гутник, В.Е. Сосонко, В.Д. Гутман « Расчеты по технологии органического синтеза» , 1988г.

Код для цитирования: Скопировать