Informe abierto de química aplicada
Título de tesis: Diseño de proceso de columna de destilación continua en proceso de separación de benceno-clorobenceno.
Informe de investigación y revisión de la literatura: (explica el estado de la investigación y las tendencias de desarrollo, la importancia y el valor de esta investigación, referencias)
Antecedentes del proyecto
Diseño Es el alma de la construcción de ingeniería, juega un papel destacado y decisivo en la construcción de ingeniería y determina el nivel de modernización industrial. El diseño de ingeniería es el puente y vínculo que transforma los resultados de la investigación científica en productividad práctica. Sólo a través del diseño se pueden transformar los resultados de la investigación científica industrial en productividad industrial real. El diseño de ingeniería química es un trabajo altamente orientado a políticas que involucra política, economía, tecnología, protección ambiental, leyes y regulaciones, etc. , y también implica intersección, síntesis y coordinación multidisciplinaria, multidisciplinaria, y es un trabajo colectivo. Las ideas de diseño avanzadas, los métodos de diseño científico y los excelentes trabajos de diseño son las direcciones y objetivos de diseño que los diseñadores de ingeniería deben seguir. En el diseño de ingeniería química, el diseño de equipos de unidades químicas es el núcleo y la base de todo el proceso químico y el diseño del dispositivo, y recorre todo el proceso de diseño. Por lo tanto, como estudiante universitario con especialización en ingeniería química, es muy importante dominar los métodos de diseño de equipos unitarios químicos.
La destilación es la operación unitaria más utilizada para separar mezclas líquidas (incluidas las mezclas de gases licuados) y se utiliza ampliamente en las industrias química, de refinación de petróleo, petroquímica y otras. Durante el proceso de destilación, las fases gaseosa y líquida se ponen en contacto directamente y se separan muchas veces impulsadas por agentes energéticos (a veces agregando agentes de masa), y las diferentes volatilidades de cada componente en la mezcla líquida se utilizan para transferir componentes volátiles de la fase líquida. En la fase gaseosa, los componentes no volátiles se transfieren de la fase gaseosa a la fase líquida para lograr la separación de cada componente en la mezcla de materia prima. Este proceso es un proceso de transferencia de masa y de transferencia de calor al mismo tiempo.
La tarea de diseño en esta ocasión es diseñar una torre de destilación con una determinada capacidad para conseguir la separación de benceno y clorobenceno. En vista de la pequeña capacidad de esta tarea de diseño, el sistema de benceno-clorobenceno es fácil de separar y el material líquido a procesar es limpio, el diseño decidió utilizar una torre de placas de tamiz. Los principales contenidos de esta asignatura son el balance de materia, el balance de calor, el cálculo de procesos, el diseño estructural y su verificación. Limitado al nivel del autor, inevitablemente existen deficiencias y falacias en el diseño. Por favor criticame y corrígeme.
La torre de placas cribadoras es una de las torres de placas más utilizadas en la producción. La torre de placas tiene las ventajas de una estructura simple, fabricación y mantenimiento convenientes, gran capacidad de producción, pequeña caída de presión de la bandeja y alta eficiencia de la bandeja. Salió ya en 1832. Durante mucho tiempo se ha malinterpretado que el rango de trabajo es estrecho y que los orificios del tamiz se obstruyen fácilmente, por lo que se ha ignorado. La placa criba tiene una estructura simple, bajo costo y gran atractivo económico. Por eso, desde los años 50, muchos investigadores han vuelto a investigar la columna de placas de tamiz. Los resultados muestran que la razón del estrecho rango de operación de la torre de placas de tamiz es un diseño deficiente (principalmente punto de diseño bajo y fácil fuga), mientras que la torre de placas de tamiz bien diseñada tiene un amplio rango de operación. En cuanto al problema de que los orificios del tamiz se obstruyan fácilmente, se puede resolver satisfactoriamente con la placa de tamiz I de gran apertura.
A principios de la década de 1960, la American Distillation Research Corporation (FRI) llevó a cabo una investigación sistemática sobre torres de placas de tamiz a escala industrial, utilizando diferentes materiales y presiones operativas, y los modificó ampliamente parámetros estructurales como el orificio del tamiz. Se determinó el diámetro, la relación de apertura y la altura del vertedero. Los resultados de esta investigación han perfeccionado el diseño de la torre de placa de tamiz y se ha patentado el método de diseño de la placa de tamiz de gran apertura. También se han realizado investigaciones nacionales sobre placas de tamiz de gran apertura.
La investigación de FRI muestra que una placa de tamiz bien diseñada es una bandeja con alta eficiencia y gran capacidad de producción, lo que promueve en gran medida la promoción y aplicación de placas de tamiz. En la actualidad, las placas de tamiz se han convertido en las bandejas generales más utilizadas. En nuestro país es cada vez más habitual la aplicación de placas tamizadoras.
Se puede decir que la torre de destilación con placa tamiz es una torre de destilación tradicional. Al principio, la producción industrial lo ignoró por motivos de diseño. Sin embargo, debido al desarrollo de la tecnología informática y la mejora del nivel de diseño, los fabricantes valoran y utilizan cada vez más las torres de placas de tamiz. Sus ventajas son equipo simple, operación simple, mantenimiento conveniente y bajo costo de fabricación.
2. Estado de la investigación y tendencias de desarrollo.
Los equipos de transferencia de masa gas-líquido se dividen principalmente en dos categorías: torre de placas y torre empacada. Las operaciones de destilación pueden utilizar columnas de platos o columnas empaquetadas. La torre de placas es un equipo de transferencia de masa gas-líquido con contacto paso a paso, y hay muchos tipos. Según los diferentes elementos de contacto gas-líquido en la bandeja, se puede dividir en torre de burbujas, torre de válvula flotante, torre de placa de tamiz, torre de placa porosa, torre de lengüeta, torre de lengüeta flotante y torre de chorro flotante. Las torres de placas se utilizaron por primera vez industrialmente como torres de casquete de burbujas (1813) y torres de bandejas de tamiz (1832). Más tarde, especialmente después de la década de 1950, con el rápido desarrollo de las industrias química y petrolera, apareció una gran cantidad de bandejas nuevas, como placas en forma de S, bandejas con válvula de flotador, bandejas con tamiz de bajante múltiple y bandejas en forma de lengüeta. En la actualidad, a juzgar por el uso real en el país y en el extranjero, los principales tipos de bandejas incluyen torres de placa de tamiz, torres de válvulas de flotador y torres de casquete de burbujas, de las cuales la primera se usa particularmente ampliamente.
La torre de platos cribosos es un tipo de torre de platos. Su intención de diseño es hacer contacto total con las fases líquida y de vapor en la bandeja para reducir la resistencia a la transferencia de masa. Por otro lado, las dos fases se mantienen en flujo contracorriente en su conjunto, de modo que las dos fases estén en contacto de flujo cruzado uniforme en la bandeja para obtener una mayor fuerza impulsora de transferencia de masa. En el interior hay varias capas de placas horizontales, con muchos pequeños agujeros en las placas, con forma de rejillas, con o sin tubos de rebosadero; Durante el funcionamiento, el líquido entra por la parte superior de la torre y desciende plato a plato a través del tubo de rebose (en parte a través de los orificios del tamiz), acumulando una capa de líquido sobre el plato. El gas (o vapor) ingresa desde la parte inferior de la torre, sube a través de los orificios del tamiz, pasa a través de la capa líquida y burbujea, permitiendo que las dos fases entren en contacto e interactúen completamente. Una forma de proceso de transferencia de masa gas-líquido en contacto con burbujas que tiene mejor rendimiento que una torre de burbujas.
Para superar la dificultad de la instalación de la placa de criba a gran altura, se desarrolló una placa de criba circulante. Para superar las fugas de la placa de criba bajo carga baja, se diseñó una placa de criba con un disco debajo de la placa. Reduzca el arrastre de niebla en la placa de pantalla, acorte la distancia entre las placas, fabrique la placa de pantalla con deflectores y orificios sobresalientes en la placa y use una plataforma de espuma inclinada para reemplazar la presa de entrada. Las placas de tamiz Linde están equipadas con ranuras para la conducción de aire en la bandeja. La torre de placa tamiz es una torre fría y caliente ampliamente utilizada en el proceso de intercambio de temperatura dual H2S-H2O para destilación, absorción y eliminación de polvo.
La torre de placa tamiz es un equipo de torre común en el proceso de transferencia de masa. Sus principales ventajas son:
(1) La estructura es más simple y fácil de procesar que la torre de válvula flotante. , y su costo es de aproximadamente un casquete de burbuja del 60% de la torre y el 80% de la torre de válvula de flotador.
(2) La capacidad de procesamiento es grande y se puede aumentar entre un 10 y un 15 % en comparación con la torre de tapa de burbuja del mismo diámetro de torre.
(3) La eficiencia de la bandeja es 65438±05% mayor que la de la torre de burbujas.
(4) Caída de presión, la presión por plato es aproximadamente un 30% menor que la de la torre de burbujas.
Las desventajas de la torre de bandeja cribadora son:
(1) Se requiere que el nivel de instalación de la bandeja sea alto, de lo contrario el contacto gas-líquido será desigual.
(2) La flexibilidad operativa es pequeña (alrededor de 2 ~ 3).
(3) La placa del tamiz con orificio pequeño se bloquea fácilmente.
Las placas cribadoras Linde, actualmente muy utilizadas, fueron desarrolladas por la filial Linde de la American Union Carbide Corporation. Se utilizó por primera vez en la torre de destilación de unidades de separación de aire que requerían una baja caída de presión y comenzó a utilizarse en unidades de destilación de etilbenceno-estireno después de 1963. En los años 1970, más de 120 torres de destilación al vacío de muchas empresas utilizaban placas de tamiz Linde, de las cuales 45 tenían un diámetro superior a 5,0 m, y el diámetro máximo era de 11,5 m. Sobre las placas de tamiz normales hay dos placas de tamiz Linde. mejoras: primero, levante la bandeja hacia arriba en la salida de líquido del bajante y, segundo, agregue orificios guía tipo rejilla (conocidos como placas de tamiz guía en China) en la bandeja. Esta mejora aumenta el área efectiva de burbujeo y cambia la operación de la bandeja del tipo burbujeante al tipo rociador, lo que reduce el gradiente del nivel del líquido y al mismo tiempo hace que la distribución del gas sea uniforme, lo que reduce la caída de presión de la placa seca y reduce el arrastre de niebla. Mejora la eficiencia de transferencia de masa. En la actualidad, más de 10 equipos en China han utilizado placas de criba Linde de funcionamiento medio.
La destilación es la operación de separación y transferencia de masa más utilizada. Su amplia aplicación ha hecho que su tecnología sea bastante madura, pero la madurez de la tecnología no significa que el desarrollo y el estancamiento ya no sean necesarios en el futuro. . El desarrollo de tecnologías maduras a menudo requiere más energía, pero debido a su amplia aplicación, cada mejora, incluso la más pequeña, traerá enormes beneficios económicos. Por esta razón, la investigación sobre la destilación sigue recibiendo una atención generalizada y sigue avanzando.
Mejorar la eficiencia termodinámica y el ahorro energético del proceso de destilación siempre ha sido un área de investigación de preocupación. Utilizar los conceptos de integración de calor y análisis pinch para sintetizar secuencias de separación, desarrollar procesos de separación que ahorren energía y optimizar redes de intercambio de calor, así como aplicar racionalmente bombas de calor, destilación multiefecto, rehervidores intermedios y condensadores intermedios en procesos de separación específicos. Lograr la conservación de energía siempre ha sido un área de investigación activa que ha recibido amplia atención.
Para materiales que son difíciles (o imposibles) de separar mediante destilación ordinaria, también vale la pena desarrollar procesos de separación de destilación extractiva y destilación azeotrópica, combinar la destilación con la reacción y desarrollar la destilación reactiva. Los motivos de preocupación son de gran importancia para ampliar el ámbito de aplicación de la destilación y mejorar los beneficios económicos.
Con el desarrollo de la química fina, la aplicación de la destilación discontinua se está generalizando cada vez más y su investigación también ha recibido la debida atención. El desarrollo de varios modos de funcionamiento nuevos tiene efectos evidentes en el ahorro del consumo de energía y la reducción del tiempo de funcionamiento. El cálculo de simulación de la retención de líquido de la membrana de destilación discontinua ha logrado algunos avances, lo cual es de gran importancia para el diseño y la orientación de la operación.
Para desarrollar modelos de eficiencia y caída de presión más confiables, se debe prestar atención a los datos medidos, especialmente a los datos de prueba a escala industrial, que son la base para establecer y validar modelos. En las décadas de 1960 y 1970, la American Distillation Research Company y otros llevaron a cabo una serie de experimentos a escala industrial y obtuvieron datos medidos muy valiosos, que sentaron una base importante para el establecimiento de diversos modelos y una comprensión más profunda de los fenómenos.
Los trabajos de investigación sobre la destilación han sido muy activos y siguen dando resultados. Con el desarrollo continuo y la aplicación industrial de varios nuevos métodos de separación, su importante papel en el petróleo, el gas natural, la industria petroquímica, la medicina y la química de productos agrícolas no cambiará, y su estatus como principal método de separación no se verá afectado. Como señaló Phil en la Conferencia Internacional de Destilación de 1987: "Si la mezcla puede separarse mediante destilación, entonces el método económicamente atractivo puede ser la destilación. Con la mejora de la ciencia y la tecnología y los niveles de producción industrial, la aplicación de la destilación es muy amplia". . Lo importante es mejorar aún más su nivel técnico y perfeccionarlo mediante esfuerzos continuos.
3 Importancia y valor de la investigación
Este diseño utiliza destilación continua para separar la mezcla binaria de benceno-clorobenceno. La torre de destilación continua opera bajo presión normal. La mezcla binaria separada de benceno-clorobenceno ingresa a la torre desde el centro de la torre de destilación continua. Bajo una determinada relación de reflujo, el benceno con contenido calificado se extrae de la parte superior de la torre de destilación continua. retirado de la torre. La pureza del clorobenceno no es inferior al 99,5%.
El equipo con una gran relación altura-diámetro se denomina torre. Los equipos de torre son uno de los equipos más importantes en la producción química y de refinación. Puede poner en estrecho contacto fases gaseosas (o vapor), líquidas o líquido-líquido para lograr el propósito de transferencia de masa y calor entre fases. Las operaciones unitarias comunes que se pueden realizar en equipos de columna incluyen destilación, absorción, desorción y extracción.
Además, enfriamiento y recuperación de gases industriales, purificación húmeda y secado de gases, y humidificación y deshumidificación con transferencia de masa y calor de gases y líquidos.
En plantas químicas o de refinería, el rendimiento de los equipos de torre tiene un gran impacto en la producción del producto, la calidad, la capacidad de producción y la cuota de consumo de toda la planta, así como en el tratamiento de tres residuos y la protección del medio ambiente. . Según datos relevantes, el costo de inversión de los equipos de torre representa una gran proporción del costo de inversión de todo el equipo de proceso. Por lo tanto, el diseño y la investigación de equipos de torre han recibido gran atención por parte de las industrias química y de refinación.
Como equipo de torre utilizado principalmente para procesos de transferencia de masa, primero se debe hacer pleno contacto con el gas (vapor) y el líquido para obtener una mayor eficiencia de transferencia de masa. Además, para satisfacer las necesidades de la producción industrial, los equipos de torre también deben considerar la siguiente eficiencia de transferencia de masa. Además, para satisfacer las necesidades de la producción industrial, los equipos de torre también deben considerar los siguientes requisitos:
(1) Gran capacidad de producción. Con mayores caudales de gas (vapor) y líquido, no habrá una gran cantidad de arrastre de niebla, bloqueo de líquido o inundación de líquido, lo que afectará el funcionamiento normal.
(2) Funcionamiento estable y alta flexibilidad. Cuando la carga de gas (vapor) y líquido del equipo de la torre fluctúa mucho, aún puede funcionar de manera estable y tener una alta eficiencia de transferencia de masa. Y el equipo de la torre debe garantizar un funcionamiento continuo a largo plazo.
(3) La resistencia al flujo de fluido es pequeña. Es decir, la caída de presión del fluido que pasa por el equipo de la torre es muy pequeña. Esto ahorrará enormemente el consumo de electricidad en producción y reducirá los gastos operativos diarios. Para las operaciones de destilación al vacío, una gran caída de presión también impide que el sistema mantenga el vacío necesario.
(4) La estructura es simple, el consumo de material es bajo y es fácil de fabricar e instalar. Esto puede reducir los costos de inversión en el proceso de construcción de capital.
(5) Resistente a la corrosión, no es fácil de bloquear, fácil de operar, ajustar y mantener.
De hecho, es imposible que cualquier tipo de torre existente cumpla plenamente todos los requisitos anteriores, pero es única en algunos aspectos.
De acuerdo con la tarea de diseño, el tipo de torre diseñada es una torre de placa tamizadora. La torre de placas cribosas es un tipo de torre de placas que apareció muy temprano. Desde la década de 1950, se han realizado una gran cantidad de estudios a escala industrial sobre torres de placas de tamiz, y gradualmente se ha dominado el rendimiento de las torres de placas de tamiz y se ha formado un método de diseño relativamente completo. En comparación con la torre de casquete de burbujas, la torre de bandeja de tamiz tiene las siguientes ventajas: la capacidad de producción aumentó entre un 20% y un 40%, la eficiencia de la bandeja aumentó entre un 10% y un 15%, la presión se redujo entre un 30% y un 50%, estructura simple, el costo de la bandeja se redujo aproximadamente 40%, instalación Fácil de mantener. Por tanto, es muy utilizado contra el abandono crónico. En los últimos años, la investigación sobre placas de tamiz todavía se está desarrollando y existen muchas formas, como placas de tamiz de gran apertura (aberturas de hasta 20-25 mm), placas de tamiz guiadas, etc.
La placa de criba se divide en área con orificio de criba, área sin orificio, vertedero de desbordamiento y bajante. Los orificios de tamiz comúnmente utilizados en las torres industriales tienen una apertura de 3 a 8 mm, dispuestos en un triángulo equilátero, y la relación entre el espacio y la apertura es de 2,5 a 5. En los últimos años, han aparecido placas de tamiz de gran apertura (10-25 mm), que tienen la ventaja de ser fáciles de fabricar y no fáciles de bloquear, pero tienen bajos puntos de fuga y baja flexibilidad operativa.
Esta asignatura combina la docencia teórica con aplicaciones prácticas, ayudando a mejorar la capacidad de afrontar problemas prácticos. A través del estudio de este tema, podemos profundizar nuestra comprensión de los principios básicos del proceso de destilación, familiarizarnos con los métodos de diseño de procesos de las torres de destilación con placas de tamiz y cultivar nuestras capacidades de diseño.
El proceso tiene una estructura simple, bajo costo, operación flexible y un fuerte valor práctico de ingeniería. La promoción de este proceso acelerará el progreso de la tecnología de ahorro de energía en el proceso de producción industrial de mi país y promoverá el desarrollo de una gran cantidad de tecnologías e industrias relacionadas.
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