Ректификационная колонна

Этилацетат используется в следующих отраслях промышленности:

- как растворитель в производстве лакокрасочных материалов и чернил для печатающих машин; 

- как растворитель в изготовлении клеевых композиций; 

 - на стадии упаковывания различных товаров гибкими упаковочными материалами - как растворитель чернил при нанесении надписей и изображений трафаретным способом; 

 - как реагент и как реакционная среда в производстве фармацевтических препаратов (метоксазол, рифампицин и т.д.); 

- как обезжиривающий агент в производстве алюминиевой фольги и тонких алюминиевых листов; 

- как очищающий и обезжиривающий агент в электронной промышленности;  --- как растворитель эфиров целлюлозы; 

- в смеси со спиртом как растворитель в производстве искусственной кожи;  
- как экстрагирующий агент для различных органических веществ из водных растворов. Благодаря низкой токсичности этилацетат используется в пищевой промышленности, например, для экстрагирования кофеина из кофе.

- как желатинизирующее средство при изготовлении взрывчатых веществ; 

- как компонент фруктовых эссенций  [4].

Толуол (метилбензол) С₆Н₅СН₃ – прозрачная бесцветная жидкость с резким неприятным запахом. Молекулярная масса 92. Температура плавления –95 °С, температура кипения 110,8 °С. Динамический коэффициент вязкости при 20 °С составляет 0,6 сП, плотность при 20  °С – 866 кг/м³. Получается при взаимодействии хлорметана с бензолом в присутствии хлорида алюминия. Также его получают из гептана при нагревании в присутствии катализатора.

 Толуол  широко применяют для получения  пластмасс, синтетических красителей, лекарственных и взрывчатых веществ  (тринитротолуол), синтетических каучуков, моющих средств. Толуол очень токсичен и ядовит [3].

 

4. Выбор конструкции материала

Конструкционными называют материалы, предназначенные для изготовления деталей машин, приборов, инженерных конструкций, подвергаюшиеся механическим нагрузкам. Детали машин и приборов характеризуются большим разнообразием форм, размеров, условий эксплуатации. Они работают при статических, циклических и ударных нагрузках, при низких и высоких температурах, в контакте с различными средами. Эти факторы определяют требования к конструкционным материалам, основные из которых эксплуатационные, технологические и экономические [24].

Эксплуатационные требования имеют  первостепенное значение. Для того чтобы обеспечить работоспособность  конкретных машин и приборов, конструкционный  материал должен иметь высокую конструкционную  прочность.

Конструкционной прочностью называется комплекс механических свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу материала в условиях эксплуатации.

Механические свойства, определяющие конструкционную прочность и  выбор конструкционного материала, рассмотрены ниже. Требуемые характеристики механических свойств материала для конкретного изделия зависят не только от силовых факторов, но и воздействия на него рабочей среды и температуры.

Среда - жидкая, газообразная, ионизированная, радиационная, в которой работает материал, оказывает существенное и преимущественно отрицательное влияние на его механические свойства, снижая работоспособность деталей. В частности, рабочая среда может вызывать повреждение поверхности вследствие коррозионного растрескивания, окисления и образования окалины, изменение химического состава поверхностного слоя в результате насыщения нежелательными элементами (например, водородом, вызывающим охрупчива-ние). Кроме того, возможны разбухание и местное разрушение материала в результате ионизационного и радиационного облучения. Для того чтобы противостоять рабочей среде, материал должен обладать не только механическими, но и определенными физико-химическими свойствами: стойкостью к электрохимической коррозии, жаростойкостью (окалиностойкостью  -  устойчивостью к химической коррозии), радиационной стойкостью, влагостойкостью, способностью работать в условиях вакуума и др.

Температурный диапазон работы современных  материалов очень широк - от 269 до 1000 °С, а в отдельных случаях до 2500 "С. Для обеспечения работоспособности  при высокой температуре от материала  требуется жаропрочность, а при  низкой температуре – хладостойкость [24].

В некоторых случаях важно также  требование определенных магнитных, электрических, тепловых свойств, высокой стабильности размеров деталей (особенно высокоточных деталей приборов).

Технологические требования (технологичность  материала) направлены на обеспечение  наименьшей трудоемкости изготовления деталей и конструкций. Технологичность  материала характеризуют возможные  методы его обработки.

Для обоснованного выбора конструкционного материала необходима информация о его коррозионной стойкости, соотношении стойкости и надежности, работоспособности в условиях высоких температур и давлений, различных коррозионных сред, высоких механических напряжений, эрозии под действием потока жидкости (пара, газа), несущего твердые частицы под высоким давлением и при высоких скоростях. Для борьбы с эрозией нужно знать, как изменяются свойства материалов при различных скоростях материального потока и углах падения частиц [24].

Снижения эрозии можно добиться ограничением скорости движения среды или выбором необходимой конструкции трубопровода, использованием большого припуска на коррозию для той части оборудования, которая в наибольшей мере подвержена эрозии. Как уже отмечалось, эрозии подвергаются главным образом места переходных сечений, врезки штуцеров, переходы и т. д. Опасность коррозионного и эрозионного разрушения нужно оценивать в каждом конкретном случае с учетом характеристики среды и режима работы системы, а также статистических сведений о скорости коррозии, сроках безаварийной работы и частоте аварий по этим причинам в реальных производственных условиях.

Известно, что с повышением температуры и давления скорость коррозии, как правило, возрастает, увеличение скорости движения жидкостей и газов в аппаратах и трубопроводах также влечет за собой усиление коррозии. Поскольку в технологических регламентах эти параметры определены с учетом коррозионного действия, очевидно, что их нарушение будет увеличивать степень коррозии, поэтому такие нарушения недопустимы. Даже при правильном выборе конструкционного материала причиной коррозии может служить небрежный уход за оборудованием. Малозаметные трещины в кислотоупорной футеровке могут привести впоследствии к серьезным авариям. Установлено, что трещины, рванины, царапины являются участками, где обычно начинается коррозия, поэтому нельзя.

Материал должен обладать высокой герметичностью в эксплуатационных условиях при действии на аппараты различного рода дополнительных нагрузок (ветровая нагрузка, прогиб от собственного веса и т.п.), низкой стоимостью материала, не дефицитностью и освоенностью его в промышленности [24].

 

5. Технологическая схема и ее описание

 

Исходную  смесь из промежуточной емкости-1 центробежным насосом-2 подают в теплообменник-3, где подогревают до температуры  кипения и подают в колонну  на ту тарелку, где кипит смесь  того же состава х_F, т.е. на верхнюю тарелку нижней исчерпывающей части колонны. Верхняя часть колонны называется укрепляющей по легколетучему компоненту [8]. Внутри ректификационной колонны-4 расположены контактные устройства в виде тарелок. Снизу вверх по колонне движется пар, поступающий из выносного куба – испарителя (кипятильника)-5 (куб – испаритель может размещаться и непосредственно под колонной) колонна патрубок гидравлический

Рис. 7. Технологическая схема ректификационной установки

Начальный состав пара примерно равен составу  кубового остатка х_W, т.е. обеднен легколетучим компонентом. Таким образом, пар, выходящий из куба – испарителя и представляющий собой почти чистый труднолетучий компонент, по мере движения вверх обогащается легколетучим компонентом и покидает колонну в виде почти чистого пара легколетучего компонента. Для полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава х_Р, получаемой в дефлегматоре-6 путем конденсации пара, выходящего из колонны.

Пар конденсируется в дефлегматоре, охлаждаемом водой. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения – дистиллята, который охлаждается  в теплообменнике - 7 и направляется в промежуточную емкость - 8. Флегма, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, обогащается труднолетучим компонентом.

Из куба – испарителя отводят нижний продукт  или кубовый остаток.

Из кубовой  части колонны насосом - 9 непрерывно выводится кубовая жидкость – продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике - 10 и направляется в емкость - 11.

2.  Технологический расчет

2.1. Материальный баланс колонны

2.1.1. Уравнение материального баланса

                                                                                              ₍₁₎

                                                                           ₍₂₎

2.1.2. Содержание легколетучего компонента:

- в исходной смеси;

  в дистилляте;

- в кубовом остатке;

массовый  расход по дистилляту  G_D = 3300 кг/ч = 0,92 кг/c.

Обозначим массовый расход по исходной смеси G_F кг/c, кубового остатка через G_W кг/c.

Уравнение материального баланса  ректификационной колонны непрерывного действия имеет вид:

                                                                           ₍₃₎

G_F = 3300 + G_W ;

0,11G_F = 3300*0,93 + 0,015G_W

363 + 0,11 G_W = 3069 + 0,015G_W

0,095 G_W =2706

G_W = 28484,2  кг/ч =7,39 кг/c

G_F = 3300 + 28484,2  = 31784,2 кг/ч = 8,8  кг/c.

                                                              (4)

2.2. Рабочее флегмовое число

2.2.1. Пересчет состава фаз из массовых долей в мольные

 

где - молекулярная масса этилацетата ()

       - молекулярная масса толуола ()

 

 

 

 

 

 

2.2.2. Концентрация легколетучего компонента в паровой фазе

Исходные данные введем в табл. 1 [10]:

Таблица 1

Данные по парожидкостному равновесию для системы этилацетат-толуол при нормальном давлении

x, кмоль/кмоль смеси	y, кмоль/кмоль смеси	T, °C
2,1	6,4	108,82
3,2	9,7	107,87
4,8	13,7	106,94
10,7	26,5	103,46
17,5	39,1	99,80
27,0	52,8	95,51
28,3	54,5	95,02
36,5	62,9	92,09
45,2	70,3	89,22
59,8	80,0	85,16
65,6	83,7	83,55
71,5	86,7	82,25
77,3	89,9	81,14
83,5	92,8	79,91
89,1	95,3	78,80
92,2	96,7	78,39
95,4	98,0	77,81
97,0	98,7	77,60

 

По данным табл. 1 построим диаграмму равновесия x,y:

Рис. 8. Диаграмма равновесия между паром (у) и жидкостью (х) при постоянном давлении

 Из рисунка 7 найдем значение

2.2.3. Минимальное флегмовое число

 

2.2.4. Рабочее флегмовое число R

Определяем  рабочее флегмовое число R по формуле:

 

где β  – коэффициент избытка флегмы (берем произвольно).

 

;  

;

 

 

 

Рассчитаем число B:

 

Построим  диаграммы равновесия x,y. На диаграммах отложим значения В, затем построим рабочие линии укрепляющей и исчерпывающей части колонны и нанесем линии обозначающие теоретические тарелки. По количеству пиков, определим число теоретических тарелок (N_т).