Устройство и применение тарельчатых колонн.Классификация тарелок.Гидродинамические режимы тарелок. Плюсы и минусы тарельчатых колон.

Материальны баланс ХТП.

Материальный баланс составляется для периодических процессов с целью определения количества целевого продукта и конструктивных характеристик реакционного аппарата.

Методика расчета материального баланса сложных необратимых процессов по целевому продукту.

Для расчета материального баланса по целевому продукту необходимо знать:                                 

1. все химические реакции протекающие в реакторе их стехиометрию

2. селективность процесса

3. конверсию

4. степень чистоты исходного сырья

5. производительность установки

G_A^I G_B^I    G_C

a₁A+b₁B à cC - целевая реакция

M_A M_B     M_C

 

G_A^II G_B^II    G_d

a₂A+b₂B à dD – побочная реакция

M_A M_B     M_D

1. Производить установки П=1000 т/ч

2. Селективность по р. А - S_A

3. Конверсия по р. А - X_A

4. Степень чистоты осн. Сырья - ω_А, ω_В

5. Эффект. Фонд рабочего времени – Тэф_.

Определяем молекулярные массы компонентов.М_С, М_Е, М_D

1. Определяем эффект. фонд рабочего времени:

Тэф. = (365 – Трем.) * 24; (ч.)

2. Определяем часовую производительность установки:

G_C= П*10³*10³ ; (кг/ч.)

                    Тэф.

3. Определяем количество сырья на целевую реакцию.

G_A^I= G_C*M_A*a₁ ; (кг/ч.)

ω_C*C

   G_В^II = G_C*M_B*b₁ ; (кг/ч.)

ω_C*C

4. Определяем количество израсходанного реагента А.

S= G_A^I ц . р .

G_A превр

G_A превр.= G_A^I ц . р .; (кг/ч.)

S

G_A^II= G_A превр. – G_A^I ; (кг/ч.)

5. Определяем количество реагента В по побочной реакции.

G_В^II= G_A^II * b ₂ * M_B ; (кг/ч.)

а₂ * M_A

Определяем количество превращенного реагента В.

G_B превр.= G_В^I+ G_В^II

6. Определяем количество образовавшихся продуктов.

G_е^I = G_A^I * е * М_Е ; (кг/ч.)

а₁ * M_A

G_D = G_A^II * d * М _D ; (кг/ч.)

а₂ * M_A

7. Определяем количество поданного реагента А.

Х_А= G_A превр .

 G_A подан.    

G_A подан.= G_A превр .

Х_А

G_A превр.= G_A подан. – G_A превр.

8. Определяем количество поданных тех. реагентов:

ω_А = G_A подан.

G_{A техн.}

G_{A техн.} = G_A подан.; (т/ч.)

ω_А     

G_{В техн.} = G _В подан.; (т/ч.)

ω_В  

G_A примес. = G_{A техн.} - G_A подан.

Таблица материального баланса.

Приход	т/ч	Расход	т/ч
1. Тех. Реагент А В том числе: - чистый А - примеси А   2. Тех. Реагент В В том числе: - чистый В - примеси В	GА техн.   GA подан. GA прим.   GВ техн.   GВ подан. GВ прим.	1. целевой продукт 2. побочные продукты - Е - D   3.непревращенное сырье; А 4. примеси -в-А -в В	Gс   Gе GD   GA непр.     GA прим. GВ прим.
Всего:		Всего:

Расходные коэффициенты по сырью:

К_nA = G_{А техн.} / G_C

К_nB = G_{B техн.} / G_C

 

Технол.основы пр-са алкилирования метанола изобутиленом. Принцип.схема получения МТБЭ.

МТБЭ – получают из метанола и изобутилена при кислотном катализе реакции:

Реакция протекает с выделением тепла ее равновесие смещается вправо при повышении давления и снижения температуры. Наиболее эф-ми катализаторами оказались катионнобменные смолы при50-100⁰С

Технологтческая схема производства МТБЭ. Изобутиленовую фракцию, свежий метанол и его рецикл подают в реактора 1 и2. в первом имеется подвижный слой катализатора (катионита) и производится охлаждение водой, во втором реакция протекает без охлаждения со стационарным катионитом. Реакционная масса поступает в ректификационную колонну 3 , в ней отделяется легкая фракция (Углев-С с небольшим количеством метанола) от более тяжелой (МТБЭ с основной частью метанола). МТБЭ с куба К3 подают в К7, с куба К-7 выходит товарный МТБЭ, а метанол с верха К-7 возращается в реакцию. Легкая фракция с верха К-3 промывается водой, где из у/в отделяются остатки метанола.

Устройство и применение тарельчатых колонн.Классификация тарелок.Гидродинамические режимы тарелок. Плюсы и минусы тарельчатых колон.

Тарельчатые колонны секционированы по высоте поперечными тарелками. В этих тарелках восходящие пары последовательно барботируют через слои жидкости на тарелках, расположенных на определенном расстоянии друг от друга. Жидкость непрерывно перетекает с верхних на нижние тарелки, которые отделены друг от друга свободным пространством, где пары отделяются от уносимых ими капель и брызг. Таким образом, в тарельчатых колоннах происходит ступенчатый контакт паровой и жидкой фаз. Тарельчатые колонны применимы при высокой производительности, для широкого интервала нагрузок по пару и жидкости, способны четко разделить смесь. Высокое гидравлическое сопротивление этих аппаратов имеет вредное значение лишь для ректификации под вакуумом.

Тарелки могут быть со сливными устройствами - колпачковые, ситчатые, клапанные, пластинчатые, с S-образными элементами, струйные и т.д. и без сливных устройств – провальные, решетчатые, трубчатые, волнистые. Требования к тарелкам: высокая интенсивность и эффективность массообмена, простота изготовления и монтажа, низкое гидравлическое сопротивление.

Классификация тарелок: 1).по наличию переточных каналов – с переточными каналами и без них, 2). по числу потоков на полотне тарелки, 3). по взаимному направлению пготоков фаз: противоточные, прямоточные, перекрестные, 4) по способу перелива жидкости на полотне тарелок – с диметральной и радиальным переливом.

Используются, например, тарелки с круглыми колпачками: 1 – корпус колонны, 2 – диск тарелки, 3 – колпачки, 4- вырез стенки колпачка, 5 – сливной порог, 6 – патрубок для прохода газа или пара, 7- вертикальная перегородка, 8-переточный канал.

Тарелка представляет собой металлический диск 2 с отверстиями, в которых укреплены патрубки, перекрывемые сверху колпачками. В нижней части колпачка имеются вырезы (или прорези), через которые барботирует пар. Проходя через слой жидкости, пар поступает в патрубки верхней тарелки. Жидкость перетекает на нижнюю тарелку через переточные каналы, концы которых погружены в жидкость (гидравлический затвор). Иногда переточными каналами служат цилиндрические трубки. Колпачки размещаются в вершинах равносторонних треугольников. Уровень жидкости на тарелке определяется высотой сливного порога. Тарелки со сливными устройствами могут работать в трех гидродинамических режимах: 1) пузырьковом; 2) пенном; 3) струйном. Пузырьковый режим – при небольших скоростях пара. Поверхность контакта фаз небольшая. При увеличении скорости пара отдельные пузырьки сливаются в струю, при разрушении которой образуется пена. Поверхность контакта фаз максимальна. Это пенный режим. При дальнейшем росте скорости пара паровые струи выходят на поверхность барботажного слоя, образуя большое количество крупных брызг. Это струйный режим. Поверхность контакта фаз резко снижается. Поверхность контакта фаз резко снижается.

Плюсы: широкий интервал нагрузок по пару и жидкости, большая производительность, высокая четкость разделения смеси.

Минусы: сложность, дороговизна, повышенное гидравлическое сопротивление.

 Схема ректификационной установки. Укрепляющая и исчерпывающая части колонны. Влияние флегмового числа на показание ректификации.

Основной аппарат ректификационной установки – ректификационная колонна. 1 – ректификационная колонна, 2 – тарелка, 3 – кипятильник (дистилляционный куб), 4 – подогреватель питания, 5 – дефлегматор, 6 – конденсатор

 

Рассматриваемая колонна – в непрерывном режиме. Кипятильник 3 может быть выносным или может располагаться прямо под колонной. Паровая фаза образуется при кипении части жидкости в кипятильнике. По составу это почти ВК. С верхней тарелки в дефлегматор 5 поступает почти НК. В дефлегматоре может конденсироваться или часть паров, или вся паровая фаза. Соответственно холодильник 6 служит или для конденсации оставшихся паров, или просто для охлаждения конденсата. Одна часть конденсата (флегма) подается на верхнюю тарелку колонны в виде орошения. Другая часть отбирается в виде готового продукта (дистиллят). Исходная смесь подается на тарелку питания, как правило, при температуре кипения за счет нагрева в подогревателе 4. Верхняя часть колонны (выше тарелки питания) – укрепляющая часть – пар укрепляется НК. Нижняя часть колонны (ниже тарелки питания) – исчерпывающая часть – из жидкости исчерпывается НК. Укрепляющая часть орошается только флегмой, исчерпывающая – суммой флегмы и питания. Часть жидкости после нижней тарелки отбирается в виде кубового остатка (готовый продукт).

Для разделения смеси требуется бесконечно большое число тарелок, т.е. высота колонны должна быть бесконечно большая. Чем меньше флегмовое число, тем меньше орошение и тем меньшее количество жидкости надо испарить и меньшее количество пара надо сконденсировать. Значит, при R = R_min производительность колонны максимальна, но качество разделения наихудшее. При этом диаметр колонны при заданной скорости жидкого потока минимальный. При R = ∞, т.е. когда G_D = 0,  максимальна (при х = х_F). Рабочие линии совпадают с диагональю; высота колонны тоже минимальна.

При этом орошение и диаметр колонны максимальны, расходы теплоносителей тоже максимальны, производительность колонны минимальна, качество разделения наилучшее. Колонна работает на себя, без отбора дистиллята. От флегмового числа зависят размеры и производительность колонны и расходы теплоносителей. Капитальные затраты определяются размерами аппаратов, а эксплуатационные расходы – расходами теплоносителей и разделяемой смеси. Оптимальное флегмовое число отвечает минимуму суммарных затрат на ректификацию.

Задача