Ректификационная очистка TiCl4 от SiCl4

Медведев1.docx

Аналитический обзор рассматриваемого процесса5
1.1 Сведения о составе технического тетрахлорида титана и методах отчистки5
1.2 Ректификационная очистка TiCl4 от SiCl46
2 Краткий обзор существующего аппаратурного оформления процесса производства.11
2.1 Конструкция ректификационных колонн11
2.1.1 Решетчатые тарелки.13
Технологическая часть.16
1 Технологическая схема.16
1.1 Переработка титансодержащего сырья17
1.2 Хлорирование титансодержащего сырья17
1.3 Конденсация и разделение хлоридов18
1.4 Очистка тетрахлорида титана18
1.5 Вспомогательное оборудование процесса ректификации21
2 Материальный расчет23
4 Аппаратный расчет30
4.1 Расчет дефлегматора32
5 Механический расчет32
5.1 Расчет штуцеров и фланцевых соединений32
5.2 Расчет толщины обечайки днища и крышки массы аппарата и опор34
5.2 Расчет тепловой изоляции35
6 Гидравлический расчет35
Приложение А Технологическая схема получения TiCl439
Процессы и аппараты химической технологии изучают теоретические основы типовых процессов химической технологии принципы устройства оборудования для проведения этих процессов основные методы расчета типовых процессов и аппаратов.
В данной работе рассмотрена ректификационная очистка TiCl4 от SiCl4. Интерес к титану проявился в годы второй мировой войны что привело к разработке способа получения ковкого титана и его промышленного освоения в 1950 г. С этого времени производство и потребление титана непрерывно возрастает. Определенные ограничения его применения связаны с высокой стоимостью металла. Из числа химических соединений титана наибольший практический и технологический интерес представляют диоксид TiO2 тетрахлорид TiCl4 и иодид TiI4 титана.
Получение чистого тетрахлорида титана T S FeCl3 002 – 0003 и VCl4 до 02 и т.д.. Технический тетрахлорид титана очищают от примесей методом ректификации.[1]
Ректификацией называется процесс многократной последовательной дистилляции и конденсации летучих компонентов. Этот метод позволяет разделять вещества даже с близкими температурами кипения.[2] Основные компоненты технического тетрахлорида титана кипят при следующих температурах °С: T FeC VC SiCl4 57.[3]
Колонна представляет собой набор тарелок установленных друг над другом в количестве до 40 – 50 штук в вертикальной шахте. Ректификацию TiCl4 проводят в ректификационных колоннах из нержавеющей стали при 60 – 130°С возгоняют наиболее низкокипящий компонент - тетрахлорид кремния - и другие летучие примеси.[1]
Используют TiCl4для получениятитанаоксида TiO2 катализаторов (где происходит полимеризацияэтиленаипропилена алкилирование ароматических углеводородов и др.) и как дымообразователь.[4]
Тетрахлорид титана коммерческой чистоты (9990%) продаётся по цене 1100-1300тонна.
Аналитический обзор рассматриваемого процесса
1.1 Сведения о составе технического тетрахлорида титана и методах отчистки
Четыреххлористый титан получаемый в промышленности хлорированием титансодержащих материалов в присутствии углеродсодержащего восстановителя содержит значительное количество растворенных и взвешенных примесей которые можно условно разделить на три основные группы: газы (НСl СO2 СОСl2 NOCl N2 O2 Сl2 COS и др.) сконденсированные хлориды (ССl4 СНСl3 Сr2O2Сl2 ССl3СОСl VOCl3 SiCl4 Si2OCl6 SOCl2 SO2Cl2 и др.) твердые хлориды и оксихлориды (FeCl3 FeCl2 ТiOСl2 MgCl2 C6H6 POCl3 AlCl3 и др.). Газы и твердые хлориды как правило плохо растворимы в четыреххлористом титане и удаляются из него при дистилляции и ректификации. Жидкости растворимые в нем смешиваются с четыреххлористым титаном в неограниченных количествах. В промышленном четыреххлористом титане методами химического анализа эмиссионной спектроскопии и ИК-спектроскопии постоянно обнаруживают хлориды натрия калия кальция магния алюминия марганца железа никеля и оксихлориды кремния циркония урана ниобия тантала олова хрома молибдена и некоторых других элементов. В четыреххлористом титане присутствуют также кислород водород и хлорсодержащие соединения серы кремния фосфора углерода концентрация которых колеблется от тысячных долей процента до нескольких процентов. Концентрация фосгена например в техническом четыреххлористом титане колеблется в интервале 0005—20% (по массе) концентрация диоксида углерода составляет тысячные доли процента сероуглерода — примерно 0001 % хлористого тионила SOCl2 — в интервале 0001—0005 %. В настоящее время большая часть неметаллических примесей в четыреххлористом титане идентифицирована и ведется контроль содержания их методами спектроскопии. Несмотря на то что в последние годы достигнуты значительные успехи по идентификации и количественному определению загрязняющих четыреххлористый титан примесей в спектрах очищенного TiCl4 периодически появляются полосы поглощения природа которых остается пока не известной. Это относится главным образом к диапазону 300—700 см-1. Идентификация этих примесей и количественные определения вещественного состава TiCl4 остаются важнейшей пока еще полностью не решенной задачей. Содержание примесей в четыреххлористом титане зависит от состава и вида исходного сырья температурных режимов хлорирования и конденсации. При понижении температуры конденсации четыреххлористый титан обогащается газообразными и легколетучими примесями растворимость которых резко увеличивается при понижении температуры но при этом уменьшается количество растворенных в четыреххлористом титане твердых хлоридов.[1] Основное количество получаемого четыреххлористого титана поступает на передел восстановления для производства металлического титана. Качество титана в первую очередь определяется степенью чистоты исходных продуктов — четыреххлористого титана и магния.[4] Значительная часть примесей отделяется от четыреххлористого титана в системе аппаратов хлорирования и конденсации. Полная очистка технического четыреххлористого титана достигается комбинацией различных способов очистки — химических и физических. Четыреххлористый титан от твердых взвесей очищают отстаиванием и фильтрацией осуществляемыми в герметичных отстойниках или в фильтрах различной конструкции. В качестве фильтрующей основы используют керамические металлокерамические пористые патроны и пластины стеклоткани асбестовую набивку кислотостойкие ткани из искусственного волокна и др. Для очистки от жидких примесей используют ректификацию.[1]
1.2 Ректификационная очистка TiCl4 от SiCl4
Ректификация представляет собой процесс многократного частичного испарения жидкости и конденсации паров. Процесс осуществляется путем контакта потоков пара и жидкости имеющих различную температуру и проводится обычно в колонных аппаратах. При каждом контакте из жидкости испаряется преимущественно легколетучий или низкокипящий компонент которым обогащаются пары а из паров конденсируется преимущественно труднолетучий или высококипящий компонент переходящий в жидкость.
Для ректификации используют колонные аппараты называются ректификационными колоннами в которых осуществляется многократный контакт между потоками паровой и жидкой фаз. Движущая сила ректификации - разность между фактическими (рабочими) и равновесными концентрациями компонентов в паровой фазе отвечающими данному составу жидкой фазы. Парожидкостная система стремится к достижению равновесного состояния в результате чего пар при контакте с жидкостью обогащается легколетучими (низкокипящими) компонентами а жидкость - труднолетучими (высококипящими) компонентами.[5]
В зависимости от температур кипения разделяемых жидкостей ректификацию проводят под различным давлением: атмосферным (т. кип. 30-150 °С) выше атмосферного в вакууме (при разделении высококипящих жидкостей для снижения их температур кипения). Ректификацию можно осуществлять непрерывно или периодически. Для непрерывной ректификации применяют колонны состоящие из двух ступеней: верхней-укрепляющей (в ней пар укрепляется) и нижней - исчерпывающей (где происходит исчерпывание жидкой смеси). При периодической ректификации в колонне производится только укрепление пара. Различают также ректификацию бинарных (двухкомпонентных) и многокомпонентных смесей.[2]
Рассмотрим основные важные для практики положения теории ректификации и приведем основные математические зависимости характерные для этого процесса.
Относительная летучесть – основная характеристика компонентов смеси используемая при разделении методом ректификации. Относительная летучесть количественно характеризуется коэффициентом разделения. Под этим понятием подразумевают отношение относительных концентраций смеси в равновесных паровой и жидкой фазе. Коэффициент разделения определяют так же как отношение давления пара чистого летучего компонента А к давлению пара труднолетучего компонента В взятых при одной и той же температуре.
В связи с тем что технический тетрахлорид титана содержит не больше 05 – 10 % примесей не взаимодействующих между собой и с TiCl4 его можно рассматривать бинарную систему: один компонент этой системы – тетрахлорид титана а другой – примесь которую предполагается удалить. Следовательно наибольший интерес представляют значения коэффициентов разделения удаляемой примеси SiCl4 и тетрахлорида титана:
α=(YSiYTi)(XSiXTi) где Si – SiCl4 Ti – TiCl4(1)
Для SiCl4 α > 1 т.е. паровая фаза богаче примесью (тетрахлоридом кремния) чем находящейся с ней в равновесии жидкость. В данном случае в ходе ректификации примесь будет концентрироватся в дистилляте. Коэффициент разделения – необходимы показатель при расчете количества тарелок и высоты насадки в ректификационных колоннах.
Идеальными системами называются такие у которых коэффициент разделения во всем интервале температур (от температуры кипения легколетучего до температуры кипения труднолетучего компонента) сохраняется постоянным. Этой закономерности обычно подчиняются смеси с близкими свойствами компонентов. SiCl4 – TiCl4 является идеальной системой.
Идеальные систем могут быть определены так же как системы подчиняющиеся закону Рауля. Согласно этому закону между содержанием летучего компонента в паре и жидкости находящейся в равновесии с паром и его давлением пара над смесью существует линейная зависимость PA=XA P’А где PA – парциальное давление компонента А над смесью Па; XA – концентрация компонента А в жидкости мольные доли; P’A – давление паров чистого растворителя А Па.
Зависимость относительной летучести от давления хорошо изучена. Показано что при увеличении давления α уменьшается.
В двойных системах при малой растворимости компонентов их относительная летучесть может быть подсчитана по уравнению:
где αид – относительная летучесть подсчитанная по закону Рауля; Х – растворимость малорастворимого компонента мольные доли.
Низкая растворимость одного из компонентов в тетрахлориде титана служит причиной попадания в него так называемых «твердых взвесей». Это явление имеет место в практике ректификации тетрахлорида титана.
Разбавленными растворами называют такие растворы в которых концентрация примесей составляет менее 1%мол.. Технический тетрахлорид титана является типичным разбавленным раствором. Для разбавленных идеальных растворов применим закон Генри заключающийся в том что при постоянной температуре концентрация газа растворенного в данной жидкости прямо пропорциональна его давлению над растворами т.е.:
где PA – парциальное давление газа над жидкостью Па; Х – концентрация компонентов в жидкой фазе мольные дол; m – константа Генри изменяющаяся с температурой и зависящая от природы газа и растворителя.
При наличии в ректификационной колонне укрепляющей и исчерпывающей частей следует учитывать различия в нагрузках по жидкости и пару в этих аппаратах и рассматривать их работу отдельно. В производстве тетрахлорида титана на стадии очистки от SiCl4 исчерпывающая часть ректификационной колонны имеет значительно большую нагрузку по жидкости чем укрепляющая в то время как нагрузка по пару в обеих частях колонны практически равны. Это обстоятельство необходимо учитывать при расчете конструктивных элементов контактных устройств и диаметра ректификационной колонны.
Флегмовое число – важнейшая величина характеризующая процесс ректификации. Флегмовое число рассчитывают как для укрепляющей так и для исчерпывающей частей колонны. Флегмовое число для укрепляющей части колонны равно отношению количества флегмы подаваемой в колонну к количеству дистиллята. Для исчерпывающей части колонны Rисч = (qф + qи.с.)qк.л. где qф – количество флегмы; qи.с. – количество исходной смеси; qк.л. – количество кубового продукта. Иными словами флегмовое число – это относительный возврат или отбор продукта из ректификационной колонны.
Минимальное число флегмы в ректификационной колонне непрерывного действия подсчитывается по следующим формулам:
Rmin укр = (XD – YF)(YF – XF)(4)
где XD XF – содержание легколетучего компонента соответственно в дистилляте и в исходной жидкости мольные доли или %мол.; YF – содержание легколетучего компонента в паре равновесном с жидкостью питания мольные доли или %мол.;
Rmin исч = (YF - Xw)(YF - XF)(5)
Где Xw – содержание легколетучего компонента в кубовом остатке мольные доли или %мол..
Рабочее (действительное) число флегмы рассчитывается по формуле:
где – коэффициент избытка флегмы равный 12 – 25.
Для приближенных расчетов рабочее число флегмы можно найти из следующего выражения[6]:
R = 13 Rmin + 03.(7)
2 Краткий обзор существующего аппаратурного оформления процесса производства.
2.1 Конструкция ректификационных колонн
Для проведения процессов ректификации применяются аппараты разнообразных конструкций. При непрерывной ректификации (см. рис. 1.2.1) смесь подаётся в среднюю часть колонны через теплообменник 1 обогреваемый остатком или паром. В верхней части колоны 2 расположенной выше точки ввода смеси происходит укрепление паров. В нижней части колонны 3 расположенной ниже точки ввода смеси происходит исчерпывание жидкости. Из исчерпывающей колонны жидкость стекает в кипятильник (куб) 4 обогреваемый паром. В кипятильнике образуются пары поднимающиеся вверх по колонне; остаток непрерывно отводится из куба. Пары выходящие из укрепляющей части колонны поступают в дефлегматор 5 откуда флегма возвращается в колонну а дистиллят направляется в холодильник 7.
Рис. 1.2.1. Схема установки ректификационной установки непрерывного действия: 1 – теплообменник; 2 – укрепляющая колонна; 3 – исчерпывающая колонна; 4 – кипятильник; 5 – дефлегматор; 6 – распределительный стакан; 7 – холодильник; 8 – вентиль регулирующий отбор дистиллята.
При периодической ректификации (см. рис 1.2.2.) смесь загружается в куб 1 и нагревается паром проходящим через змеевик 2. После того как смесь в кубе закипит образующиеся пары начинают поступать в колонну 3 откуда по трубе 4 направляются в дефлегматор 5 где конденсируются. Часть конденсата (флегма) по трубе 6 стекает обратно в колонну другая часть (дистиллят) по трубе 7 поступает в холодильник 8 и отсюда отводится в приемник дистиллята.
Рис. 1.2.2. Схема ректификационной установки периодического действия: 1 – куб; 2 – змеевик; 3 – колонна; 4 – труба для отвода паров из колонны; 5 – дефлегматор; 6 – труба для возврата флегмы; 7 – труба для отбора дистиллята; 8 – холодильник.
Преимущество непрерывной ректификации по сравнению с периодической:
Условия работы установки не изменяются в ходе процесса что позволяет установить точный режим упрощает обслуживание и облегчает автоматизацию процесса;
Отсутствуют простои между операциями что приводит к повышению производительности;
Расход тепла меньше причем возможно использование тепла остатка на подогрев исходной смеси в теплообменнике;
В производстве TiCl4 для очистки от низко- и высококипящих примесей применяют тарельчатые и насадочные ректификационные колонны с керамическими кольцами Рашига. Необходимо отметить что насадочные колонны указанного типа малоэффективны и требуют частой замены насадки поэтому их постепенно заменяют тарельчатыми колоннами. В последних используют два вида контактах устройств: провальные решетчатые тарелки и ситчатые тарелки с переливом. Схема их работы показана на рис 1.2.3.. Каждому типу этих тарелок присущи свои преимущества и недостатки которые затрудняют выбор определенной конструкции. Некоторое преимущество среди тарельчатых устройств имеет провальная решетчатая тарелка поэтому эта конструкция до настоящего времени остается основной.[5]
Рис 1.2.3. Схема решетчато-провальной тарелки (а) и ситчатой тарелки с переливом(б).
2.1.1 Решетчатые тарелки.
На практике применяют два типа решетчатых тарелок (рис. 1.2.4.). Тарелки первого типа ( см. рис. 1.2.4. а) изготавливают путем фрезерования в металлическом листе щелей различной длины. Перед установкой в ректификационную колонну тарелки собирают в кассеты ( по 5 – 15в каждой) которые затем вставляют в царги колонны. При таком способе изготовления и сборки не гарантируются жесткость и горизонтальность тарелки а также не устраняется зазор между ней и корпусом колонны.
Рисунок 1.2.4. Конструкции решетчатых тарелок применяемых в производстве T б – стандартное исполнение
Второй более совершенный тип решетчатых тарелок выполнен в соответствии со стандартами химического и нефтехимического машиностроения (см. рис. 1.2.4. б). Изготавливают тарелки путем штамповки в листе щелей одинаковых размеров. При сборке кажду тарелку тщательно устанавливают в корпус колонны а образовавшийся зазор ликвидируют с помощью уплотнения из фторопластовой пленки.
Ниже приведены основные характеристики ректификационных колонн с решетчатыми тарелками двух типов (по данным Л.А. Нисельсона и В.Д. Попова) :
Тарелки без уплотнений D=300мм
Тарелки с уплотнением D=600мм
Площадь поперечного сечения м2
Расстояние между тарелками включая её толщину м
Число реальных тарелок
Предельная нагрузка по TiCl4 в безотборном режиме кгч
Предельная скорость пара в безотборном режиме мс
Оптимальная нагрузка по TiCl4 в безотборном режиме кгч
К.П.Д. тарелки при оптимальной нагрузке %
Интенсивность массобмена при оптимальной нагрузкекг–теоретическая тарелкам3с
Перепад давления при оптимальной нагрузке на реальную тарелку мм. рт. ст.
Обе тарелки прошли промышленное испытание. Тарелки второго типа имеют более высокие характеристики за исключением удельной пропускной способности повышенное значение которой обусловлено увеличенным за счет зазора свободным сечением перфораций. Увеличение свободного сечения тарелки и ширины щелей приводит к снижению эффективности контактного устройства и это необходимо учитывать.
2.1.2 Ситчатые тарелки с переливом.
Ректификационные колонны с ситчатыми тарелками с переливом в производстве TiCl4 пока не прошли длительной промышленной проверки. Однако исходя из опыта работы смежных производств можно ожидать что эти колонны в некоторых случаях например при резких колебаниях электрической мощности кубов – испарителей или при проведении периодической ректификации окажутся полезными поскольку к.п.д. ситчатых тарелок в широком диапазоне незначительно меняется от нагрузки. Конструкция ситчатых тарелок с переливом диаметром от 400 до 3600 мм регламентирована. Диаметр отверстий в этих тарелках принимают 3-8 мм. Свободное сечение перфораций для колонн диаметром 400-1200 мм составляет 3 – 14%. По сравнению с решетчатыми тарелками ситчатые более сложны и трудоемки.
В связи со всем сказанным выше наиболее выгодным является выбор ректификационной колонны непрерывного действия. В качестве контактных устройств ректификационной колонны целесообразно использовать стандартные решетчатые тарелки.[1]
Технологическая часть.
1 Технологическая схема.
Ректификационная очистка тетрахлорида титана является лишь одной стадией в процессе получения тетрахлорида титана. Процесс получения тетрахлорида титана включает себя такие стадии:
Переработка титан содержащего сырья
Хлорирование титансодержащего сырья
Конденсация и разделение хлоридов
Очистка тетрахлорида титана
Технологическая схема получения TiCl4 показана в приложение А.[1]
1.1 Переработка титансодержащего сырья
Ильменитовые концентраты экономические нецелесообразно направлять непосредственно на процесс хлорирования из-за значительного расхода хлорида железа и трудностей утилизации большого количества этого хлорида с одновременной регенерацией хлора. Для обогащения ильменитовых концентратов применяют руднотермическую восстановительную электроплавку в результате которой получают титановый шлак с содержанием 80% TiO2 и металл имеющий состав близкий к составу чугуна. Восстановительную плавку ведут в трехфазных электродуговых печах (см. рис. 2.1.1).
Рисунок 2.1.1. Схема электродуговой печи для выплавки титановых шлаков. 1-электроды (третий электрод не показан); 2 - шихта; 3 – стальной кожух; 4 – асбоцементный лист; 5 – магнезитовая крупка; 6 – магнезитовый огнеупорный кирпич; 7 – летка; 8 - гарнисаж; 9 – чугун; 10 – титановый шлак;
Затем титановый шлак измельчают до требуемой крупности высушивают и отправляют на хлорирование.
1.2 Хлорирование титансодержащего сырья
Существует несколько способов хлорирования титансодержащего сырья:
Хлорирование в шахтных электропечах
Хлорирование в шахтных хлораторах непрерывного действия
Хлорирование в шахтных хлораторах кипящего слоя
Хлорирование в расплаве хлоридов щелочных металлов
Каждый из методов имеет свои плюсы и минусы. Наиболее рентабельным является хлорирование в расплаве хлоридов щелочных металлов так как этот метод по сравнению с другими имеет ряд преимуществ: упрощается технологическая схема подготовки шихты наиболее просто решается вопрос терморегулирования процесса упрощается процесс конденсации тетрахлорида титана уменьшается количество примесей.
1.3 Конденсация и разделение хлоридов
Образующаяся в процессе хлорирования парогазовая смесь направляется на отделение и конденсацию тетрахлорида титана. Как процесс хлорирования так и процесс конденсации выполняются по разным аппаратурно – технологическим схемам каждая из которых имеет свои положительные и отрицательные стороны. Существует преобладающая точка зрения на наиболее отработанную и эффективную схему для передела конденсации с возвратом пульп TiCl4 в расплав хлоратора.
Парогазовая смесь в основном состоит из хлоридов элементов и газов. Так как на выходе из хлоратора она имеет температуру 500 – 800°С то основная часть хлоридов находится в газообразном и конденсированном виде.
Конденсационная система должна состоять из различных теплообменных пыле-каплеулавливающих и разделительных аппаратов. Известно несколько схем аппаратурно-технологического оформления передела конденсации:
Раздельная «сухая» система конденсации
Комбинированная система конденсации
Совместная система конденсации
«Солевая» система конденсации
Система конденсации с возвратом пульп в расплавные хлораторы
1.4 Очистка тетрахлорида титана
Готовый продукт получаемый на переделе хлорирования принято называть техническим тетрахлоридом титана. Технический TiCl4 – очень сложная многокомпонентная смесь содержащая значительное количество неорганических и органических примесей. Характер примесей и их относительное содержание в техническом тетрахлориде титана определяется исходным сырьем способом его хлорирования аппаратурным оформлением процессов уровнем ведения технологии.
В техническом TiCl4 весь ванадий находится в виде оксотрихлорида ванадия (VOCl3) – примеси трудноудаляемой методами обычной ректификации. Для химической очистки используют такие реагенты. Как медный порошок пульпу низших хлоридов титана и др. Сущность процесса заключается в том что реагенты избирательно взаимодействуют с VOCl3 переводя его в малорастворимые высококипящие соединения ванадия. Легко удаляемые известными методами (отстаиванием фильтрацией ректификацией). Очистка медным порошком является наиболее простым и универсальным так как кроме ванадия медный порошок удаляет серу и некоторые органические вещества обесцвечивает TiCl4.
Твердые вещества содержащиеся в TiCl4 значительно осложняют или делают невозможной последующую его ректификацию так как контактные устройства ректификационных колонн подвержены «зарастанию». Это явление в большей степени наблюдается при прохождение загрязненного продукта через контактные устройства и в меньшей – при поступление продукта непосредственно в кубы-испарители откуда твердые вещества выводятся. Для очистки технического тетрахлорида титана от твердых веществ применяют отстаивание. Фильтрацию и ректификацию. Наибольшее распространение получили отстаивание и ректификация.
Очистка от твердых веществ отстаиванием – наиболее дешевый и простой. Способ основан на различии в скорости осаждения частиц под действием силы тяжести при пониженной скорости потока. Осуществляют его в сгустителях Дорра.
Более тонкую очистку от твердых веществ осуществляют фильтрацией в фильтрах различной конструкции. Фильтрующей перегородкой в этих агрегатах служит стеклоткань керамика металлокерамика мелкая металлическая сетка и др. Недостаток большинства фильтров состоит в получении сгущенной пульпы которую в дальнейшем еще требуется перерабатывать. Этот недостаток устраняют в фильтровально-сушильных аппаратах где операции фильтрации и сушки совмещены.
Дистилляцию в производстве TiCl4 не используют так как не удается получить этим методом достаточно чистый по содержанию твердых веществ TiCl4 поскольку последние порции дистиллята богаты высококипящими компонентами. В производстве тетрахлорида титана применяют более эффективную сложную перегонку называемую ректификацией.
В производстве TiCl4 ректификационные установки применяют на трех стадиях: при удалении твердых веществ и ванадия при очистке от низкокипящих (в частности SiCl4) и высококипящих примесей. На рисунке 2.1.4.1 приведена типовая техническая схема двухстадийной непрерывной ректификации. Это схема позволяет получить из предварительно очищенного от ванадия и твердых веществ технического TiCl4 готовый продукт высокой чистоты – очищенный TiCl4.
Рисунок 2.1.4.1. Аппаратурно-технологическая схема двухстадийной ректификации T 2 – подогреватель; 3 – ректификационная колонна для очистки низкокипящих примесей; 4 8 – кубы-испарители с погружными электронагревателями; 5 9 – ээлектронагреватели; 6 11 – дефлегматоры; 7 – регулирующий клапан; 10 – ректификационная колонна для очистки от высококипящих примесей; 12 – распределительный клапан; 13 – сборник очищенного TiCl4[1]
1.5 Вспомогательное оборудование процесса ректификации
1.5.1 Куб испаритель.
Тетрахлорид титана не электропроводен поэтому нагрев его открытыми нихромовыми спиралями считается наиболее простым и в то же время эффективным решением. Схема современного горизонтального куба–испарителя показана на рис 2.1.5.1. Электрическая мощность куба определяется количеством и мощностью электронагревателей и это облегчает проблему моделирования. Нагреватели выполняют из ленточного и круглого нихрома. При эксплуатации имеет значение как установлен куб: вертикально или горизонтально. Вертикально установленный аппарат имеет устойчивую паровроизводительность из-за постоянного «зеркала» испарения но он быстрее забивается твердыми веществами и сложен в обслуживании вследствие малой поверхности крышки. По этим причинам более широкое применение нашли горизонтальные кубы в которых постоянство зеркала испарения обеспечивается специальным автопереливом. Открытые нихромовые нагреватели устойчиво работают при содержании твердых веществ в пульпе TiCl4 не более 250гл. Чтобы этот параметр поддерживать на постоянном уровне необходимо выводить порционно или непрерывно соответствующее количество пульпы.
Рис. 2.1.5.1. Схема куба-испарителя: 1 – корпус; 2 – погружной электронагреватель из ленточного нихрома; 3 – люк; 4 – патрубок для пара;
1.5.2 Конденсаторы – дефлегматоры.
Применяют два вида конденсаторов-дефлегматоров: кожухотрубчатые охлаждаемые водой и аппараты воздушного охлаждения типов АВМ (воздушные малопоточные аппараты) и АВГ (воздушные горизонтальные аппараты). Кожухотрубчатые конденсаторы-дефлегматоры имеют много недостатков: малый срок службы (до 1 года). Сложность изготовления возможность попадания воды в трубы с TiCl4 низкий коэффициент теплопередачи 210-294 кДж(м2·ч·°С). Серийные аппараты воздушного охлаждения (см. рис. 2.1.5.2) практически лишены недостатков. Трубы аппарата воздушного охлаждения имеют ребра (см. рис. 2.1.5.3) благодаря чему его внешняя поверхность в 10-20 раз больше внутренней. В производстве TiCl4 наиболее целесообразно применять небольшие по размерам аппараты АВМ имеющие наружную поверхность 220-600м2 и коэффициент теплопередачи (к оребренной поверхности) 42-84 кДж(м2·ч·°С). Отходящие от аппаратов теплый может быть направлен на обогрев производственных помещений. Срок службы воздушных конденсаторов-дефлегматоров составляет 10-12 лет.
Рисунок 2.1.5.2. Схема аппарата воздушного охлаждения типа АВМ-Г применяемого при ректификации T б – с жалюзи; 1 – секция с ребристыми трубами; 2 – стойка; 3 – осевой вентилятор; 4 – жалюзи для регулирования расхода воздуха
2 Материальный расчет
Нам необходимо рассчитать ректификационную колонну для очистки TiCl4 от SiCl4.
Исходные данные: Содержание SiCl4 в исходном TiCl4 составляет 2.8%. Производительность по очищенному TiCl4 – 60 кгч.
Обозначим через F количество поступающей на ректификацию смеси (в кгч) через P количество получаемого дистиллята (в кгч) через W – количество остатка (в кгч) и через gF gP gW – составы смеси дистиллята и остатка (в масс. долях НК). Содержание SiCl4 в кубовом остатке берем по ОСТ 48-18-79 для ОТЧ – 0: gW = 0.0002масс.%. Содержание SiCl4 в дистилляте gP = 9999масс.%.
Тогда уравнение материального баланса для всего количества смеси примет вид:
И уравнение материального баланса для НК[7]:
Решая систему уравнений находим количество поступающей смеси F = 617284 кгч и количество получаемого дистиллята P = 17284 кгч.
Далее нам нужно построить кривую равновесия. Для этого переведем весовые доли в молярные. Нам понадобятся молярные массы тетрахлоридов титана и кремния.
где – молярная масса тетрахлорида титана – молярная масса тетрахлорида кремния.
Далее производим пересчет:
где - молярная концентрация тетрахлорида кремния в исходной смеси - молярная концентрация тетрахлорида кремния в дистилляте - молярная концентрация тетрахлорида кремния в кубовом остатке.
Температура кипения TiCl4 4094K а SiCl433065K.[2]
Рассчитаем давления для TiCl4 и SiCl4 в интервале температур от 33065К до 4094К по формулам и полученные результаты в мм рт ст. переведем в кПа:
Формула (6) для TiCl4 а формула (7) для SiCl4. Далее по полученным значениям давлений находим содержание SiCl4 в жидкой и паровой фазе по формулам:
где у содержание в паровой фазе SiCl4 а х содержание в жидкой фазе. Результаты расчетов представлены в таблице 2:
Рисунок 2.2.1 – Фазовая диаграмма T – x y
Далее определяем графически флегмовое число. Для этого строим кривую фазового равновесия (см рис. 2.2.2).Отмечаем на ней XF XP делаем построение кривой BA. Измерив участок от начала координат до точки Е отсекаемый прямой АВ на оси ординат находим Rmin из формулы:
Работать с минимальным флегмовым числом принципиально невозможно т.к. в этом случае рабочие и равновесные концентрации равны.
Рисунок 2.2.2 – Кривая фазового равновесия
Связь между минимальным и рабочим флегмовым числом определяется коэффициентом избытка флегмы который можно найти по формуле:
Количество флегмы находится по формуле:
Таблица 3 – материальный баланс процесса
Тепловой баланс колонны непрерывного действия имеет вид:
где – приход тепла в кипятильнике кВт; – приход тепла с исходной смесью кВт; – приход теплоты с флегмой кВт; – расход теплоты с уходящим из колонны паром кВт; – расход теплоты с уходящим из колонны кубовым остатком кВт; – потери теплоты в окружающую среду кВт;[6]
С учетом того что имеем для Qкип:
где – теплота идущая на испарение флегмы Вт; –теплота на испарение дистиллята Вт; – теплота на нагрев кубового остатка от температуры исходной смеси на входе в колонну до температуры кипения остатка кВт; - расход дистиллята мольс; – расход кубового остатка мольс; – энтальпии кубового остатка исходной смеси и пара Джмоль;
При этом где – средняя молярная теплоемкость жидкости состава дистиллята Дж(моль К); – температура паров покидающих колонну К; – теплота испарения жидкости состава дистиллята при температуре его кипения Джмоль;
Для нахождения других энтальпий:
где – средняя молярная теплоемкость – температура этой фракции К;
Используя правило смешения можно найти теплоемкость различных фракций:
где – средние молярные теплоемкости компонентов смеси
Дж(моль К); – молярная доля SiCl4 в i-й фракции.[6]
Стандартные молярные теплоемкости TiCl4 и SiCl4 соответственно равны 1452 Дж(моль К) 1453 Дж(моль К). Примем что исходная смесь подаётся при температуре 403К температура флегмы 383К температура паров внизу колонны 413К а температура паров вверху колонны 408К.
Рассчитаем энтальпии используя формулу (18) для нахождения теплоемкостей используя формулы (17)(16):
где – теплота испарения флегмы.
Подставив полученные значения в формулу (15) не учитывая потери тепла в окружающую среду получим:
При расчете потерь тепла в окружающую среду принимают что они равны 3÷5% от теплоты вносимой кипятильником. И окончательно имеем:
Найдем теплоту приходящую с исходной смесью и уходящую с продуктами процесса. Для этого применим формулу Q = GCT M где G – массовый расход кгс; С – теплоемкость Дж (моль К); T – разность температур К; М – молярная масса кгмоль.
Таблице 4 – тепловой баланс процесса
Наиболее выгодным является выбор ректификационной колонны непрерывного действия. В качестве контактных устройств ректификационной колонны целесообразно использовать стандартные решетчатые тарелки провального типа которые подберём по ОСТ 26 – 805 – 73. Тетрахлорид титана не электропроводен поэтому нагрев его открытыми нихромовыми спиралями считается наиболее простым и в то же время эффективным решением. Наиболее целесообразно применять в качестве конденсатора-дефлегматора небольшие по размерам кожухотрубные теплообменники. Исходная смесь подаётся при температуре 403К температура паров внизу колонны 413К а температура паров вверху колонны 408К.
Рассчитаем габаритные размеры ректификационной колонны. Аналитически вычислим число минимальное число теоретических тарелок по уравнению Фенске – Андервуда:
где α – коэффициент относительной летучести SiCl4 и находится по формуле:
К.п.д. тарелки примем 50%[1] тогда число реальных тарелок:
Расчетное уравнение для скорости пара:
Где V – расход пара м3сек; Fсв. – свободное сечение тарелки м2м2; – плотность жидкости и пара кгм3; – поверхностное натяжение жидкости Нм; b – ширина щелей м; –вязкость жидкости и пара кг·секм2.
Примем свободное сечение тарелки Fсв.=02 м2м2 ширина щели b= плотность жидкости =1727 кгм3 плотность пара =97 кгм3 V =0273м3ч . Найдем скорость пара м3ч. Тогда диаметр рассчитываем по формуле . Берем стандартный размер по диаметра ГОСТу 21944 равный 08м. Данному диаметру соответствует рекомендуемое расстояние между тарелками возьмем расстояние между тарелками равное 300мм[6]. Найдем высоту колонны по формуле 6м.
4.1 Расчет дефлегматора
Примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи К = 160Вт(м2 К). Найдем тепло которое нужно отводить дефлегматором [8] где rд – удельная теплота конденсации дистиллята. Для нахождения определим наибольшую и наименьшую разницу температур:
Тогда найдем по формуле:
Далее найдем поверхность теплообмена по уравнению:
5 Механический расчет
5.1 Расчет штуцеров и фланцевых соединений
Рассчитаем диаметры штуцеров в питании в дистилляте и в кубовом остатке по формуле:
где G – расход в питании в дистилляте и в кубовом остатке соответственно.
Из стандартного ряда выбираем диаметр штуцера. Берем штуцер с параметрами указанными в таблице
Таблица 5 – Основные размеры стандартных стальных штуцеров
Таблица 6 – Основные размеры стандартных стальных штуцеров
Для кубового остатка:
Таблица 7 – Основные размеры стандартных стальных штуцеров
Таблица 8 – Основные размеры стандартных стальных штуцеров
5.2 Расчет толщины обечайки днища и крышки массы аппарата и опор
По условиям работы аппарата выбираем сталь 16ГС область применения от 233К до 748К по давлению не ограничена. Выбор сделан согласно ОСТ 26-291-94 ГОСТ 14249-89. По ГОСТ 14249-89 допускаемое напряжение для стали 16ГС при Т=423К . Прибавка на коррозию металла принимаем С = 2мм. Корпус имеет продольные и кольцевые сварные швы. Применим автоматическую сварку со сплошным проваром. Для корпуса аппарата выбираем стыковые швы. Значение коэффициента прочности сварных швов принимаем
Толщина стенки аппарата определяется по формулам:
Где S – исполнительная толщина стенки мм; D – диаметр колонны мм; Р – расчетное давление Мпа;
Расчетное давление находится по формуле где Рраб – рабочее давление в колонне.
Берем стенку толщиной 32мм.
Днище и крышку аппарата берем по ГОСТу 6533-68. Внутренний диаметр 08м высота эллиптической части 02м а высота борта 004м. К корпусу крепятся сваркой.
Рассчитаем массу корпуса плотность стали :
Рассчитаем массу днища и крышки:
Рассчитаем массу тарелок берем толщину тарелок 2мм[лащинский]:
Масса всего аппарата составит:
Примем что у нас 4 опоры. Рассчитаем нагрузку на одну опору:
Выбираем опоры по АТК 24.200.03-90 тип 2.
5.2 Расчет тепловой изоляции
Основной целью расчета тепловой изоляции является выбор теплоизоляционного материала и расчет его толщины для минимизации тепловых потерь в окружающую среду и обеспечения требований техники безопасности. В качестве изоляционного материала возьмем стеклянную вату
где F=15м2 – площадь поверхности теплообмена; t = 413К – температура внутреннего слоя изоляции; t = 333К – температура внешнего слоя изоляции;[6]
6 Гидравлический расчет
Рассчитаем гидравлическое сопротивление тарелки в верхней и в нижней части колонны по уравнению:
Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:
Сопротивление обусловленное силами поверхностного натяжения:
Общее гидравлическое сопротивление тарелки:
Был произведен расчет ректификационной колонны. На основе расчетов выбран стандартный ситчатые провальные тарелки (ОСТ 26-805-73). Диаметр колонны составил 08 м высота колонны 6 м тарелок 21Наружный диаметр кожуха 864 мм. Колонна установлена на 4 опоры (ОСТ 26 – 665 – 79 тип 2). Колонна изготовлена из стали 16ГС. Рассчитана тепловая изоляция из стеклянной ваты. Подобран дефлегматор с площадью теплообмена 1 м2 (ГОСТ 15118 – 79).
)Байбеков М.К. Производство четыреххлористого титана [Текст]: производственное издание М.К. Байбеков В.Д. Попов И.М. Чепрасов. – Москва: Металлургия 1987.
)Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии [Текст]: учебник для вузов А.Г. Касаткин. – Москва: АльянС 2008.
)Рабинович В.А. Краткий химический справочник [Текст]В.А. Рабинович З.Я. Хавин. - Ленинград: Химия 1991.
)Лучинский Г.П. Четыреххлористый титан [Текст] Г.П. Лучинский. – Москва: Оборонгиз 1939.
)Плановский А.Н. Процессы и аппараты химической технологии [Текст] А.Н. Плановский В.М. Рамм С.З. Каган. – Москва: Химия 1968.
)Беляев В.М. Расчет и конструирование основного оборудования отрасли [Текст]В.М Беляев В.М. Миронов. - Томск: ТПУ 2009.
)Александров И.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты [Текст] И.А. Александров. – Москва: Химия 1965.
)Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии [Текст]: учебное пособие для вузов К.Ф. Павлов П.Г. Романков А.А. Носков – Москва: АльянС 2007.
Приложение А – Технологическая схема получения TiCl4

моя колонна.cdw

Техническая характеристика
) Аппарат предназначен для разделения смеси TiCl
) Производительность по TiCl4 60 кгч
) Среда в аппарате - агрессивная
) Тип тарелок - ситчатые провальные
тольщина тарелки 2мм
) Колличество тарелок - 21шт.
) Аппарат имеет 4 опоры.
Технические требования
испытания и поставке аппарата должны
выполняться требования ГОСТ 12.2.003-74
) Материал деталей колонны сталь 08
сталь 20 ГОСТ1050-74
) Аппарат испытать на прочность и плотность гидравлически
в горизонтольном положении по давлением 0
вертикальном положении - наливом.
) Сварные соединения должны соответствовать требованиям
) Сварные швы в объеме 100% контролировать рентенопро-
Для кубового остатка
КП ФЮРА 310000.001.00 СБ