Расчет ректификационной колонны и последующее ее сооружение позволит приготовить полноценный чистый алкогольный продукт, который не будет уступать продающимся в магазине аналогам. В условиях ухудшающейся экономической обстановки процедура создания своими руками некоторых вещей и продуктов является как никогда актуальным занятием. Алкогольные напитки также входят в состав аналогичных изделий, которые все большее количество людей пытается производить самостоятельно.

1

Постоянное плановое подорожание алкогольной продукции приводит к активизации различных сомнительных предприятий, занимающихся реализацией фальсифицированной продукции, которая может быть небезопасна для человека. В сложившейся ситуации, когда денег на покупку спиртосодержащих продуктов просто нет, наилучшим решением является самостоятельное приготовление аналогичных изделий.

Виноделие является достаточно сложным процессом, а самогоноварение предоставляет продукт, который не всем приходится по вкусу. Альтернативой этим разновидностям создания алкогольных напитков является ректификационная установка, позволяющая вырабатывать спирт высокой очистки. От расчета параметров этого аппарата зависит его эффективность и количество готовой продукции, которое она может произвести.

Ректификационная установка для создания алкогольных напитков

Для того чтобы произвести все необходимые вычисления, нужно вначале разобраться со структурой самого аппарата и принципом его работы. Итак, ректификационная установка состоит из двух основных частей, обуславливающих ее главные функции и характеристики:

• ректификатор;
• дистиллятор.

Названия обеих деталей происходят от определенных процессов, на которых основывается их функционирование. Ректификация - это процесс разделения различных смесей на составные части путем теплообмена между разогретыми парами и охлажденной жидкостью. Элемент конструкции, получивший название ректификатор, направлен на выполнение именно этой конкретной процедуры. Его внешний вид напоминает продолговатую трубку, содержащую внутри себя спираль либо иной охлаждающий контур, получивший название дефлегматор ректификационной колонны. Такое достаточно трудновыговариваемое название происходит от его роли в общем процессе разделения жидкостей, которую он выполняет. Его значение немаловажно, поскольку именно взаимодействие с ним придает готовому продукту чистоту и качество.

Дистиллятор, в свою очередь, обеспечивает перегонку жидкости с ее охлаждением. В совокупности эти два элемента формируют особый аппарат, получивший название ректификационная колонна.

Принцип действия этого агрегата заключается в многоразовом разделении смеси, заложенной в колонну. При работе аппарата происходит полнейшее отделение составных частей, формирующих флегму. В конечном счете на свет появляются три основных компонента:

• спирт;
• вода;
• примеси.

Принцип действия ректификационного агрегата

Введение

Ректификация - это тепло и массообменный процесс, применяемый для разделения жидких смесей, компоненты которых различаются по температурам кипения.

Процесс осуществляется при контактировании потоков пара и жидкости, которые имеют разные составы и температуры: пар имеет более высокую температуру, чем вступающая с ним в контакт жидкость .

Физическая сущность процесса ректификации заключается в двустороннем массо- и теплообмене между неравновесными потоками пара и жидкости при высокой турбулизации поверхности контактирующих фаз. В результате массообмена пар обогащается низкокипящими, а жидкость - высококипящими компонентами. При определённом числе контактов можно получить пары, состоящие в основном из низкокипящих, а жидкость - из высококипящих компонентов .

При достаточно большом времени контакта пар и жидкость могут достичь состояния равновесия.

В реальных условиях равновесие уходящих из контактной зоны потоков пара и жидкости может не достигаться.

Процесс ректификации может осуществляться по периодической и непрерывной схемам.

При периодической ректификации смесь разделяют на отдельные компоненты (или фракции, кипящие в определенном интервале температур) путём последовательного их отбора при изменяющихся во времени рабочих параметрах процесса.

Ректификация по непрерывной схеме позволяет одновременно получать два и более продуктов при стационарных условиях процесса .

Процесс ректификации осуществляют в аппаратах - ректификационных колоннах. Для создания потока паров в нижнюю часть колонны подводят тепло, а поток жидкости (орошения, флегмы) создают путём отвода тепла из верхней части колонны, конденсируя соответствующее количество паров.

Часть колонны, служащая для выделения низкокипящих компонентов, называется концентрационной, или укрепляющей, другая часть, в которой выделяются высококипящие компоненты, называется исчерпывающей, или отгонной. Между этими основными частями колонны находится место ввода сырья (тарелка питания, секция питания, эвапорационное пространство) .

В нефтеперерабатывающей промышленности в основном применяют ректификационные колонны непрерывного действия.

Различают простые и сложные колонны.

Простые колонны обеспечивают разделение исходной смеси (сырья) на два продукта: ректификат (дистиллят) - продукт, обогащенный низкокипящими компонентами, кубовый остаток - продукт, обогащенный высококипящими компонентами.

Для разделения многокомпонентных и непрерывных смесей требуется система колонн, каждая из которых разделяет поступающую смесь на соответствующие компоненты.

Основными рабочими параметрами процесса ректификации являются давление и температура в системе, соотношение потоков жидкости и пара (флегмовое число), число контактных ступеней. При соответствующем выборе этих параметров обеспечивается разделение исходной смеси на компоненты, удовлетворяющие определённым требованиям .

1. Технологическая схема процесса ректификации

Технологическая схема процесса ректификации приведена на рисунке 1.1.

Ректификационная колонна; 2- подогреватель; 3 - кипятильник; 4 - дефлегматор; 5 - холодильник; 6 - тарелка

Рисунок 1.1 - Технологическая схема процесса ректификации

Для непрерывного проведения ректификации необходимо, чтобы поступающая на разделение смесь соприкасалась со встречным потоком пара с несколько большей концентрацией высококипящего компонента, чем в жидкой смеси. Поэтому исходную смесь подают в то место ректификационной колонны 1, которое соответствует этому условию. Место ввода исходной смеси, нагретой до температуры кипения в подогревателе 2, называют тарелкой питания. Поток пара, поднимающегося по ректификационной колонне, поддерживается испарением части кубовой жидкости в кипятильнике 3, а поток жидкости, текущей по колонне сверху вниз, - возвратом части флегмы, образующейся при конденсации выходящих из колонны паров в дефлегматоре 4.

Конструкция тарельчатой ректификационной колонны и массообменных тарелок

В промышленности применяют колпачковые, ситчатые, насадочные, пленочные трубчатые колонны и центробежные пленочные ректификаторы. Они различаются в основном конструкцией внутреннего устройства аппарата, назначение которого - обеспечение взаимодействия жидкости и пара. Таким образом, более подробно рассмотрим виды и конструкции тарелок .

Колпачковые желобчатые тарелки. Тарелки. этого типа применяются в колоннах диаметром от 1000 мм и более при расстояниях между тарелками 450 мм и более. Рабочая часть тарелки, укомплектована съемными желобами и колпачками. Для перетока жидкости служат переливные устройства (одно- или двухпоточные). Основные размеры тарелок регламентированы отраслевой нормалью Н 439 - 58. Вплоть до настоящего времени тарелки этого типа находятся в эксплуатации в колоннах различного технологического назначения. Единственным их практическим преимуществом является относительно небольшое число желобов и колпачков, которые требуется устанавливать при монтажных и ремонтных работах. В остальном все показатели этих тарелок низки, поэтому тарелки желобчатого типа повсеместно заменяют более современными .

Колпачковые тарелки с капсульными колпачками. Тарелки этого типа могут быть установлены в колоннах диаметром 400 мм и более, расстояние между тарелками от 200 мм и более. Тарелки могут иметь неразборную и разборную конструкции. Тарелки неразборной конструкции уплотнены в корпусе колонны периферийным сальником с набивкой из асбестового шнура.

По сравнению с желобчатыми колпачковые капсульные тарелки имеют примерно на 20% большую производительность, высокую эффективность, широкий рабочий диапазон (более 4) и меньшую металлоемкость (60 - 90 кг/м2 против 110 - 130 кг/м2) .

Хотя по производительности тарелки этого типа уступают тарелкам других современных типов и сравнительно трудоемки в изготовлении и монтаже, они находят применение благодаря универсальности областей практического использования и неприхотливости в эксплуатации .

Тарелки колпачковые из S-образных элементов. Диаметр колпачковых тарелок равен 1000 - 8000 мм. Расстояние между тарелками составляет 450 мм и более. Полотно тарелки набрано из элементов S-образного профиля, при сборке которых образуются каналы для прохода пара. Жидкость движется единым потоком и частично направляется паром в сторону слива, вследствие чего уменьшается градиент уровня жидкости на тарелке. Благодаря жесткости S-образных элементов, металлоемкость тарелок этого типа относительно невелика (55 - 90 кг/м2). По эффективности они находятся на одном уровне с колпачковой капсульной тарелкой, но производительность их на 20 - 30% выше .

Клапанные прямоточные тарелки. Применяются в колоннах диаметром 1000 мм и более при расстоянии между тарелками не менее 450 мм. По сравнению с S-образными тарелками они позволяют повысить производительность колонн примерно на 20 - 25%. Диапазон, рабочих нагрузок более 4. В области саморегулируемой работы клапанов тарелки обладают относительно небольшим сопротивлением. Металлоемкость составляет 55 - 80 кг/м2 .

Жалюзийно-клапанные тарелки. Тарелки применяются в колоннах диаметром 1000 мм и более при расстоянии между тарелками, составляющем не менее 450 мм. Рабочие характеристики практически аналогичны характеристикам клапанных прямоточных тарелок .

Сетчатые тарелки с отбойными элементами из просечного листа. Полотно тарелки и наклонные отбойники изготовлены из просечно-вытяжного листа. Свободное сечение полотна тарелки следует выбирать исходя из отсутствия провала жидкости; свободное сечение отбойников должно быть достаточно большим (не менее 30%), чтобы обеспечить пропуск текущей по тарелке жидкости. Контакт фаз происходит в прямотоке и частично в перекрестном токе на отбойниках. Благодаря относительно низкому сопротивлению эти тарелки применяются в вакуумных колоннах. Металлоемкость составляет 50 - 60 кг/м".

Решетчатые тарелки провального типа. Стандартные решетчатые тарелки применяются в колоннах диаметром 400 мм и более при расстоянии между тарелками не менее 200 мм.

Тарелки этого типа не имеют специальных переливных устройств для жидкости, поэтому конструкция их предельно проста. Производительность тарелок провального типа примерно в 1,8 - 2 раза больше, чем колпачковых, металлоемкость не превышает 40 - 50 кг/м2. По сравнению с колпачковыми эти тарелки имеют меньшую эффективность и более узкий рабочий диапазон, который в среднем равен 2. Обычно рекомендуется выбирать свободное сечение тарелок равным 15 - 20%. При меньшем свободном сечении несколько увеличивается эффективность работы тарелок, однако, соответственно снижается их производительность.

Сетчатые тарелки. Предназначены для колонн диаметром от 400 до 3600 мм при расстоянии между тарелками 200 мм и более.

По сравнению с колпачковыми производительность этих тарелок на 30 50% выше, а рабочий диапазон уже и обычно не более 2,5. Металлоемкость составляет 65 - 50 кг/м2. Тарелки весьма чувствительны к точности горизонтальной установки и не рекомендуются для работы на загрязненных средах, т. к. при этом возможна забивка отверстий .

жидкость пар равновесный тарелка

3. Равновесные составы жидкости и пара

Исходные данные: содержание низкокипящего компонента в сырье хF = 0,3;

расход сырья GF = 1000 кмоль/ч.

Ректификационная колонна предназначена для разделения смеси ацетон - этиловый спирт.

Равновесные составы жидкости и пара и температура кипения приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Равновесные составы жидкости и пара и температура кипения

х05102030405060708090100у015,526,241,752,460,567,473,980,286,592,9100t78,375,4736965,963,661,860,459,1585756,1

Материальный баланс процесса ректификации

Составляем уравнения материального баланса ректификационной колонны непрерывного действия

где GF, GD, GW - мольные расходы сырья, дистиллята и кубового остатка;

xF, xD, xW - содержание низкокипящего компонента в сырье, дистилляте и кубовом остатке, мольные доли.

Подставив соответствующие параметры, получим

Решая совместно уравнения (4.2) и (4.3), определяем мольные расходы дистиллята и кубового остатка:

5. Флегмовое число

Так как кривая равновесия не имеет точек перегиба, минимальное флегмовое число определяем по формуле

Подставив соответствующие значения, получим

Определяем рабочее число флегмы

Уравнения рабочих линий и кривая равновесия пар-жидкость

Определяем относительный мольный расход сырья

Составляем уравнение рабочей линии верхней (укрепляющей) части ректификационной колонны

Составляем уравнение рабочей линии нижней (исчерпывающей) части ректификационной колонны

Строим кривую равновесия пар-жидкость в координатах у*-х (рисунок 6.1).

Рисунок 6.1 - Кривая равновесия пар-жидкость

Молекулярная масса смеси, расходы флегмы и пара

Определяем расход флегмы

Определяем мольный расход пара, одинакового по высоте колонны

Определяем молекулярные массы смеси в верхней и нижней частях колонны

где МА, МЭС - молекулярные массы ацетона и этилового спирта соответственно, МА = 58,08 кг/кмоль, МЭС = 46,07 кг/кмоль

Подставив значения, получим

Определяем массовый расход пара для верхней и нижней частей колонны

По таблице 3.1 интерполированием определяем температуру верха и низа колонны, получим

Определяем плотность пара в верхней и нижней частях колонны

Определяем объёмный расход пара для верхней и нижней частей колонны

Определение числа тарелок

После построения рабочих линий для нижней и верхней частей колонны (пункт 6), строим с верхней точки теоретические тарелки (рисунок 6.1).

Находим на графике необходимое число ступеней изменения концентрации.

Получаем в верхней части колонны 16 ступеней, в нижней - 4, всего 20.

Определяем коэффициенты динамической вязкости ацетона и этилового спирта при соответствующих температурах верха и низа колонны по номограмме V :

Определяем коэффициенты динамической вязкости жидкости в верхней и нижней частях колонны по формуле Аррениуса

Определяем коэффициент летучести

где Т2, Т1 - температуры кипения этилового спирта и ацетона соответственно,

Т2 = 351,46 К;

Подставив значения, получим

Определяем коэффициент полезного действия тарелок верха и низа колонны

Определяем средний коэффициент полезного действия тарелки

Определяем число практических тарелок в верхней и нижней частях колонны

где nТ - теоретическое число тарелок.

Подставив значения, получим

Диаметр колонны

Определяем плотности ацетона и этилового спирта при температурах верха и низа колонны по таблице V :

Определяем плотность жидкости верха и низа колонны

Определяем допустимую рабочую скорость пара в верхней и нижней частях колонны

где С - коэффициент зависящий от конструкции тарелок, расстояния между тарелками h, рабочего давления в колонне, по рисунку 7.2 , для колпачковых тарелок при h = 400 мм С = 0,044.

Определяем диаметры верхней и нижней частей колонны

По стандартному ряду диаметров колонн принимаем dВ = 3600 мм, dН = 3600 мм. Диаметр колонны принимаем одинаковым по всей высоте колонны и равным наибольшему из полученных значений d = 3600 мм.

Определяем высоту тарельчатой колонны

где n - число тарелок в колонне, n = 37.

h - расстояние между тарелками, h = 400.

Исходя из полученного диаметра колонны, выбираем тарелки с параметрами, приведёнными в таблице 9.1 .

Таблица 9.1 - Параметры тарелки

ПараметрЗначениеДиаметр колонны, мм3600Общая длина слива, мм2900Рабочая площадь тарелки, %61,6Свободное сечение тарелки, %13,1Число колпачков, мм194Диаметр колпачка, мм150Шаг колпачков, мм190Вес тарелки, кг1000

Вычерчиваем схему колонны с основными размерами (рисунок 9.1).

Рисунок 9.1 - Схема колонны с основными размерами

Заключение

Тарельчатые колпачковые колонны наиболее часто применяют в ректификационных установках.

При проведении расчёта ректификационной колонны непрерывного действия для разделения бинарной смеси (ацетон - этиловый спирт) в качестве тарелок были выбраны колпачковые тарелки с круглыми колпачками.

Расчет мольных расходов ввёлся исходя из уравнений материальных балансов (см. уравнения (3.1) и (3,2)), которые справедливы для ректификационной колонны, обогреваемой глухим паром.

При определении числа теоретических тарелок был использован графический метод. Число теоретических тарелок оказалось равным двадцати (шестнадцать для укрепляющей части колонны и четыре для исчерпывающей части).

Число практических тарелок оказалось равным 37 (тридцать для укрепляющей части колонны и семь для исчерпывающей части).

При таком количестве тарелок расстояние между верхней и нижней тарелками оказалось равным Нт = 14,4 м.

Диаметр колонны принят равным диаметру верхней части колонны, который оказался наибольшим из двух рассчитанных d = 3,6 м.

Библиография

1 Г.Г. Робинович, П.М. Рябых, П.А. Хохряков Расчёты основных процессов и аппаратов нефтепереработки: 3 - е издание, переработанное и дополненное - М.: Химия, 1979. - 568 с.

И.А. Александров Ректификационные и абсорбционные аппараты. - М.: Химия, 1971 - 296 с.

Ю.Н. Дытнерский Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов, издание 2 - е, часть 2. - М.: Химия, 1995. - 368 с.

К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1976. -552 с.

С.А. Зонис, Г.А. Симонов Справочник химика, том 1. - Л.: Госхимиздат, 1963. - 1072 с.

Заказ работы

Нужна авторская работа?

Наши специалисты помогут написать работу с обязательной проверкой на уникальность в системе «Антиплагиат»
Отправь заявку с требованиями прямо сейчас, чтобы узнать стоимость и возможность написания.

Министерство по науке и образованию РФ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Тихоокеанский государственный университет

Кафедра химической технологии материалов

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту по дисциплине:

Химическая технология топлива и углеродных материалов

РАСЧЕТ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ

Хабаровск - 2013

РЕФЕРАТ

Курсовой проект на тему: Расчет ректификационной колонны содержит 4 рисунка, 5 таблиц, 3 чертежа формата А1, 6 приложений, 7 литературных источников.

ректификация, материальный баланс, флегмовое число, дефлегматор, число тарелок, диаграмма фазового равновесия, гидравлический расчет, брызгоунос

Объектом исследований является ректификационная колонна непрерывного действия с клапанными тарелками для разделения смеси этиловый спирт - вода.

Цель работы - провести технологические и конструкторские расчеты для определения основных параметров ректификационной колонны; выполнить чертежи ректификационной колонны и клапанной тарелки, содержащие виды и разрезы, поясняющие устройство спроектированной конструкции.

ВВЕДЕНИЕ

Расчет ректификационной колонны

1 Составление материального баланса

3 Построение диаграммы фазового равновесия

5 Определение расхода пара и флегмы

6 Тепловой баланс колонны

7 Гидравлический расчет

1.7.1 Определение линейной скорости паров

1.7.2 Расчет верхней части колонны

7.3 Расчет нижней части колонны

1.7.4 Расчет скорости пара

7.6 Определение реального числа тарелок

1.7.7 Определение высоты колонны

1.8 Определение диаметров штуцеров

9 Определение толщины тепловой изоляции

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ А(основное)

ПРИЛОЖЕНИЕ Б (основное)

ПРИЛОЖЕНИЕ В (основное)

ПРИЛОЖЕНИЕ Г (основное)

ПРИЛОЖЕНИЕ Д (основное)

ПРИЛОЖЕНИЕ Е (основное)

ВВЕДЕНИЕ

В ряде химических, нефтяных, пищевых и других отра-слях производства в результате различных технологических процессов получают смеси жидкостей, которые необходимо раз-делить на составные части. Для разделения смесей жидкостей и газовых смесей в промышленности применяют способ простой перегонки (дистилляции), перегонки под вакуумом и с водяным паром, молекулярной перегонки и ректификации. Ректификацию широко используют в промышленности для полного разделения смесей летучих жидкостей, частично или целиком растворимых одна в другой.

Ректификацией называется процесс разделения жидкой смеси на компоненты, при этом происходит массообмен, т.е. переход вещества из жидкой фазы в паровую и наоборот.

Процесс ректификации осуществляется в ректификационной установке, включающей ректификационную колонну, состо-ящую из нижней части, в которой происходит удаление легко-летучего компонента, из стекающей вниз жидкости, и верхней (укрепляющей) части, в которой происходит удаление легко-летучего компонента, его насыщение, дефлегматор (обычно представляет собой кожухотрубчатый теплообменник). В ряде случаев в дефлегматоре происходит конденсация всех паров, вышедших из колонны. В концевом холодильнике дистиллят охлаждается до заданной температуры. Иногда в дефлегматоре конденсируется лишь часть паров для получения флегмы, а полная конденсация и охлаждение происходит в холодильнике.

РАСЧЕТ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ

Производительность колонны G = 12000 кг/ч; низкокипящий компонент (НКК) - этиловый спирт; высококипя-щий компонент (ВКК) - вода; концентрация НКК (в массовых долях) в сырье = 0,20, в дистилляте = 0,90, в кубовом остатке = 0,05; тип тарелки - клапанная.

1 Составление материального баланса колонны

Массовые расходы дистиллята G и кубового остатка G определяются соответственно по формулам:

G = 12000 = 2117,6 кг/ч,

G = 12000 = 9882,4 кг/ч.

Проверка:

2117,6 + 9882,4.

После определения массового расхода дистиллята G и кубовой жидкости G находится массовый расход каждого компонента в дистилляте G и кубовом продукте G, мольный расход компонентов в продуктах разделения смеси N и N, а также мольный состав получаемых дистиллята и остатка. Массовые расходы этанола и воды в сырье, дистилляте и кубовом продукте определяются соответственно по формулам:

G = 12000 0,20 = 2400 кг/ч;

G = 2117,6 0,90 = 1905,84 кг/ч;

G = 9882,4 0,05 = 494,16 кг/ч;

G = 12000 0,80 = 9600 кг/ч;

G = 2117,6 0,10 = 211,76 кг/ч;

G = 9882,4 0,95 = 9388,24 кг/ч.

Проверка:

211,76 + 9388,24

Мольные расходы этанола и воды в сырье, дистилляте и кубовом продукте рассчитываются по формулам:

N = = 52,2 кмоль/ч,

N = = 41,5 кмоль/ч,

N = = 10,7 кмоль/ч,

N = = 533,3 кмоль/ч,

N = = 11,9 кмоль/ч,

N = = 521,6 кмоль/ч.

Проверка:

2 = 41,5 + 10,7,

3 = 11,9 + 521,6.

Мольные доли этанола и воды в сырье, дистилляте и кубовой жидкости определяются по формулам:

х = = 0,980.

Проверка:

089 + 0,911 = 1,0;

777 + 0,223 = 1,0;

020 + 0,980 = 1,0.

Материальный баланс колонны приведен в приложении А.

2 Определение давления в колонне

В данном курсовом проекте в верхнем продукте содержится 77,7% (мольных долей) этанола, поэтому температура кипения такой смеси будет незначительно отличаться от температуры кипения чистого этанола, которая при атмосферном давлении составляет 78,3оС. В этом случае в дефлегматоре для конденсации паров, поступающих с верха колонны, можно использовать воду. При этом нет необходимости значительно повышать давление в колонне по сравнению с атмосферным. В то же время температура кипения смеси в кубе колонны не может значительно отличатся от температуры кипения воды, так как содержание воды в кубовом продукте составляет 98% (мольных долей). Такая температура не вызовет затруднений при выборе теплоносителя для использования его в кипятильнике колонны.

Поскольку при давлении в колонне, близком к атмосферному, обеспечиваются приемлемые значения температур верха и куба колонны, целесообразно принять давление на верху колонны несколько больше атмосферного для преодоления гидравлических сопротивлений в шлемовой трубе и дефлегматоре.

Принимаем давление верха колонны = 115 кПа; число реальных тарелок в верхней части колонны n=10, в нижней части колонны -m=3; гидравлическое сопротивление тарелок в верхней части = 350 Па, в нижней части = 540 Па. Тогда давление в зоне питания и нижней части колонны в соответствии с формулами составит:

115 + 10∙0,350 = 118,5 кПа;

118,5 + 3∙0,540 = 120,1 кПа.

3 Построение диаграммы фазового равновесия в координатах у-х и t-x,y

Данные о равновесных составах паровой и жидкой фаз и температура кипения смесей представлены в приложении Б /1/, где х и у - содержание этанола в жидкой и паровой фазах соответственно, выраженное в мольных процентах.

По данным приложения Б строятся диаграммы фазового равновесия в координатах у-х и t-x,у (приложение В).

Давление в верху и в низу колонны отличаются от давления в зоне питания незначительно, поэтому по изобарным температурным кривым кипения и конденсации с достаточной точностью можно определить температуры в зоне питания t, на верху t и в кубе t колонны (приложение В рисунок В.1).

Так как сырье поступает в колонну при температуре кипения (е=0), для нахождения температуры t достаточно из точки с абсциссой х = 0,089, соответствующей мольной доле этанола в сырье, восстановить перпендикуляр до пересечения с изобарной температурной кривой кипения.

Температура в зоне питания составляет t = 87,0С. Аналогично определяется температура в кубе колонны t = 98,0С. Для определения температуры паров на верху колонны t из точки с абсциссой х, соответствующей мольной доле этанола в дистилляте, восстанавливается перпендикуляр до пересечения с изобарной температурной кривой конденсации. Температура на верху колонны составляет t = 78,3С.

4 Определение числа теоретических тарелок

Для бинарных смесей минимальное флегмовое число определяется по формуле:

где yF - мольная концентрация НКК в паре, равновесном с жидкостью питания;

yD - мольная концентрация НКК в дистилляте, если в дефлегматоре конденсируется весь пар, У = X;

х - мольная концентрация НКК в сырье.

Определение величины yF показано в приложении В на рисунке В.2 (у = 0,409).

Подставляя численные значения в формулу (14), получим:

R = = 1,28.

В простейших случаях значение флегмового числа определяется из соотношения

где β - коэффициент избытка флегмы.

Ориентировочно оптимальное флегмовое число можно определить как минимум функции ƒ(R) (приложение Г рисунок Г.1).

Функция ƒ(R) определяется соотношением

ƒ(R) = n(R+1),(16)

где n- число теоретических тарелок в колонне.

Расчет оптимального флегмового числа показан в таблице 1.

Таблица 1

Расчет оптимального флегмового числа

Rnn(R+1)1,251,62359,81,531,961853,31,952,501552,42,102,691347,92,202,821349,62,302,941351,22,403,071352,92,703,461253,5

На рисунке Г.1 приложения Г видно, что минимуму функции ƒ(R) соответствует точка А, абсцисса которой и определяет значение оптимального флегмового числа R= 2,69.

В случае ректификации бинарных смесей для расчета числа теоретических тарелок n широко используется графический метод Мак-Кэба и Тиле. По этому методу на диаграмму фазового равновесия в координатах у - х, приведенную в приложении В на рисунке В.2, наносятся рабочие линии верхней АД и нижней СД частей колонны.

Между линией равновесия и рабочими линиями колонны вписываются теоретические ступени изменения концентрации. Число вписанных ступеней концентрации и равно теоретическому числу тарелок n.

Рабочая линия верхней части колонны АД наносится на диаграмму у-х в соответствии с формулой:

ун = х,(18)

где ƒ = - относительный (на 1 кмоль дистиллята) мольный расход сырья;

х - мольная концентрация низкокипящего компонента в кубовой жидкости.

На рисунке Д.1 приложения Д показано определение числа теоретических тарелок для оптимального флегмового числа.

Подставляя численные значения в формулу (17), получим:

ув = = 0,729х+0,222.

Подставляя численные значения в формулу (18), получим:

ун = = 3,324х-0,009;

ƒ = = 9,576.

Число теоретических тарелок в верхней части колонны n= 10 (не считая ступень, огибающую точку Д). В нижней части колонны с учетом того, что роль одной тарелки выполняет кипятильник, число теоретических тарелок m= 3.

5 Определение расходов пара и флегмы в колонне

Жидкий поток, вносимый в колонну сырьём, определяется по формуле (e = 0):

G(1-e)=12000кг/ч. (19)

Массовый расход пара в верхней части колонны определяется по формуле:

G = G(R+1) = 2117,6 (2,69 + 1) = 7813,94 кг/ч.(20)

Так как все сырье поступает в жидкой фазе, то:

G=0, G=G=G= 7813,94 кг/ч.(21)

Массовый расход флегмы, поступающей в зону питания:

g = RG = 2,69∙2117,6 = 5696,34 кг/ч.(22)

Массовый расход флегмы, поступающей в нижнюю часть колонны:

g = g0 + gn = 12000 + 5696,34 = 17696,34 кг/ч.(23)

Массовая концентрация НКК во флегме, поступающей на последнюю тарелку нижней части колонны (счет тарелок в нижней части колонны идет снизу вверх), определяется по формуле:

где - концентрация этанола в жидком потоке сырья по условию.

Ориентировочно можно принять, что:

≈ 1,05·0,20 ≈ 0,21,

0,203.

Массовая концентрация НКК в паровом потоке, поднимающемся с последней тарелки нижней части колонны в зону питания:

0,396.(25)

Массовая концентрация НКК в паровом потоке, покидающем зону питания:

0,396.(26)

Проверка:

210 > 0,203 > 0,200

396 = 0,396

6 Тепловой баланс колонны

Принимаем температуру холодного испаряющегося орошения t=400С. Теплофизические свойства этанола и воды представлены в приложении Е.

Тепловой поток, отводимый водой в дефлегматоре, рассчитывается по формуле:

при этом средние значения удельной теплоты испарения rD и удельной теплоемкости сD находятся по правилу аддитивности:

r= = 965,46 кДж/кг; (28)

с = = 3,31 кДж/(кг∙К); (29)

Q = = 2370,73 кВт.

Энтальпия сырья i, дистиллята i, кубовой жидкости i определяются по правилу аддитивности при соответству-ющей температуре:

i = (= 349,22 кДж/кг; (30) = (= 259,35 кДж/кг; (31) = (= 415,06 кДж/кг. (32)

С учетом тепловых потерь, принятых равными 4% от полезно используемого расхода теплоты, тепловой поток в кипятильнике рассчитывается по формуле:

Q = =2598,54 кВт.

В качестве теплоносителя в кипятильнике колонны принимаем насыщенный водяной пар с абсолютным давлением 0,294 МПа (3 атм) и степенью сухости =95%. Такой пар имеет температуру 132,9С, энтальпию I=2730 кДж/кг; энтальпия конденсата I=558,9 кДж/кг /2/. Расход водяного пара G в кипятильнике колонны рассчитывается по формуле:

Gт = ,(35)

где I, I- начальная и конечная энтальпия теплоносителя в кипятильнике соответственно.

Gт = = 1,26 кг/с.

Принимаем, что вода в дефлегматоре нагревается от t=25С до t=38C. Тогда расход воды в дефлегматоре рассчитывается по формуле:

iх.н., i х.к.- соответственно начальные и конечные энтальпии хладагента в дефлегматоре.

G = = 43,6 кг/с 0,0436 м/с 156,96 м/ч.

Массовый расход холодного испаряющегося орошения рассчитывается по формуле:

где I - энтальпия пара, поступающего в дефлегматор при температуре t;

i - энтальпия флегмы при температуре tХ.

4835,61 кг/ч.

Энтальпия паров I и флегмы i определяется по правилу аддитивности:

I = = 1254,47 кДж/кг; (37) = = 117,16 кДж/кг. (38)

Массовый расход горячего орошения, стекающего с 1-ой тарелки верхней части колонны:

4835,61+ = 5397,48 кг/ч

Проверка:

Гидравлический расчет ректификации колонны включает:

1.выбор типа и конструкции контактного устройства (тарелки или насадки);

2.определение скорости пара и диаметра колонны;

.определение основных размеров контактных и переливных устройств;

.расчет гидравлического сопротивления контактных устройств;

.проверку работоспособности контактных устройств;

.определение эффективности контактных устройств, включающее расчет числа реальных тарелок и общей высоты колонны.

7.1 Определение линейной скорости паров

Средние мольная В и массовая концентрации НКК в флегме в верхней части колонны:

Средние мольная и массовая концентрации НКК в флегме нижней части колонны:

0,125.

Средние мольные концентрации низкокипящего компонента в паре находятся по уравнениям рабочих линий колонны (17)-(18):

для верхней части колонны:

у = = 0,550;

для нижней части колонны:

у = = 0,300.

Средние температуры пара в концентрационной tВ и отгонной tН частях колонны определяются для средних концентраций пара уВ и уН по изобарным температурным кривым кипения и конденсации смеси этанол - вода (приложение В рисунок В.1):

t= 82,3 0С; tН = 91,2 0С.

Средние молярные массы пара в верхней М и нижней М частях колонны:

М = = 33,4 кг/кмоль;

М = = 26,4 кг/кмоль.

Средние давления в верхней и нижней частях колонны:

116,8 кПа;

119,3 кПа..

Средние плотности пара в верхней и нижней частях колонны:

1,32 кг/м;

1,04 кг/м.

Средние плотности флегмы в верхней и нижней частях колонны:

Откуда = 821,3 кг/м;

Откуда = 931,8 кг/м.

Средние объемные расходы пара в верхней Vв и нижней Vн частях колонны:

Vв = = 1,64 м/с;

V = = 2,09 м/с.

Максимально допустимая линейная скорость пара в верхней и нижней частях колонны определяются по уравнению (40). Принимаем расстояние между клапанными тарелками h = 0,4 м /3/. Значение коэффициента С, входящего в уравнение, определяем по графику /2/.

где ρ, ρ - плотности жидкости и пара.

0,058 = 1,45 м/с;

0,058 = 1,74 м/с.

Диаметр колонны в верхней D и нижней D частях рассчитывается по формуле:

где V - объемный расход паровой фазы в колонне.

D = = 1,30 м.

Поскольку диаметры обеих частей колонны близки, принимаем диаметр колонны D одинаковым, для всего аппарата. В соответствии с нормальным рядом диаметров колонн (ГОСТ 9617-76) принимаем D = 1,4 м.

Фактическая скорость пара в верхней и нижней частях колонны в соответствии с уравнением (39) составит:

1,36 м/с.

По ОСТ 26-666 - 72 принимаем следующие размеры клапанной тарелки: ширина щели b = 6 мм, шаг щелей t = 24 мм, высота тарелки s = 4 мм; свободное сечение тарелки (суммарная площадь отверстий) - 14 % от общей площади тарелки; материал - углеродистая сталь.

7.2 Расчет верхней части колонны

Скорость пара в отверстиях тарелок:

7,57 м/с.

Коэффициент сопротивления неорошаемых клапанных таре-лок = 1,75 /4/. Тогда гидравлическое сопротивление сухой тарелки рассчитывается по формуле:

1,75 = 66 Па.(43)

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

6,2 Па.(44)

Периметр сливной перегородки П = 1,13 м [ОСТ 26-01-108-85]. Принимаем отношение плотности парожидкостного слоя (пены) на тарелке к плотности жидкости = 0,5.

Средний объемный расход флегмы в верхней части колонны:

V = = = 0,0019 м/ч. (45)

Высота слоя над сливной перегородкой:

0,016 м. (46)

Высота парожидкостного слоя на тарелке:

h = h+h = 0,04+0,016 = 0,056 м. (47)

Сопротивление парожидкостного слоя:

293,3 Па.(48)

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части колонны:

82+6,2+293,3 = 381,5 Па. (49)

Расчет нижней части колонны проводится аналогично расчету верхней части колонны:

0,0052 м/с;

0,04+0,03 = 0,07 м;

415,9 Па.

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в нижней части колонны:

104,2+22,0+415,9 = 542,1 Па.

Проверим, соблюдается ли при h=0,4 м необходимое условие для нормальной работы тарелок по формуле:

для тарелок верхней части колонны:

4 = 0,09 м;

для тарелок нижней части колонны:

4 = 0,11 м.

Следовательно, вышеуказанное условие соблюдается, и расстояние между тарелками h = 0,4 м обеспечивает нормальную работу переливных устройств.

1.7.4 Расчет скорости пара

Рассчитаем минимальную скорость пара в отверстиях, достаточную для того, чтобы решетчатая тарелка работала всеми отверстиями, по формуле:

для верхней части колонны:

0,67 = 7,36 м/с;

для нижней части колонны:

0,67 = 9,56 м/с.

Фактические скорости в отверстиях тарелок отв и отв больше минимальных и, следовательно, все отверстия тарелок будут работать равномерно.

1.7.5 Расчет величины брызгоуноса

Рассчитываем величину брызгоуноса еу отдельно для верхней и нижней частей колонны.

Для верхней части колонны:

Средняя вязкость паров определяется по формуле:

Здесь MHKK,HKK - соответственно относительная молекулярная масса и вязкость паров этилового спирта; Мвкк,вкк - соответственно относительная молекулярная масса и вязкость паров воды.

Величина межтарельчатого уноса жидкости еу определяется по формуле:

еу = ,(53)

где A, - коэффициенты; для h0,4 м А = 0,159, = 0,95. = 0,9;

h- глубина барботажа, для решетчатых тарелок h h=0,04 м;

Скорость пара в колонне;

Эффективная рабочая площадь тарелки, для отношения П/D = 1,13/1,4 = 0,81 = 0,63.

Величина S определяется из уравнения:

где,- соответственно поверхностное натяжение и плотность жидкости;

Соответственно вязкость и плотность пара.

е = = 0,0074 кг жидкости/на кг пара.

Аналогично для нижней части колонны найдена величина брызгоуноса еу = 0,0021 кг жидкости/кг пара.

ректификационный колонна конструкторский тепловой

1.7.6 Определение реального числа тарелок

Коэффициент относительной летучести для средней температуры в верхней части колонны составляет:

Вязкость флегмы:

lg = lg0,42+lg0,35,

Находим по графику /2/ = 0,52.

Аналогично находится коэффициент полезного действия в нижней части колонны = 0,55.

Число реальных тарелок в верхней n и нижней m частях колонны рассчитываются по формуле:

n = 20, m = 6.

7.7 Определение высоты колонны

Число реальных тарелок и расстояние между ними h определяет высоту тарельчатой части колонны h и h:

h + h = (n - 2)h(56)

Высота зоны питания h3n и расстояние от крышки до первой тарелки концентрационной части hB определяются конструктивно: hв=1-2 м,

h3n ≈ 2h ≈ 2∙0,4 = 0,8

Расстояние от днища до первой тарелки отгонной части hH рассчитывается исходя из условия запаса для 15-20-минутной работы насоса, откачивающего кубовую жидкость, в случае прекращения поступления сырья в колонну: hH ≈ 2-2,5м.

Высота опоры колонны hо рассчитывается в зависимости от диаметра колонны:

hо = (1-2)D = 2∙1,4 = 2,8 м. (57)

Рассчитанные значения гидравлического сопротивления тарелок = 381,5 Па и = 542,1 Па незначительно отличаются от принятых в начале расчета (соответственно 350 и 540 Па), поэтому никакие корректировки в расчет колонны вносить не следует.

Высота колонны в определяется по формуле:

H = h+h+h+h+h+h(58)

8 Определение диаметров штуцеров

Плотности жидких продуктов холодного орошения х, сырья и кубового остатка рассчитываются в зависимости от температуры и состава:

Откуда= 786 кг/м;

Откуда = 908 кг/м;

Откуда = 955 кг/м.

Плотности паров, поступающих из кипятильника колонны, и паров, уходящих с верха колонны, рассчитываются при соответствующих температурах и давлениях:

0,703 кг/м;

1,610 кг/м.

Диаметр штуцера dш зависит от допустимой скорости потока ωдоп и определяется как диаметр колонны из уравнения объемного расхода по формуле:

где Vn - объемный расход потока в трубопроводе.

Диаметр штуцера А для выхода паров из колонны в дефлегматор:

d = = 0,31 м.

Принимаем по ГОСТ 12821-80: dA =350 мм

Диаметр штуцера В для входа холодного орошения:

d = = 0,041 м.

Принимаем по ГОСТ 12821-80: dB =50 мм.

Диаметр штуцера С для ввода сырья:

d = = 0,054 м.

Принимаем по ГОСТ 12821-80: dc = 65 мм.

Диаметр штуцера К для вывода, кубовой жидкости в кипятильник колонны:

d = = 0,11 м.

Принимаем по ГОСТ 12821-80: dK = 125 мм.

Диаметр штуцера Е для ввода паров из кипятильника колонны:

d = = 0,47 м

Принимаем по ГОСТ 12821-80: dE = 500 мм.

9 Определение толщины тепловой изоляции колонны

Толщина изоляции δ должна быть такой, чтобы температура на внешней поверхности изоляции t при температуре окружающей среды t= 25С не превышала в помещениях 48С, а на открытом воздухе 60 °С. Допускаемый тепловой поток с наружной поверхности изоляции qnoт зависит от температуры на внутренней поверхности изоляции t.

Выбираем в качестве теплоизоляционного материала стеклянную вату, для которой коэффициент теплопроводности =0,05 Вт/(). Принимаем температуру на внутренней поверхности изоляции равной tcm1 = 99°С, на наружной поверхности изоляции tcm2 = минус 9°С для зимних условий. Температуру окружающей среды для зимних условий принимаем tcp = минус 20°С, для летних условий t"cp = 18°С.

Считаем, что тепловые потери зимой составляют qnoт = 115 Вт/м2.

Так как диаметр колонны является достаточно большим (D = 1,4 м), для расчета толщины изоляции можно воспользоваться формулой (60) для плоской стенки, предполагая, что DBН/DH > 0,5:

qnoт = ,(60)

где λ - коэффициент теплопроводности материала изоляции;

α - коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности изоляции к окружающей среде;

D D - наружный и внутренний диаметры изоляции.

Коэффициент α рассчитывается по формуле:

α = 9,74+0,07(t-tcp).(61)

Зимние условия

Из правой части уравнения (60) рассчитывается толщина изоляции:

9,74+0,07[-9-(-20)] = 10,51 Вт/().

Расчетное значение тепловых потерь qnoт.р находится по правой части соотношения (60):

q = 10,4[-9-(-20)]= 115,61 Вт/м.

Так как qnom qnom.p, никаких корректировок в значения ранее принятых температур вносить не надо.

Проверим условие применимости уравнения (60), приняв толщину стенки колонны = 10 мм:

Принимаем толщину тепловой изоляции равной:=0,047 м

Найдем температуру наружной поверхности изоляции cт2 для летних условий. Для этого преобразуем соотношение (60), подставив в него значение а из уравнения (61):

9,74(t- t)+0,07(t- t);

9,74(t-18)+0,07(t-18)

Находим t = 25°С. Такая температура: является допу-стимой.

Летние условия

Тепловые потери летом составляют величину:

78,7 Вт/м.

10 Определение площади поверхности теплопередачи кипятильника и дефлегматора

Кипятильник.Принимаем коэффициент теплопередачи от греющего пара к кипящей жидкости Кк =1200 Вт/() /2/. Расчетная площадь поверхности теплопередачи кипятильника F определяется по формуле:

где Q - тепловая мощность (расход теплоты) аппарата;

К - коэффициент теплопередачи в аппарате;

∆t - средняя разность температур горячего и холодного теплоносителя в аппарате.

Принимаем в качестве кипятильника кожухотрубчатый испаритель с паровым пространством, имеющий площадь поверхности теплообмена F = 100 м.

Запас площади теплообмена кипятильника:

= ∙100 = 28%(63)

Дефлегматор.Расчетная площадь поверхности теплообмена в дефлегматоре Fдp складывается из площади поверхности, необходимой для конденсации паров, и площади поверхности, необходимой для охлаждения конденсата и определяется по формуле:

Принимаем коэффициент теплопередачи в зоне конденсации паров = 800 Вт/(), а в зоне охлаждения конденсата

560 Вт/() /2/.

Тепловой поток в зоне конденсации паров

2315,9 кВт.

302,8 кВт.

Проверка:

2315,9+302,8 = 2618,7 кВт.

Температуру в конце зоны конденсации паров можно найти по формуле:

25,4С.

Средняя разность температур в зоне конденсации паров и в зоне охлаждения конденсата:

30,1С.

Расчетная, площадь поверхности теплопередачи дефле-гматора:

F = = 96,8 м.

Принимаем в качестве дефлегматора одноходовой кожухотрубчатый теплообменник с площадью поверхности теплообмена: F=100 м.

Запас площади теплообмена составляет:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Процесс ректификации широко используется в переработке материалов общей химии и нефтехимии особенно. В обозримом будущем он сохранит свою актуальность, но следует отметить его высокую энергоемкость, что, видимо, рано или поздно скажется на области его применения. Показателем энергоемкости может служить тот факт, что нефтехимия на собственные нужды расходует от 8 до 12 % перерабатываемого сырья. В этой связи целесообразно привести результаты производственного опыта проектирования систем ректифика-ционного разделения смесей, которые позволят уменьшить эне-ргетические затраты процесса.

При разделении смеси по температурам кипения компонентов в первую очередь отделяют самый низкокипящий компонент.

Во вторую очередь отделяется компонент, находящийся в избытке по сравнению с другими компонентами.

При разделении смеси необходимо соблюдать условие, когда в кубе и в верху колонны были бы примерно эквимолярные количества компонентов.

Трудные разделения проводятся с минимальными количествами в конце схемы разделения.

Вывод корродирующих компонентов должен быть осуще-ствлен как можно раньше.

Существенным фактором уменьшения энергетических затрат процессом ректификации является вакуум (вернее, раз-режение), который способен смещать, уменьшать температуру кипения компонента, увеличивая при той же температуре его испарение.

Лёгкость разделения компонентов при ректификации определяется величиной коэффициента относительной летучести. Для близкокипящих компонентов давления их насыщенных паров сближаются, что приводит к уменьшению коэффициента летучести. При коэффициенте летучести менее 1,05 разделение таких смесей обычной ректификацией становится затруднительным, так как при этом требуется большое число теоретических тарелок и большое флегмовое число.

Если компоненты образуют азеотропную смесь, т.е. смесь, кипящую при определённой температуре и имеющую коэффициент относительной летучести, равный 1,0, то применение обычной ректификации не позволяет разделить смесь на индивидуальные компоненты.

Для разделения близкокипящих компонентов и компонентов, образующих азеотропную смесь, применяют ректификацию в присутствии разделяющего компонента. Ректификация в присутствии разделяющего компонента в зависимости от летучести будет называться азеотропной или экстрактивной ректификацииией. Этот вид ректификации может применяться наряду с обычной ректификацией для уменьшения энергетических затрат процесса.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Коган В.Б., Фридман В.М., Кофаров В.В. Равновесие между жидкостью и паром. - М.: Наука, 1966.-900с.

Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов/под ред. П.Г. Романкова - 9-е изд., 1981.-560 с.

Александров И.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. - М. 1978.-227 с.

Методические указания к расчету гидравлического сопротивления ректификационных аппаратов А.М. Черемисова. Н.В. Финаева, В.Н. Фролов 1983.-32 с.

Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию под ред. Ю.И. Дытнерского - 1983. - 273 с.

Альперт Л.З. Основы проектирования химических установок. 1982.-303 с.

Козлита А.Н., Устинов В.А. Ректификация/ методическое пособие / Комсомольск-на-Амуре. 2005.-68 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ А (основное)

Материальный баланс ректификационной колонны

Таблица А.1

Материальный баланс колонны

КомпонентМолярная масса М, кг/кмольСырьеДистиллятКубовый остатокМассовый расход GiF, кг/чМассовая доляМольный расход NiF кмоль/чМольная доля XiFМассовый расход GiD, кг/чМассовая доля Мольный расход NiD кмоль/чМольная доля XiDМассовый расход Giw кг/чМассовая доляМольный расход Niw кмоль/чМольная доля XiwЭтанол4624000,2052,20,0891905,840,9041,50,777494,160,0510,70,05Вода1896000,80533,30,911211,760,1011,90,2239388,240,95521,60,95Сумма120001,0585,51,02117,61,053,41,09882,41,0532,31,0

ПРИЛОЖЕНИЕ Б (основное)

Таблица Б.1

Равновесные составы жидкости и пара при давлении =101 кПа

t,Схуt,Сху1000,000,084,017,250,599,30,283,283,420,653,096,91,1811,383,021,052,796,01,3715,782,325,555,296,01,4413,582,028,456,795,61,7615,681,432,158,694,82,2218,681,532,458,693,82,4621,281,234,559,193,53,0223,180,940,561,492,93,3124,880,543,062,690,55,1931,880,244,963,390,55,3031,480,050,666,189,46,2533,979,554,567,388,46,7337,078,866,373,388,67,1536,278,573,577,687,28,7140,678,480,481,585,412,646,878,391,790,684,514,348,778,3100,0100,0

ПРИЛОЖЕНИЕ В (основное)

Диаграммы фазового равновесия в координатах у-х и t-х,у при давлении =101 кПа

Рисунок В.1 - Изобарные температурные кривые кипения и конденсации смеси этиловый спирт - вода

Рисунок В.2 - Диаграмма фазового равновесия бинарной смеси этанол - вода в координатах у-х

ПРИЛОЖЕНИЕ Г (основное)

Определение оптимального флегмового числа

Рисунок Г.1 - Определение оптимального флегмового числа.

ПРИЛОЖЕНИЕ Д (основное)

Определение числа теоретических тарелок в колонне

Рисунок Д.1 - Определение числа теоретических тарелок в колонне

ПРИЛОЖЕНИЕ Е

(основное)

Теплофизические свойства воды и этилового спирта

Таблица Е.1

Теплофизические свойства воды

СвойствоВодаТемпература,4078,482,387,091,299,0Удельная теплоемкость С, кДж/(кг*К)4,184,194,194,194,194,23Давление насыщеного пара Р, мм.рт.ст.389,6550,3Удельная теплота парообразования r, кДж/кг2312,7Плотность жидкости , кг/м992972,9970,4967,1964,2958,7Поверхностное натяжение , мН/м69,6562,8962,1761,3160,5359,08Вязкость пара , мПас0,0110,0120,0120,0130,0130,013Вязкость жидкости , мПас0,660,350,32

Таблица Е.2

Теплофизические свойства этилового спирта

СвойствоЭтиловый спиртТемпература,4078,482,387,091,299,0Удельная теплоемкость С, кДж/(кг*К)2,793,213,273,313,373,48Давление насыщеного пара Р, мм.рт.ст.7001000Удельная теплота парообразования r, кДЖ/кг849,1Плотность жидкости , кг/м772736,5732,8728,4724,4717,0Поверхностное натяжение , мН/м20,617,09Вязкость пара , мПас0,00820,00900,00950,01000,01050,0112Вязкость жидкости , мПас0,830,420,37

Пропорциональное объёму ректификационной колонны (N – число ступеней изменения концентрации или теоретических тарелок...

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

С одержание

Введение

1. Технологическая часть

1.1 Теоретические основы процесса

1.2 Сравнительная характеристика а ппаратов

1.3 Уст ройство основного аппарата

1.4 Технологическая обвязка аппарата по ГОСТ

1.5 Техника безопасност и при обслуживании оборудования

1.6 Физико-технические свойства веществ

2.Расчётная часть

2.1 Материальный расчет

2.2 Тепловой расчет

2.3 Конструктивный расчёт аппарата

2.4 Расчёт и подбор вспомогательного оборудования

Литература

ВВЕДЕНИЕ

Химизация - процесс производства и применения химических продуктов - одна из высших стадий развития общественных производительных сил.

На всех этапах промышленного развития химия и химические методы обработки предметов труда играли революционизирующую роль. За последние 20 - 30 лет в результате крупных достижений химической науки и техники значение и роль химической промышленности в народном хозяйстве еще более возросли. Она оказывает огромное влияние на развитие материально - технической базы общественного производства. Современная химическая промышленность по масштабам производства и технической базы, по технологии и отраслевой структуре, по экономической роли в развитии общества поднялась на качественно- новую ступень.

Роль современной химической промышленности заключается, прежде всего, в том, что она становится все расширяющимся источником получения искусственным путем новых материалов, новых видов сырья, либо дополняющих, либо заменяющих природное сырье. Искусственные и синтетические полимеры становятся все более массовыми конструкционными материалами. В результате химическая промышленность превращается в источник получения материалов, которые образуют материальную субстанцию орудий труда и предметов потребления.

Значительна роль химии в решении главной экономической задачи - повышении материального благосостояния людей. /9, с. 10/

Все сферы жизни и деятельности людей их здоровье, питание, одежда, жилище и быт связаны с химической продукцией. Общее число известных химических соединений используемых для этих целей оценивается близким к 4,5 млн., в том числе около шестидесяти тысяч неорганических соединений.

Важнейшим преимуществом применения химических процессов и материалов является возможность создания материалов с заранее заданными свойствами, обладающих легкостью и прочностью, антикоррозионными и диэлектрическими свойствами, способностью работать в экстремальных условиях.

Без использования химических процессов и материалов невозможно было бы создание таких прогрессивных отраслей народного хозяйства, как атомная энергетика, электроника, космическая техника, ракетостроение, а также развитие принципиально новых технических направлений в авиации, радиотехнике и электронике, в приборо- и машиностроении.

Среди отраслей промышленности, где особенно прогрессирует химизация, следует в первую очередь указать машиностроение, которое является основой технического перевооружения всех отраслей народного хозяйства. Расширение сферы химизации в машиностроении достигается за счет конструирования из химических материалов деталей, машин и механизмов, что ведет к уменьшению габаритов и снижению массы, повышению их надежности и долговечности, увеличению производительности, улучшению качества и эксплуатационных свойств, а также высвобождению дефицитных и дорогостоящих материалов.

Особенно широко используются в машиностроении пластмассы и синтетические смолы, синтетический каучук и резины, химические волокна и изделия из них, краски и лаки.

Применение пластмасс и синтетических смол в электронной технике способствовало микроминиатюризации и миниатюризации ее продукции, что в свою очередь, обеспечило технический прогресс в производстве электронно-вычислительных машин, транзисторов, радио- и телевизионной аппаратуры.

Полимерные материалы в значительной мере определяют технический прогресс в электротехнике. Использование эпоксидных и кремнийорганических смол в качестве изоляционных материалов позволило значительно повысить мощность электродвигателей, в 2-3 раза увеличить срок их службы.

Применение полимеров, особенно армированных пластиков, в транспортном машиностроении (в производстве самолетов, судов автомобилей, вагонов и др.) позволило уменьшить массу деталей, улучшить их прочностные характеристики и антикоррозионные свойства. Благодаря этому растут скорости движения и грузоподъемность транспортных средств, улучшается их комфортабельность.

В судостроении полимерные материалы обеспечивают высокую прочность конструкции, повышают ресурсы работы и безопасность движения, упрощают технологическое обслуживание и ремонт.

Быстрыми темпами внедряются пластмассы в автомобилестроение. На основе полимерных ма териалов производятся электро - термо- и звукоизоляционные элементы, кабельные изделия электропроводов, светотехнические изделия и корпусные детали электробытовых и радиотехнических приборов, изделия абразивной промышленности, фрикционные детали тормозных систем для автомобилей и для железнодорожного транспорта, антикоррозийные и декоративные покрытия. 7, с. 299/

Эластомеры расходуются на производство технических и хирургических изделий из мягкой резины, а также резиновые подошвы, ленточные транспортеры, обувь и шланги всех видов.

Использование химических процессов и материалов способствует решению важнейшей задачи повышения эффективности производства, что достигается благодаря более высокой производительности труда, более низкой материало- , энерго-, и капиталоемкости при применении химических процессов и материалов. Химизация - это огромная экономия материальных, трудовых, энергетических и финансовых ресурсов.

Увеличение масштабов использования химических материалов и методов сопровождается значительной экономией затрат на производство, сокращение удельных капитальных вложений на единицу продукции, систематическому повышению производительности общественного труд а.

1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА

Ректификация получила широкое распространение во многих отраслях промышленности для разделения однородных жидких смесей с различной температурой кипения образующих их жидкостей.

Получение практически чистых компонентов может быть осуществлено ректификацией - разделения однородных смесей не находящихся в термодинамическом равновесии, на составляющие вещества или группы составляющих веществ в результате противоточного взаимодействия паров, образующихся при перегонке, с жидкостью, образующейся при конденсации этих паров. При этом пар при движении постоянно обогащается низкокипящим (легколетучим) компонентом, а жидкость - высококипящим (труднолетучим) компонентом.

Движущая сила процесса ректификации определяется разностью рабочей и равновесной концентраций. Процесс не может протекать бесконечно и наступает состояние фазового равновесия, наступающего, когда скорости перехода компонента из одной фазы (газ (пар) или жидкость) в другую становятся равными.

Фазовое равновесие характеризуется равновесной концентрацией. По величине рабочей и равновесной концентрации всегда можно судить, в каком направлении протекает массообмен. Сместить фазовое равновесие можно изменением таких параметров, как температура, концентрация и давление.

Состав паров в процессе ректификации определяется различной летучестью компонентов при одной и той же температуре. При ректификации исходная смесь делится на две части: дистиллят - смесь, обогащенную низкокипящим компонентом (НК), и кубовый остаток - смесь, обогащенную высококипящим компонентом (ВК). /2, с. 246/

Ректификацией может быть достигнута любая заданная степень разделения жидких смесей. Ректификация является сложным процессом дистилляции.

Процесс ректификации осуществляется в ректификационной установке, основным аппаратом которой является ректификационная колонна, внутри которой расположены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Снизу вверх по колонне движется пар, поступающий из выносного или расположенного внизу под колонной куба - испарителя. На каждой тарелке происходит частичная конденсация пара труднолетучего компонента. 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 пар конденсируется легколетучего компонента. Пар конденсируется в дефлегматоре, охлаждаемом водой. Полученный конденсат разделяется на дистиллят (верхний продукт) и флегму, которая направляется на верхнюю тарелку колонны. Флегма, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, обогащается труднолетучим компонентом.

Исходную смесь подогревают до температуры кипения в теплообменнике и подают в колонну на тарелку нижней исчерпывающей части колонны. Верхняя часть колонны называется укрепляющей по легколетучему компоненту.

Из куба - испарителя отводят нижний продукт или кубовый остаток. /8, с. 353/

Процесс ректификации может протекать при атмосферном давлении, а также при давлениях выше и ниже атмосферного. Под вакуумом ректификацию проводят, когда разделению подлежат высококипящие жидкие смеси.

Повышенное давление применяют для разделения смесей, находящихся в газообразном состоянии при более низком давлении. Атмосферное давление принимают при разделении смесей, имеющих температуру кипения от 30 до 150 0 С. /2, с. 246/

Ректификацию осуществляют на установках непрерывного и периодического действия. Установка непрерывного действия применяется для крупнотоннажного производства, ее можно полностью автоматизировать, и имеется возможность использования тепла кубовой жидкости для подогрева исходной смеси и тем самым снизить энергозатраты. Установка периодического действия работает при переменном флегмовом числе и переменном составе дистиллята. Такую схему трудно автоматизировать и применяют ее для мелкотоннажных производств и опытных партий.

Экстрактивная ректификация предназначена для разделения смесей компонентов с близкими температурами кипения и очень низкой относительной летучестью ( & < 1,05). В этом случае в исходную смесь вводится третий компонент, предназначенный для резкого увеличения летучести основных компонентов. Вводимый компонент должен быть менее летуч, чем оба исходных компонента разделяемой смеси, и должен хорошо растворять низколетучий компонент разделяемой смеси.

Азеотропная ректификация смеси. А и В, находящейся в термодинамическом равновесии, осуществляется аналогичным способом. К азеотропной смеси, то есть жидкой смеси, находящейся в термодинамическом равновесии с газовой фазой одинакового с ней состава; добавляют третий компонент С, образующий с одним из разделяемых компонентов новую (более летучую, чем исходная) азеотропную смесь. Эта азеотропная смесь выделяется в качестве дистиллята, а другой практически чистый компонент удаляется в виде кубового остатка.

При описании и расчетах процессов, осуществляемых в ректификационных аппаратах при противоточном взаимодействии потоков жидкости и пара принимают следующие допущения:

1. мольные теплоты испарения компонентов одинаковы, то есть при конденсации каждого киломоля пара испаряется такое же количество киломолей жидкости. Отсюда следует важный вывод о том, что количество пара, движущегося в аппарате снизу вверх, выраженное в киломолях, одинаково в любом сечении ректификационной колонны.

2. при конденсации пара в дефлегматоре изменения его состава не происходит, то есть состав пара, выходящего из верхней части колонны, равен составу получаемого дистиллята и флегмы (У р = Х р )

3. при испарении кубовой жидкости в испарителе изменение ее состава также не происходит, то есть состав жидкости, выгружаемой из нижней части колонны, равен составу возвращаемого в колонну пара

4. (y w = x w )

5. теплоты смешения компонентов разделяемой смеси равны нулю. Ректификацией разделяют смеси с различной взаимной растворимостью компонентов. Двойные смеси обычно называют бинарными, а содержащие несколько компонентов - многокомпонентными. Различают следующие типы бинарных смесей.

1) смеси взаимнорастворимых жидкостей, то есть таких жидкостей, которые растворимы друг в друге в любых отношениях. В свою очередь они разделяются на: а) смеси не действующих друг на друга жидкостей (так называемые идеальные смеси, которые подчиняются закону Рауля, согласно которому парциальное давление компонентов пар ах над жидкостью равно давлению пара чистого компонент, умноженному на его мольную долю в жидкости), у которых силы сцепления между молекулами обоих компонентов такие же, как и между молекулами каждого из компонентов; б) смеси с положительными отклонениями от закона Рауля, у которых силы сцепления между молекулами низкокипящего и высококипящего компонентов меньше, чем между молекулами каждого из компонентов (с максимумом на кривой давления); в) смеси с отрицательными отклонениями от закона Рауля, у которых силы сцепления между молекулами НК и ВК больше, чем между молекулами каждого из компонентов (с минимумом на кривой давлений).

2) Смеси из жидкостей, нерастворимых друг в друге.

3) Смеси частично растворимых жидкостей /9, с. 343/

Степень разделения смеси жидкостей на составляющие компоненты и чистота получаемых дистиллята и кубового остатка зависят от того, насколько развита поверхность контакта фаз, от количества подаваемой на орошение флегмы и устройства ректификационной колонны, которые отличаются в основном конструкцией внутреннего устройства (насадки и тарелки), назначение которого - обеспечение взаимодействия жидкости и пара.. /6 , с. 246/

1.2 СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АППАРАТОВ

Для ректификации применяют практически исключительно аппараты колонного типа - насадочные и барботажные ректификационные колонны.

В насадочных ректификационных колоннах для развития поверхности контакта фаз используют насадку - твердые тела, разнообразные по форме и размерам. Они изготовляются из различных материалов (металлов, керамики, пластических масс и др.). Насадочные ректификационные колонны обычно применяют с кольцевой насадкой. Чаще используют керамические кольца Рашига и седлообразные насадки, в неагрессивных средах используют деревянную хордовую насадку (рисунок 1). Насадка из колец Рашига (рисунок 1 а) имеет наиболее широкое применение. Тонкостенные кольца Рашига имеют высоту, равную диаметру, которая изменяется в пределах 15 - 150 мм. Кольца малых размеров засыпают в колонну навалом. Большие кольца (от 50 * 50 мм и выше) укладывают правильными рядами, сдвинутыми друг относительно друга. Такой способ заполнения аппарата насадкой называется загрузкой в укладку, а загружаюемую таким способом насадку - регулярной.

В насадочных колоннах в укрепляющей части колонны количествожидкости меньше количестваподнимающихся паров на количество отводимого дистиллята, в исчерпывающей части колонны количество вводимой жидкости больше, чем в укрепляющей на количество вводимой смеси.

Неравномерное распределение жидкости по сечению колонны может привести к недостаточно четкому разделению компонентов, особенно при большом диаметре колонны. Низкое гидравлическое сопротивление насадочных колонн существенно лишь при ректификации в вакууме.

В насадочных колоннах пловерхность контакта фаз является смоченная поверхность насадки, поэтому насадка должна иметь возможно большую поверхность в единице объема. Вместе с тем, для эффективной работы она должна удовлетворять следующим требованиям: 1) хорошо смачи-ваться орошающей жидкостью; 2) оказывать малое гидравлическое сопротивление паровому патоку; 3) создавать возможность для высоких нагрузок аппарата по жидкости и пару; 4) иметь малую плотность; 5) равномерно распределять орошающую жидкость; 6) быть стойкой к агрессивным средам; 7) обладать высокой механической прочностью; 8) иметь невысокую стоимост ь.

а б г в

А) насадка из колец Рашига; б) седла Берля; в) шары; г) хордовая насадка

Рисунок 1 - виды насадок

В насадочных колоннах (рисунок 2) насадка укладывается на опорные решетки 2, имеющие отверстия или щели для прохождения газа или стока жидкости, которая с помощью распределителя (разбрызгивателя) 4 равномерно орошает насадочные тела и стекает вниз. По всей высоте слоя насадки равномерное распределение жидкости по сечению колонны не достигается, поскольку из-за разного гидравлического сопротивления насадки и влияния пристеночных эффектов, она имеет тенденцию растекаться от центральной части колонны к ее стенкам. Поэтому для улучшения смачивания насадки в колоннах большого диаметра насадку иногда укладывают слоями (секциями) высотой 2 - 3 м и под каждой секцией, кроме нижней, устанавливают перераспределитель жидкости 3.

В зависимости от скорости подаваемого в насадочную колонну газа (расход жидкости при этом постоянен), различают четыре гидродинамических режима ее работы:

I. Пленочный режим характеризуется тем, что практически вся жидкость стекает по поверхности насадки в виде пленки.

II. Подвисание характеризуется увеличением сил трения газа о жидкость на поверхности соприкосновения фаз. В результате спокойное течение пленки нарушается - появляются завихрения, брызги.

III. Эмульгирование характеризуется накоплением жидкости в свободном объеме насадки. Накопление жидкости происходит до тех пор, пока сила трения между стекающей жидкостью и поднимающимися по колонне парами не уравновесит силу тяжести жидкости, находящейся в насадке при этом наступает обращение (или инверсия) фаз (жидкость становится сплошной фазой, а пар - дисперсной). Гидравлическое сопротивление колонны резко возрастает, наступает “ захлебывание ” колонны .

IV. Унос жидкости паровым потоко м, на практике не используется.

Недостатком насадочных колонн является то, что они малопригодны при работе с загрязненными жидкостями, а в случаях малых количеств орошающей жидкости не достигается полная смачиваемость насадки. Кроме того, в насадочных колоннах затруднен отвод теплоты, выделяющейся при поглощении пара.

1- насадка; 2-опорная решетка; 3- перераспределитель жидкости; 4- разбрызгиватель; 5- гидрозатвор.

Рисунок 2. Схема насадочной колонны

Насадочные ректификационные колонны небольшого диаметра (до 1 м) применяют при ректификации в вакууме и для разделения химически агрессивных веществ. Длительный опыт промышленной эксплуатации насадочных колонн показал целесообразность их использования при диаметрах не более 0,8 м , при дальнейшем увеличении диаметра насадочной колонны ухудшается равномерное распределение флегмы по насадке, образуются каналы, по которым преимущественно устремляется флегма, и эффекти вность колонны резко снижается.

Барботажные ректификационные колонны применяют с колпачковыми, ситчатыми и про-вальными тарелками. Тарелки бывают со сливными устройствами и без них.

К первой группе относятся колпачковые, ситчатые, клапанные и другие, ко второй группе - провальные.

Значительное сопротивление6 барботажных колонн при ректификации обычно несущественно (кроме ректификации в вакууме), так как повышает давление и следовательно, температуру кипения в нижней части колонны и не связано с дополнительным расходом энергии.

Барботажные колонны являются наиболее распространенными ректификационными аппаратами благодаря возможности разделения в них компонентов с любой степенью четкости.

Колонны с ситчатой и провальными тарелками применяют в установках, работающих с постоянной нагрузкой.

Ситчатые тарелки (рисунок 3) представляют собой перфорированные диски с большим числом отверстий диаметром 2 - 8 мм, которые равномерно просверлены по всей поверхности.

Уровень жидкости на тарелке 1 поддерживается переливным устройством 2, высота слоя жидкости составляет 25 - 30мм. Пар проходит через отверстия тарелки и барботирует через слой жидкости (распределяется в слое жидкости в виде мелких струек и пузырьков).

При слишком малой скорости пара его давление не может удержать слой жидкости, соответствующий высоте перелива, и жидкость может просачиваться (или “проваливаться”) через отверстия тарелки на нижерасположенную тарелку, что приводит к существенному снижению движущей силы процесса. Поэтому пар должен двигаться с определенной скоростью и иметь дав ление, достаточно для того, чтобы преодолеть давление слоя жидкости на тарелке и предотвратить стекание жидкости через отверстия тарелки. Однако при слишком больших нагрузках жидкость будет уноситься потоком пара на вышележащие тарелки.

Ситчатые тарелки обладают более узким диапазоном работы по сравнению с колпачковыми и отверстия в тарелках могут легко засоряться, но отличаются простотой устройства, низким гидравлическим сопротивлением, легкостью монтажа, осмотра и ремонта. КПД ситчатых тарелок равен 0,3 - 0,4.

1- тарелки; 2- переливные устройства; 3- гидрозатворы; 4-корпус колонны

Рисунок 3. Устройство ситчатых переточных тарелок

В провальных тарелках (рисунок 4) без сливных устройств пар и жидкость проходят через те же отверстия и щели. При том одновременно с взаимодействием фаз на тарелке происходит сток жидкости на нижерасположенную тарелку - “проваливание” жидкости. Поэтому тарелки такого типа называют провальными.

1 - колонна; 2-тарелки.

Рисунок 4. Устройство провальных тарелок

Гидродинамический режим работы провальных тарелок специфичны тем, что нормальная их работа возможна только после достижения определенной скорости пара.

На рисунке 5 приведены типы тарелок, на которых осуществляются интенсивные процессы взаимодействия газовой (паровой) и жидкой фаз. На тарелке с двумя зонами контакта фаз, газ (пар) дополнительно проходит через пленку жидкости при сливе с тарелки и барботирует через слой жидкости на тарелке.

Слой шаров на тарелке (ситчатой или провальной) помогает образовать плотную сепарирующую пленку жидкости между тарелками, благодаря чему скорость газа (пара) в колонне можно повысить в 3 - 4 раза по сравнению с ситчатыми тарелками.

При ректификации термически нестойких систем (в вакууме) применяют роторные аппараты, обеспечивающие разбрызгивание жидкой фазы. Они имеют низкое гидравлическое сопротивление, но требуют дополнительных затрат энергии на вращение ротора.

А) тарелки с двумя зонами контакта фаз; б) тарелки с подвижной шаровой насадкой

Рисунок 5. типы интенсивных контактных устройств

Интенсификация ректификационных установок осуществляется в основном за счет уменьшения энергетических затрат, а также с помощью организации интенсивных гидродинамических режимов и оптимальных условий массопередачи.

Энергетические затраты (на греющий пар и охлаждающую воду) могут быть уменьшены за счет: 1) хорошей термоизоляции ректификационной колонны; 2)работы при оптимальном (соответствующем минимуму суммарных затрат) флегмовом числе; 3) использования вторичных тепловых потоков (теплоты, уходящей из колонны с потоками дистиллята, кубового остатка, конденсата) на производственные нужды; 4) использования острого пара (в тех случаях, когда это допустимо) на нагрев куба и т.п.; 5) применения принципа термокомпрессии (теплового насоса);6) использования двух (или более) колонн при различных давлениях, например, для ректификации азеотропных смесей.

Кроме того, при проектировании ректификационных установок необходимо учитывать технологические особенности проведения процесса. При несогласованности механических, тепловых и технологических расчетов, проект может оказаться непригодным. /8, с. 363/

1.3 УСТРОЙСТВО ОСНОВНОГО АППАРАТА

Барботажная колонна с колпачковыми тарелками.

Сливные устройства - это специальные приспособления для перетока жидкости - сливные трубы, карманы. Их нижние концы погружены в жидкость н а нижерасположенных тарелках для создания гидрозатвора, предотвращающего прохождение пара через сливное устройство.

Жидкость подается сверху вниз, движется вдоль тарелки от одного сливного устройства к другому. Пар проходит снизу через прорези колпачков и затем попадает в слой жидкости на тарелке, высота которого регулируется высотой сливного порога.

а) две соседние тарелки; б) капсульный колпачок; в) формы капсульных клопачков; 1- тарелки; 2- газовые (паровые) патрубки; 3- круглые колпачки; 4- переточные перегородки (или трубы) с порогами; 5- гидравлические затворы; 6- корпус колонны

Рисунок 6. устройство колпачковой тарелки

При этом пар распределяется в жидкости в виде пузырьков и стрй, образуя слой пены, в котором происходит процесс ректификации. Эта пена нестабильна, и при выходе ее к сливному устройству жидкость осветляется.

В колоннах с колпачковыми тарелками (рисунок 6) находятся тарелки 1 с патрубками 2, закрытые сверху колпачками 3 (число колпачков на тарелке определяется ее конструкцией). Нижние края колпачков снабжены зубцами или прорезями в виде узких вертикальных щелей. Жидкость перетекает с тарелки на тарелку через переливные трубы 4. уровень жидкости на тарелке соответствует высоте, на которую верхние концы переливных труб выступают над тарелкой. Чтобы жидкость перетекала только по переливным трубам, а не через патрубки 2, верхние концы патрубков должны быть выше уровня жидкости. Нижние края колпачков погружены в жидкость так, чтобы уровень жидкости был выше верха прорезей.

Газ проходит по патрубкам 2 в пространство под колпачками и, выходя через отверстия между зубцами или через прорези в колпачках, барботирует через слой жидкости.

Чтобы газ не попадал в переливные трубы и не препятствовал таким образом нормальному перетоку жидкости с тарелки на тарелку, нижние концы переливных труб опущены ниже уровня жидкости. Благодаря этому создается гидрозатвор, предотвращающий прохождение газа через переливные трубы.

1 - тарелка; 2- патрубок; 3- колпачок; 4- переливная труба

Рисунок 7. Схема колонны с колпачковыми тарелками

По конструкции различают круглые колпачки и прямоугольные колпачки. Круглые колпачки имеют диаметр 80…100 мм, при работе с загрязненными жидкостями - до 200…300 мм. Ширина прямоугольных (т уннельных) колпачков 70…150 мм.

Недостатками колпачковых тарелок являются трудность сборки и монтажа, сложность изготовления, высокое гидравлическое сопротивление, необходимость установки режима расхода газовой фазы.

КПД колпачковой тарелки высокое 0,5 - 0,6. колпачковые тарелки более универсальны и используются при любом давлении как при устойчивых, так и при неустойчивых режимах работы. Нагрузка на сегментный перелив не должна превышть 40 м 3 / (м*ч).

1.4 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОБВЯЗКА АППАРАТА ПО ГОСТ

1 - теплообменник; 2 - ректификационная колонна; 3 - дефлегматор;

4 - распределительный стакан; 5 - испаритель; 6 - сборник кубового остатка; 7 - центробежный насос

Рисунок 8. Ректификационная установка

1.5 ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ОБСЛУЖИВАНИИ АППАРАТА

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.

1.5.3 При 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 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. /4; с. 25 - 27 /

1.6 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВ ТРИХЛОРЭТАН С 2 Н 3 Сl 3

133,41

Температура кипения, t КИП , О С 1 13,9

Температура плавления, t ПЛ , О С -36,5

Плотность при 20 О С , с , кг/м 3 1440

1,113

Вязкость, µ , Па с 1,2 10 3

Поверхностное натяхение, у , Н/м 33 , 57 10 -3

Трихлорэтан - б есцветная летучая жидкость со сладковатым запахом, технический продукт летучая жидкость от бесцветного до желтоватого цвета.

Х орошо растворяется в спирте, эфире, углеводородах нефти; мало ратворим в воде. Вступает в реакции галогенирования, гидрохлорирования, дегидрохлорирования, хлоргидринирования . . /3; с. 58-59 /

1,2-ДИХЛОРЭТАН (этиленхлорид, хлористый этилен, сим-дихлорэтан)

С 4 H 4 Cl 2

Молекулярная масса, М, кмоль/кг 63,5

Температура кипения, t КИП , О С 83,47

Температура плавления, t ПЛ , О С 95,36

Плотность при, с , кг/м 3 1253

Удельная теплоемкость, с, Дж/кг К 1372

Вязкость, µ , Па с 0,417 1

Поверхностное натяхение, у , Н/м 22,5 10 -3

1,2-дихлорэтан - бесцветная летучая жидкость со сладковатым запахом. Технический продукт - бесцветная летучая жидкость. При влажности не менее 0,1% является гигроскопичной жидкостью. Легковоспламеняющаяся и токсичная жидкость. Хорошо растворяется в спирте, эфире, нефтяных углеводородах, плохо растворяется в воде. Вступает в реакции галогенирования, дегидрохлорирования, гидролиза, амманолиза, цианирования, этерефикации, алкилирования.

2 РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ

Исходные данные:

Производительность ректификационной колонны для разделения смеси трихлорэтан-дихлорэтан, кг/ч 8600

С одержание низкокипящего компонента:в сырье, % масс. 29

в кубовом остатке, % масс. 1

в дистилляте, % масс. 70

2.1 МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС

2.1.1 Перевод производительности в кг/с

2.1.2 Материальный баланс колонны рассчитываем согласно/2, с.114/ по формуле:

где F - количество исходной смеси, кг/с

Р - количество дистиллята, кг/с

W - количество кубовой жидкости, кг/с

2.1.3 Материальный баланс низкокипящего компонента :

F x F = P x P + W x W (2.2)

где x F , x P , x W - содержание низкокипящего компонента

в сырье, дистилляте, кубовом остатке, % масс.

Составим систему уравнений для нахождения количества исходной смеси и кубового остатка:

W = 3,51 кг/с

F = 5,91 кг/с

2.1.4 Выразим концентрации питания, дистиллята, кубового остатка в мольных долях:

2.1.5 Определим относительный расход питания колонны:

2.1.6 Расчет равновесног о состава жидкости и пара смеси

1,2-дихлорэтан-винилхлорид согласно :

		t , 0 С

2.1.7 Найдем минимальное флегмовое число согласно /1;с.250/ по формуле:

(2.8)

2.1.8 Найдем рабочее флегмовое число согласно /1;с.250/ по формуле:

R раб = ( 1, 5…2,5) R min (2.9)

R раб = 2,5 2,64 = 6 ,6

2.1.9 Отрезок B , отсекаемый на оси OY рабочей линии, рассчитываем согласно / 1 , с. 254 / по формуле:

2.2 ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС

2.2.1 Тепловой баланс ректификационной колонны рассчитывается по формуле:

Q F + Q Ф + Q под = Q G + Q W + Q пот (2.11)

где Q F - теплота, подводимая с исходной смесью;

Q Ф - теплота, подводимая с флегмой;

Q под - теплота, подводимая с греющим паром;

Q G - теплота, отводимая с парами дистиллята;

Q W - теплота, отводимая с кубовым остатком;

Q пот - потери теплоты в окружающую среду;

2.2.2 Для выполнения тепловых расчетов определим температуры кипения исходной смеси, дистиллята и кубового остатка по диаграмме t-x,y:

t F = 74,9 o C

t P = 72,4 o C

t W = 80,65 o C

2.2.3 Определим теплоемкости дистиллята (флегмы) , кубового остатка и исходной смеси согласно /1, с.21/ по формулам:

с P = с НК х Р + с ВК (1- х Р ) (2.12)

с W = с НК х W + с ВК (1- х W ) (2.13)

с F = с НК х F + с ВК (1- х F ) (2.14)

с = 1379 0,78 + 1113 0,014 = 1091,20 Дж/кг К

с W = 1 379 0,38 + 1113 0,38 = 946,96 Дж/кг К

с F = 1379 0,014 + 1113 0,78 = 887,45 Дж/кг К

2.2.4 Определим теплоту парообразования дистиллята ( флегмы ) согласно /1; с.261/ по формуле:

r Р = r НК х Р + r ВК (1- х Р ) (2.15)

r Р = 323400 0, 78 + 276100 (1-0,78) = 312994 Дж/кг

2.2.5 Определим энтальпию пара, выходящего из колонны согласно /1; с. 261/ по формуле :

I = r Ф + c Ф t Ф = r Р + с P t P (2.16)

I = 312994 + 1091,20 72,4 = 391996,88 Дж/кг

2.2.6 Определим теплоту, подводимую с исходной смесью согласно /1; с.260/ по формуле:

Q F = F с F t F (2.17)

Q F = 5,91 946,96 74,79 = 419180,37 Вт

2.2.7 Определим теплоту, подводимую с флегмой согласно /1; с.260/по формуле :

Q Ф = Ф c Ф t Ф ( 2 .18)

где Ф - количество флегмы;

Ф = Р R раб (2.19)

Ф = 2,4 6,6 = 15,84 кг/с

Q Ф = 2,4 1091,20 72,4 = 189606,91 Вт

2.2.8 Определим теплоту, отводимую с кубовым остатком согласно /1; с.260/ по формуле:

Q W = W с W t W (2.20)

Q W = 3,51 946,96 80,65 = 251220,68 Вт

2.2.9 Определим теплоту, отводимую с парами дистиллята из колонны согласно /1; с.260/ по формуле :

Q G = G I (2.21)

где G - количество пара, поднимающегося вверх по колонне;

G = P + Ф (2.22)

G = 2,4 + 15,84 = 18,24 кг/с

Q G = 18,24 391996,88 = 7150023,09 Вт

2.2.10 Определим расход подводимого тепла по формуле:

Q под = Q G + Q W + Q пот - Q F - Q Ф

где Q пот = 0,02 Q под

Q под = Q G + Q W + 0,02 Q под - Q F - Q Ф

Q под - 0,02 Q под = Q G + Q W - Q F - Q Ф

0,98 Q под = Q G + Q W - Q F - Q Ф

2.2.11 Определим количество потерь теплоты в окружающую среду:

Q пот = 0,02 Q под (2.23)

Q пот = 0,02 6931078,05 = 138621,56 Вт

2.2.12 Составим таблицу

Таблица 1 . Тепловой баланс ректификации

Приход, Вт	Расход, Вт
	419180,37
Q под		Q пот

2.3 КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ

2.3.1 Определим средние концентрации жидкости согласно /1; с.258/по формулам:

в верхней части колонны:

в нижней части колонны:

2.3.2 Опре делим средние концентрации пара согласно /1; с. 258/по формулам :

в верхней части колонны:

в нижней части колонны:

2.3.3 Определим средние температуры пара

в верней части колонны t в.ср = 73,65 о С

в нижней части колонны t н.ср = 77,78 о С

2.3.4 Определим средние мольные массы пара согласно /1; с. 258/по формулам :

в верней части колонны:

M в . ср = y В . ср М НК + (1- y в . ср ) М ВК (2.28)

M в.ср = 0,97 99 + (1-0,99 ) 133,5 = 100,035 кг/кмоль

в нижней части колонны:

M н . ср = y н . ср М НК + (1- y н . ср ) М ВК (2.29)

M н.ср = 0,38 99 + (1-0,387 ) 133,5 = 120,15 кг/кмоль

2.3.5 Определим плотность пара согласно по формулам:

в верхней части колонны

в нижней части колонны:

2.3.6 Определим среднюю плотность пара в колонне по формуле:

2.3.7 Определим среднюю плотность жидкости в колонне:

2.3.8 Определим скорость пара в колонне согласно по формуле:

2.3.9 Определим объемный расход, проходящего через колонну пара при средней температуре согласно по формуле:

2.3.10 Определим диаметр колонны согласно по формуле :

2.3.11 Определим число тарелок согласно /1; с.223/ по формуле:

где n т - число теоретических тарелок (по диаграмме у-х);

? = (0,3….0,9)

2.3.12 Определим рабочую высоту колонны согласно /1; с.223/ по формуле:

Н раб = n h (2.38)

где h = (0,2…0,8)

Н раб = 33 0,3 = 9,9 м

2.3.13 Определим общую высоту колонны согласно /1; с.223/по формуле :

Н общ = Н раб + Н крыш + Н дни (2.39)

Н общ = 9,9 + 1,5 + 1,5 = 12,9 м

2.3.14 Определим диаметры штуцеров колонны по формуле:

d F УСЛ = 2 00 мм

d Ф УСЛ = 2 00 мм

= 3,811 5) = 0,45 м

d G УСЛ = 45 0 мм

d W УСЛ = 2 00 мм

На основе рассчитанных данных, выбираем ректификационную колонну с колпачковыми тарелками согласно:

Диаметр, мм

Число тарелок, шт.3 3

Характеристика колпачковой тарелки по ОСТ 26-808-73 :

Тип тарелки ТСК-Р

Свободное сечение, м 2

Длина линии барботажа, м

Периметр слива, м

Площадь слива, м 2

Площадь паровых патрубков, м 2

Относительная площадь для прохода паров, %

Число колпачков

Диаметр колпачка, мм

Высота колпачка, мм

Масса колпачка, кг

2.4 РАСЧЕТ И ПОДБОР ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Исходные данные:

Расчёт куба испарителя колонны разделения смеси дихлорэтан - трихлорэтан

производительностью по дистилляту , кг /ч 8600

Количество подводимого тепла, Вт 6931078,05

Температура горячего теплоносителя, о С 110

Начальная температура холодного теплоносителя, о С 20

Конечная температура холодного теплоносителя, о С 8 4

t б = 90 о С t м = 26 о С

2.4.1 Рассчитываем средний температурный напор:

т.к , то рассчитываем средний температурный напор согласно/1; с.67/ по следующей формуле:

2.4.2 Определим поверхность теплообмена согласно /1; с.64 /по формуле :

где k - коэффициент теплопередачи, Вт/м 2 К

k ор = 120…300 Вт/м 2 К

На основе рассчитанных данных подбираем куб испаритель согласно по ГОСТ 14-248-79:

Диаметр кожуха, мм 6 00

Диаметр труб, мм 25 х 2

Число ходов 6

Длина труб, м 2

Поверхность теплообмена, м 2 31

Площадь сечения одного хода по трубам, м 2 0,0 11

Общее число труб, шт. 196

Список используемой литературы

1. Иоффе И.Л., Проектирование процессов и аппаратов химической технологии . М.: Химия, 1991 , 352 с.

2. Баранов Д.А., Кутепов А.М. Процессы и аппараты. М.: Издательский центр «Академия» , 2004, 304 с.

3. Ошин Л.А., Промышленные хлорорганические продукты. Справочник. М .: Химия. 1978 .

4., Правила пожарной безопасности при эксплуатации предприятий химической промышленности, М.: МинХимПром, 1981

5 . Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З., процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1968.

6. Савинский Э. С., Химизация народного хозяйства и пропорции развития химической промышленности, М., 1972

7. Дытнерский Ю.А., Процессы и аппараты химической технологии. 2-е изд., перераб. и дополн.- М.: Химия, 1991.

Подобные документы

Расчет ректификационной колонны непрерывного действия для разделения бинарной смеси ацетон-вода. Материальный баланс колонны. Скорость пара и диаметр колонны. Гидравлический расчет тарелок, определение их числа и высоты колонны. Тепловой расчет установки.

курсовая работа , добавлен 02.05.2011


Технологическая схема ректификационной установки для разделения смеси вода – уксусная кислота. Физико-химические характеристики продукта. Определение скорости пара и диаметра колонны. Технологический расчет аппарата. Физические свойства уксусной кислоты.

курсовая работа , добавлен 17.02.2015


Понятие и технологическая схема процесса ректификации, назначение ректификационных колонн. Расчет ректификационной колонны непрерывного действия для разделения смеси бензол-толуол с определением основных геометрических размеров колонного аппарата.

курсовая работа , добавлен 17.01.2011


Рабочее флегмовое число, материальный баланс дихлорэтан-толуола. Расчет массовых расходов. Скорость пара, диаметр колонны. Кинетическая линия, коэффициент масоотдачи, высота сепарационного пространства. Выбор диаметров трубопроводов, расчет емкостей.

курсовая работа , добавлен 05.05.2014


Процесс ректификации. Технологическая схема ректификационной установки для разделения смеси диоксан–толуол. Расчет параметров дополнительных аппаратов для тарельчатой колонны. Выбор конструкционных материалов, расчет теплового и материального баланса.

курсовая работа , добавлен 30.11.2010


Конструкции ректификационных колонн, предназначенных для разделения жидких смесей различной температуры кипения. Выбор конструкционных материалов и расчет на прочность узлов и деталей ректификационной колонны. Демонтаж, монтаж и ремонт оборудования.

курсовая работа , добавлен 01.04.2011


Технологическая схема тарельчатой ситчатой ректификационной колонны. Свойства рабочих сред. Материальный баланс, определение рабочего флегмового числа. Расчет гидравлического сопротивления насадки. Тепловой расчет установки, холодильника дистиллята.

курсовая работа , добавлен 25.09.2014


Проект ректификационной установки непрерывного действия для разделения бинарной смеси "вода - уксусная кислота". Технологическая схема и ее описание. Подбор конструкционного материала. Подробный расчет ректификационной колонны и холодильника дистиллята.

ФГАОУ ВПО

Уральский федеральный университет им. Первого Президента России Б.Н. Ельцина

Кафедра «Процессы и аппараты химической технологии»

Пояснительная записка

Расчет ректификационной установки для разделения бинарной смеси этиловый спирт-вода

Аннотация

Крашенинникова Е.В. Расчет ректификационной установки для разделения бинарной смеси этиловый спирт-вода. – Озёрск: ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» , 2010. – 50 с., 14 ил. Библиография – 10 назв.

В данной курсовой работе проведен расчет ректификационной колонны непрерывного действия с ситчатыми тарелками для разделения смеси этиловый спирт-вода производительностью 5000 кг/час по исходной смеси. Выполнен материальный и тепловой балансы, проведен гидравлический расчет, определены основные размеры аппарата и подобраны нормализованные конструктивные элементы. Подобраны испаритель и дефлегматор. Предложены способы повышения эффективности работы колонн с ситчатыми тарелками.

Задание на курсовую работу

1. Тип аппарата: выбрать;

2. Разделяемая смесь: этиловый спирт – вода;

3. Производительность по сырью: 5 т/ч;

4. Концентрация НКК в:

· Дистилляте – 75% (мол.);

· Сырье – 10%(мол.);

· Остатке – 1%(мол.);

5. Давление греющего пара: 3 ат;

6. Температура:

· Поступающего сырья – 10ºС;

· Воды, идущей на дефлегматор – 10ºС;

7. Давление в колонне: 1 ат.

Введение

3 Материальный расчет колонны

4 Расчет диаметра колонны

4.1 Плотности компонентов

4.2 Скорость пара в колонне

4.3 Диаметр колонны

5 Расчет числа тарелок

5.1 Средний КПД тарелки

5.2 Высота колонны

7 Тепловой расчет колонны

7.1 Расход теплоты отдаваемой воде в дефлегматоре

7.3 Расход греющего пара

8 Конструктивный расчет

Заключение

Список литературы

Приложения

Введение

Ректификация – разделение жидких однородных смесей на составляющие вещества или группы составляющих веществ в результате взаимодействия паровой смеси и жидкой смеси. Это массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаев в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными используемыми в процессе абсорбции.

Возможность разделения жидкой смеси на составляющие её компоненты ректификацией обусловлена тем, что состав пара, образующегося над жидкой смесью, отличается от состава жидкой смеси в условиях равновесного состояния пара и жидкости.

Сущность процесса ректификации рассмотрена на примере разделения двухкомпонентной смеси по заданию на курсовую работу, где требуется рассчитать ректификационную установку для разделения смеси «этиловый спирт-вода».

Ректификационная установка даёт наиболее полное разделение смесей жидкостей, целиком или частично растворимых друг в друге. Процесс заключается в многократном взаимодействии паров с жидкостью – флегмой, полученной при частичной конденсации паров.В ректификационном аппарате снизу вверх движутся пары, а сверху подается жидкость, представляющая собой почти чистый НКК. При соприкосновении поднимающихся паров со стекающей жидкостью происходит частичная конденсация паров и частичное испарение жидкости. При этом из паров конденсируется преимущественно ВКК, а из жидкости испаряется преимущественно НКК. Таким образом, стекающая жидкость обогащается ВКК, а поднимающиеся пары обогащаются НКК, в результате чего выходящие из аппарата пары представляют собой почти чистый НКК. Эти пары поступают в конденсатор, называемый дефлегматором, и конденсируются. Часть конденсата, возвращаемая на орошение аппарата, называется флегмой, другая часть отводится в качестве дистиллята.

Как и во всех массобменных процессах эффективность ректификации зависит от поверхности контакта фаз. Для увеличения поверхности массобмена используют различные контактные устройства насадочного или барботажного типа. Наиболее распространенными ректификационными установками являются барботажные колонны с различными типами тарелок: колпачковыми, ситчатыми, провальными и т.п. Наиболее универсальны колонны с колпачковыми тарелками, но при разделении незагрязненных жидкостей в установках с постоянной нагрузкой, хорошо зарекомендовали себя аппараты с ситчатыми тарелками, отличающимися простотой конструкции и легкостью в обслуживании.

1 Теоретические основы процесса ректификации и описание технологической схемы

1.1 Теоретические основы процесса ректификации

Во многих химических производствах необходимо производить выделение чистых веществ из смесей жидкостей. Одним из наиболее распространенных методов разделения смесей является ректификация. Этот метод основан на различии в температурах кипения, а, следовательно, и в летучести компонентов смеси. Если летучесть компонентов различна, то состав пара над жидкостью отличается от состава жидкой смеси бóльшим содержанием низкокипящего (легколетучего) компонента – НКК. Вследствие этого при противоточном контакте жидкой смеси с парами, который осуществляется при ректификации в результате массообмена, пары будут обогащаться НКК, а жидкость – высококипящим (труднолетучим) компонентом – ВКК.

В конечном итоге пары будут представлять собой более или менее чистый НКК, а жидкость – ВКК.

Процесс ректификации осуществляется преимущественно в тарельчатых или насадочных колонных аппаратах периодическим или непрерывным способом. На ректификацию поступает исходная жидкая смесь, содержание в которой НК составляет хf. В процессе ректификации смесь разделяется на две части: часть, обогащенную НКК – дистиллат и часть, обогащенную ВКК – кубовый остаток. Обозначим в долях НКК состав дистиллата – хр, а кубового остатка – хw .Исходная смесь подается в ту часть колонны, где жидкость имеет состав хf . Стекая вниз по колонне, она взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике. Пар имеет начальный состав, примерно равный составу кубового остатка хw, т.е. является обедненным НКК. В результате массообмена происходит переход НКК из жидкости в пар, а ВКК – из пара в жидкость.

В точке ввода исходной смеси пар может иметь в пределе состав, равновесный с исходной смесью. Для более полного обогащения пара НКК верхнюю часть колоны орошают жидкостью состава хр, которая получается в дефлегматоре путем конденсации пара, выходящего из колонны. Эта часть конденсата называется флегмой. Другая часть конденсата пара выводится из дефлегматора в виде продукта разделения – дистиллата. Жидкость, отводимая из нижней части колонны, называется кубовым остатком. Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный процесс разделения подаваемой в колонну исходной бинарной смеси на дистиллат с высоким содержанием НКК и кубовый остаток, обогащенный ВКК. Если обозначить количество поступающей на ректификацию исходной смеси Gf, количество получаемого дистиллата Gp и количество кубового остатка Gw, то материальный баланс выразится равенством:

Gf = Gp + Gw (1)

Если заданы количество и состав исходной смеси и составы продуктов разделения, то для определения количеств дистиллата и кубового остатка уравнение дополняют уравнением материального баланса для НКК:

Gf хf= Gp хp + Gw хw (2)

Степень разделения – чистота получаемых при ректификации продуктов – определяется физико-химическими свойствами разделяемых веществ, размерами и конструкцией аппарата, условиями проведения процесса (гидродинамикой, давлением и пр.).

На рис 1 в координатах состав пара (у) – состав жидкости (х) графически представлена типичная зависимость между равновесными (линия 1) и рабочими (линия 2 и 3) составами фаз для бинарной смеси. Уравнения линий рабочих концентраций для верхней и нижней частей колонны имеют различный вид:

· для верхней части

yв = R / (R + 1) x + xp / (R + 1); (3)

· для нижней части

yн = (R + f) / (R + 1) x – (f – 1) × × xw / (R + 1), (4)

где f= Gf / Gp – удельное количество поступающей исходной смеси;

R = GR / Gp – флегмовое число, представляющее собой отношение количества флегмы, подаваемой на орошение колонны к количеству дистиллата.

В уравнениях рабочих линий составы взаимодействующих фаз выражаются только в мольных долях НКК.

Рис 1 – Х-Y-диаграмма. Зависимость между равновесными и рабочими составами фаз для смеси этиловый спирт-вода

При расчетах процессов ректификации принимаются следующие допущения, мало искажающие фактические условия протекания процесса, но значительно упрощающие расчет:

1 Разделяемая смесь следует правилу Трутона, согласно которому отношение мольной теплоты испарения или конденсации к абсолютной температуре кипения для всех жидкостей является приближенно величиной постоянной.

Для смеси, состоящей из двух компонентов:

rсм / Tсм = r1 / T1 = r2 / T2 - const. (5)

Отсюда следует, что при конденсации 1 кмоль ВК в колонне испаряется 1 кмоль НК, т.е. мольное количество паров, поднимающихся по колонне постоянно.

2 Принимается, что Yp = xp , a Yw = xw , т.е. пренебрегается укрепляющим действием дефлегматора в процессе конденсации в нем паров и пренебрегается исчерпывающим действием кипятильника.

3 Теплоты смешения компонентов разделяемой смеси равны нулю.

Кроме того, в расчетах исходят из того, что смесь, подлежащая разделению, поступает в колонну нагретой до температуры кипения на питающей тарелке. В этом случае точка пересечения рабочих линий низа и верха колонны лежит на ординате x = хf .

Следует отметить, что питание колонны исходной смесью может осуществляться в виде пара и в виде жидкости с температурой ниже

температуры кипения смеси. Из анализа уравнений рабочих линий низа и верха колонны с учетом сделанных допущений следует, что рабочая линия верхней части колонны пересекает диагональ в точке А (при этом x = хр), а нижней – в точке В (x = хw). Между собой эти линии пересекаются в точке С, где x = хf.

По высоте точка С располагается между равновесной линией и диагональю и зависит от R, при Rmin точка С находится на равновесной линии, при Rmax – на диагонали.

По фазовой диаграмме (рис 1) графическим построением может быть найдено число теоретических ступеней изменения концентраций или число "теоретических тарелок". За "теоретическую тарелку" принимается такая условная тарелка, на которой (рис 1) пар состава у1, взаимодействуя с жидкостью состава х1, изменяет концентрацию до равновесной Y1*.

В этом случае число "теоретических тарелок" определяется построением ступеней между рабочими и равновесными линиями в пределах от хw до хр.

На реальных тарелках в колонне не достигается равновесного состояния между паром и жидкостью. Поэтому для аналогичного изменения концентрации требуется большее число действительных тарелок.

Отношение числа "теоретических тарелок" nт к числу действительных тарелок nд в колонне называют средним коэффициентом полезного действия тарелок (КПД колонны): ηср = nт / nд.

Величина КПД как мера интенсивности работы тарелок зависит от гидродинамических условий на тарелке, физических свойств пара и жидкости, кривизны равновесной линии. В связи с тем, что все эти факторы могут изменяться с изменением концентрации, КПД каждой тарелки η будет отличаться от среднего для всех тарелок ηср. Величина ηср определяется опытным путем.

Проведение процесса ректификации требует затраты тепловой энергии. Тепло, необходимое для испарения кубовой жидкости, подводится в кипятильник. Обычно подвод тепла осуществляется насыщенным водяным паром, а для колонн малого диаметра можно использовать электронагрев.

Теоретический расход тепла на проведение процесса определяется из уравнения теплового баланса:

Qк = Gp (R + 1) rp + Gp cp tp + Gw cw tw – Gf cf tf , (6)

где rp – удельная теплота конденсации паров в дефлегматоре;

сf, cp, cw – соответственно, теплоемкости исходной смеси, дистиллата и кубового остатка;

tf, tp, tw – температуры кипения исходной смеси, дистиллата и кубовой жидкости, соoтвeтcтвeннo.

Теплоемкости и скрытая теплота конденсации смесей рассчитывается по правилу аддитивности. Фактический расход тепла несколько больше рассчитанного по уравнению теплового баланса за счет потерь тепла в окружающую среду.

1.2 Принцип работы ректификационного аппарата

Обычно ректификационный аппарат состоит из двух частей: верхней и нижней, каждая из которых представляет собой организованную поверхность контакта фаз между паром и жидкостью.

В нижней части исходная смесь взаимодействует с паром, начальный состав которого равен составу кубового остатка. Вследствие этого из смеси извлекается НКК.

В верхней ступени пар начального состава соответствующий составу исходной смеси, взаимодействует с жидкостью, начальный состав которой равен составу дистиллята. Вследствие этого пар обогащается НКК до требуемого предела, а ВКК извлекается из паровой фазы.

Пар для питания ректификационной колонны получается многократным испарением жидкости, имеющей тот же состав, что и кубовый остаток, а жидкость – многократной конденсацией пара, имеющего состав, одинаковый с составом дистиллята.

Полученный в конденсаторе дистиллят делится на две части. Одна часть направляется обратно в колонну – флегма, другая является отбираемым продуктом – дистиллят. Отношение количества возвращенного в колонну дистиллята (флегмы) к количеству дистиллята, отобранного в виде продукта – называется флегмовым числом R.

В ректификационном аппарате снизу вверх движутся пары, а сверху подается жидкость, представляющая собой почти чистый НКК. При соприкосновении поднимающихся паров со стекающей жидкостью происходит частичная конденсация паров и частичное испарение жидкости. При этом из паров конденсируется преимущественно ВКК, а из жидкости испаряется преимущественно НКК. Таким образом, стекающая жидкость обогащается ВКК, а поднимающиеся пары обогащаются НКК, в результате чего выходящие из аппарата пары представляют собой почти чистый НКК. Эти пары поступают в конденсатор, называемый дефлегматором, и конденсируются. Часть конденсата, возвращаемая на орошение аппарата, называется флегмой, другая часть отводится в качестве дистиллята.

Как и для всех массобменных процессов эффективность ректификации зависит от поверхности контакта фаз. Для увеличения поверхности массобмена используют различные контактные устройства насадочного или барботажного типа.

1.3 Описание технологической схемы ректификационнй установки

Рассмотрим технологическую схему ректификационной установки (рис 2).

Исходная смесь из расходной емкости РЕ центробежным насосом подается в подогреватель П, где нагревается до температуры кипения и поступает на питающую тарелку ректификационной колонны РК. Стекая по тарелкам жидкость, попадает в куб, из которого поступает в кипятильник К. 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 Д и конденсируются. Дистиллят поступает в разделитель Р, 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 Х1, охлаждается и попадает в приемную емкость ПЕ2. По мере работы часть жидкости из куба отводится в холодильник Х2 и поступает в приемную емкость ПЕ1 в качестве кубового остатка.

Рис 2 – Технологическая схема ректификационной установки

2 Классификация и выбор ректификационных установок и вспомогательного оборудования

2.1 Классификация ректификационных установок по конструкции внутреннего устройства аппарата

В промышленности применяют колпачковые, ситчатые, насадочные, пленочные трубчатые колонны и центробежные пленочные ректификаторы. Они различаются в основном конструкцией внутреннего устройства аппарата, назначение которого - обеспечение взаимодействия жидкости и пара. Это взаимодействие происходит при барботировании пара через слой жидкости на тарелках (колпачковых или ситчатых), либо при поверхностном контакте пара и жидкости на насадке или поверхности жидкости, стекающей тонкой пленкой.

Тарельчатые колпачковые колонны наиболее часто применяют в ректификационных установках. Пары с предыдущей тарелки попадают в паровые патрубки колпачков и барботируют через слой жидкости, в которую частично погружены колпачки. Колпачки имеют отверстия или зубчатые прорези, расчленяющие пар на мелкие струйки для увеличения поверхности соприкосновения его с жидкостью. Переливные трубки служат для подвода и отвода жидкости и регулирования ее уровня на тарелке. Основной областью массообмена и теплообмена между парами и жидкостью, как показали исследования, является слой пены и брызг над тарелкой, создающийся в результате барботажа пара. Высота этого слоя зависит от размеров колпачков, глубины их погружения, скорости пара, толщины слоя жидкости на тарелке, физических свойств жидкости и др. Следует отметить, что, кроме колпачковых тарелок, применяют также клапанные, желобчатые, S-образные, чешуйчатые, провальные и другие конструкции тарелок. В расчетах необходимо учитывать особенности конструкций тарелок.

Клапанные тарелки показали высокую эффективность при значительных интервалах нагрузок благодаря возможности саморегулирования. В зависимости от нагрузки клапан перемещается вертикально, изменяя площадь живого

сечения для прохода пара, причем максимальное сечение определяется высотой устройства, ограничивающего подъем. Площадь живого сечения отверстий для пара составляет 10-15% площади сечения колонны. Скорость пара достигает 1,2 м/с. Клапаны изготовляют в виде пластин круглого или прямоугольного сечения с верхним или нижним ограничителем подъема.

Тарелки, собранные из S-образных элементов, обеспечивают движение пара и жидкости в одном направлении, способствуя выравниванию концентрации жидкости на тарелке.

Чешуйчатые тарелки подают пар в направлении потока жидкости. Они работают наиболее эффективно при струйном режиме, возникающем при скорости пара в чешуях свыше 12 м/с. Площадь живого сечения составляет 10% площади сечения колонны. Чешуи бывают арочными и лепестковыми; их располагают на тарелке в шахматном порядке. Простота конструкции, эффективность и большая производительность - преимущества этих тарелок.

Пластинчатые тарелки собраны из отдельных пластин, расположенных под углом 4-9° к горизонтам. В зазорах между пластинами проходит пар со скоростью 20 - 50 м/с. Над пластинами установлены отбойные щитки, уменьшающие брызгоунос. Эти тарелки отличаются большой производительностью, малым сопротивлением и простотой конструкции.

К провальным относят тарелки решетчатые, колосниковые, трубчатые, ситчатые (плоские или волнистые без сливных устройств). Площадь живого сечения тарелок изменяется в пределах 15-30%. Жидкость и пар проходят попеременно через каждое отверстие в зависимости от соотношения их напоров. Тарелки имеют малое сопротивление, высокий КПД, работают при значительных нагрузках и отличаются простотой конструкции.

Насадочные колонны получили широкое распространение в промышленности. Они представляют собой цилиндрические аппараты, заполненные инертными материалами в виде кусков определенного размера или насадочными телами, имеющими форму, например, колец, шаров для увеличения поверхности фазового контакта и интенсификации перемешивания жидкой и паровой фаз. Массо- и теплообмен в колоннах с насадкой характеризуются не только явлениями молекулярной диффузии, определяющимися физическими свойствами фаз, но и гидродинамическими условиями работы колонны, которые определяют турбулентность потоков: ламинарный, промежуточный и турбулентный, при которых поток пара является сплошным, непрерывным и заполняет свободный объем насадки, не занятый жидкостью, в то время как жидкость стекает лишь по поверхности насадки. Дальнейшее развитие турбулентного движения может привести к преодолению сил поверхностного натяжения и нарушению граничной поверхности между потоками жидкости и пара. При этом газовые вихри проникают в поток жидкости, происходит эмульгирование жидкости паром, и массообмен между фазами резко возрастает. В случае эмульгирования жидкость распределяется не по насадке, а заполняет весь ее свободный объем, не занятый паром; жидкость образует сплошную фазу, а газ - дисперсную фазу, распределенную в жидкости, т.е. происходит инверсия фаз. Насадочную колонну следует рассчитывать, исходя из оптимальной скорости. При превышении оптимальной скорости начинается обращенное движение жидкости снизу вверх, происходит так называемое “захлебывание” колонны и нарушение режима ее работы.

Трубчатые пленочные ректификационные колонны состоят из пучка вертикальных труб, по внутренней поверхности которых тонкой пленкой стекает жидкость, взаимодействуя с поднимающимся по трубам паром. Пар поступает из куба в трубки. Флегма образуется в дефлегматоре непосредственно на внутренней поверхности трубок, охлаждаемых водой в верхней их части. Диаметр применяемых трубок-5-20 мм. Эффект работы пленочного аппарата возрастает с уменьшением диаметра трубок. Трубчатые колонны характеризуются простотой изготовления, высокими коэффициентами массопередачи и весьма малыми гидравлическими сопротивлениями движению пара. Многотрубные (и длиннотрубные) колонны с искусственным орошением имеют значительно меньшие габаритные размеры и массу, чем тарельчатые.

Ситчатые колонны применяют главным образом при ректификации спирта и жидкого воздуха. Допустимые нагрузки по жидкости и пару для них относительно невелики, и регулирование режима их работы затруднительно. Массо- и теплообмен между паром и жидкостью в основном происходят на некотором расстоянии от дна тарелки в слое пены и брызг. Давление и скорость пара, проходящего через отверстия сетки, должны быть достаточны для преодоления давления слоя жидкости на тарелке и создания сопротивления ее отеканию через отверстия. Ситчатые тарелки необходимо устанавливать строго горизонтально для обеспечения прохождения пара через все отверстия тарелки, а также во избежание стекания жидкости через них. Обычно диаметр отверстий ситчатой тарелки принимают в пределах 0,8-3,0 мм.

2.2 Классификация ректификационных установок по периодичности действия

Все ректификационные установки, независимо от типа и конструкции колонн, классифицируют на установки периодического и непрерывного действия.

В ректификационных установках периодического действия начальную смесь заливают в перегонный куб, где поддерживается непрерывное кипение с образованием паров. Пар поступает на укрепление в колонну, орошаемую частью дистиллята. Другая часть дистиллята из дефлегматора или концевого холодильника, охлажденная до определенной температуры, через контрольный фонарь поступает в сборник готового продукта. В колоннах периодического действия ректификацию проводят до тех пор, пока жидкость в кубе не достигает заданного состава. Затем обогрев куба прекращают, остаток сливают в сборник, а в куб вновь загружают на перегонку начальную смесь. Установки периодической ректификации успешно применяют для разделения небольших количеств смесей. Большим недостатком ректификационных установок периодического действия является ухудшение качества готового продукта (дистиллята) по мере протекания процесса, а также потери тепла при периодической разгрузке и загрузке куба. Эти недостатки устраняются при непрерывной ректификации.

Колоннынепрерывного действия состоят из нижней (исчерпывающей) части, в которой происходит удаление легколетучего компонента из стекающей вниз жидкости, и верхней (укрепляющей) части, назначение которой – обогащение поднимающихся паров легколетучего компонента. Схема установки непрерывной ректификации отличается от периодической тем, что питание колонны начальной смесью определенного состава происходит непрерывно с постоянной скоростью; готовый продукт постоянного качества также непрерывно отводится.

2.3 Классификация ректификационных установок по способу организации движения потоков контактирующих фаз

По способу организации относительного движения потоков контактирующих фаз ректификационные колонны делятся на противоточные, прямоточные, перекрестноточные и перекрестнопрямоточные. А по регулируемости сечения контактирующих фаз – на тарелки с нерегулируемым и регулируемым сечениями.

Противоточные тарелки характеризуются высокой производительностью по жидкости, простотой конструкции и малой металлоемкостью. Основной их недостаток – низкая эффективность и узкий диапазон устойчивой работы, неравномерное распределение потоков по сечению колонны, что существенно ограничивает их применение.

Прямоточные тарелки отличаются повышенной производительностью, но умеренной эффективностью разделения, повышенным гидравлическим сопротивлением и трудоемкостью изготовления, они предпочтительны для применения в процессах разделения под давлением.

К перекрестноточным типам тарелок относятся:

1) тарелки с нерегулируемым сечением контактирующих фаз следующих конструкций: ситчатые, ситчатые с отбойниками, колпачковые с круглыми, прямоугольными, шестигранными, S-образными, желобчатыми колпачками;

2) тарелки с регулируемым сечением следующих конструкций: клапанные с капсульными, дисковыми, пластинчатыми, дисковыми эжекционными клапанами; клапанные с балластом; комбинированные колпачково-клапанные (например, S-образные и ситчатые с клапаном) и др.

Перекрестноточные тарелки характеризуются в целом (за исключением ситчатых) наибольшей разделительной способностью, поскольку время пребывания жидкости на них наибольшее по сравнению с другими типами

тарелок. К недостаткам колпачковых тарелок следует отнести низкую удельную производительность, относительно высокое гидравлическое сопротивление, большую металлоемкость, сложность и высокую стоимость изготовления.

2.4 Выбор ректификационной установки

В ректификационных колоннах применяются сотни различных конструкций контактных устройств, существенно различающихся по своим характеристикам и технико-экономическим показателям. При этом в эксплуатации находятся наряду с самыми современными конструкциями контактные устройства таких типов (например, желобчатые тарелки и др.), которые, хотя и обеспечивают получение целевых продуктов, но не могут быть рекомендованы для современных и перспективных производств.

Наиболее распространенными ректификационными установками являются барботажные колонны с различными типами тарелок: колпачковыми, ситчатыми, провальными и т.п. Хорошо зарекомендовали себя аппараты с ситчатыми тарелками, отличающимися простотой конструкции и легкостью в обслуживании.

При выборе типа контактных устройств обычно руководствуются следующими основными показателями:

а) производительностью;

б) гидравлическим сопротивлением;

в) коэффициентом полезного действия;

г) диапазоном рабочих нагрузок;

д) возможностью работы на средах, склонных к образованию смолистых или других отложений;

е) материалоемкостью;

Ситчатые тарелки с отбойниками имеют относительно низкое гидравлическое сопротивление, повышенную производительность, но более узкий рабочий диапазон по сравнению с колпачковыми тарелками. Применяются преимущественно в вакуумных колоннах.

Лучшими показателями по гидравлическому сопротивлению обладают тарелки ситчатые и S-образные с клапанами, а по КПД - клапанная балластная и S-образная с клапаном.

Следует отметить, что универсальных конструкций тарелок, эффективно работающих «всегда и везде», не существует. При выборе конкретного типа тарелок из множества вариантов следует отдать предпочтение той конструкции, основные (не обязательно все) показатели эффективности которой в наибольшей степени удовлетворяют предъявляемым требованиям. Предпочтительно применение контактных устройств, имеющих как можно меньшее гидравлическое сопротивление.

2.5 Колонны с ситчатыми тарелками для разделения смеси «этиловый спирт-вода»

Колонны с ситчатыми тарелками (Приложение А) гораздо проще по устройству и дешевле, чем, например, колонны с колпачковыми тарелками. Колонны с ситчатыми тарелками (рис 3) состоят из вертикального цилиндрического корпуса 1 с горизонтальными тарелками 2, в которых равномерно по всей поверхности просверлено значительное число мелких отверстий. Для слива жидкости и регулирования её уровня на тарелке есть переливные трубки 3. нижние концы трубок погружены в стаканы 4, находящиеся на лежащих ниже тарелках, и образуют гидравлические затворы.

Рис 3 - Схема устройства ситчатой колонны

1 – корпус; 2 – ситчатая тарелка; 3 – переливная трубка; 4- стакан

Газ (пар) проходит в отверстия тарелки (рис 4) и распределяется в жидкости в виде мелких струек; лишь на некотором расстоянии от дна тарелки образуется слой пены и брызг – основная область массообмена и теплообмена на тарелке.

Рис 4 - Схема работы ситчатой тарелки

В определенном диапазоне нагрузок ситчатые тарелки обладают довольно большой эффективностью. Для того, чтобы КПД тарелки не уменьшалось резко, давление и скорость газа (пара), проходящего через отверстия тарелки, должны быть достаточными для того, чтобы преодолеть давление слоя жидкости на тарелке и предотвратить тем самым стекание жидкости через отверстия.

Кроме того, протекание жидкости через отверстия увеличивается с увеличением диаметра тарелки и при отклонении от строго горизонтального положения. Поэтому диаметр и число отверстий следует подбирать такими, чтобы жидкость удерживалась на тарелках и не увлекалась механически паром. Обычно принимают диаметр отверстий ситчатых тарелок 0,8-3 мм.

Очистка, промывка и ремонт ситчатых тарелок проводятся относительно удобно и легко.

Но есть и минусы. Ситчатые колонны эффективно работают только при определенных скоростях ректификации, и регулирование режима их работы. При значительных нагрузках потеря напора довольно большая. Кроме того, как указывалось ранее, тарелки должны быть расположены строго горизонтально, т.к. иначе газ (пар) будет проходить через часть отверстий, не соприкасаясь с жидкостью. А в случае внезапного прекращения поступления газа (пара) или значительно снижения его давления тарелки ситчатой колонны полностью опоражниваются от жидкости, и для достижения заданного режима процесса требуется вновь пустить колонну.

Чувствительность к колебаниям нагрузки, а также загрязнениям и осадкам, которые быстро забивают отверстия тарелки, ограничивают область использования ситчатых колонн. Но для ректификации спирта и жидкого воздуха (кислородные установки), главным образом применяют именно их.

Для повышения эффективности ситчатых тарелок увеличивают длительность контакта между жидкостью и газом (паром), например, принудительным круговым движением жидкости на тарелке при одинаковом направлении её движения на всех тарелках колонны.

2.6 Выбор вспомогательного оборудования

Размеры и конструкции перегонного куба, дефлегматора и концевого холодильника зависят от производительности установки, физических свойств перегоняемой смеси и режима процесса (периодический или непрерывный).

Дефлегматор обычно представляет собой кожухотрубчатый теплообменник. В ряде случаев в дефлегматоре происходит конденсация всех паров, вышедших из колонны. В концевом холодильнике дистиллят охлаждается до заданной температуры.

Иногда в дефлегматоре конденсируется лишь часть паров для получения флегмы, а полная конденсация и охлаждение происходят в холодильнике.

Ректификационные установки снабжают также приборами для регулирования и контроля режима работы и нередко аппаратами для утилизации тепла.

2.7 Выбор конструкционного материала

Этанол и вода не являются коррозионно-активными веществами, рабочая температура в колонне не выше 100°С, поэтому в качестве конструкционного материала для основных деталей аппарата выбираем сталь Ст 3 ГОСТ 380 – 94: которая используется для изготовления деталей химической аппаратуры при работе с неагрессивными средами при температурах от 10 до 200 °С.

3 Материальный расчет колонны

3.1 Производительность колонны по дистилляту и кубовому остатку

Таблица 1 – Температуры кипения и молекулярные массы разделяемых компонентов

Молекулярные массы исходной смеси, дистиллята и кубового остатка:

MF = 0,10×46,10 + 0,746×18,00 = 49,00 кг/кмоль

Аналогично для MР и MW:

MР = 0,75×46,1 + 0,099×18,00 = 56,80 кг/кмоль

MW = 0,01×46,1 + 0,968×18,0 = 46,40 кг/кмоль

Уравнение материального баланса

где F, , – массовые концентрации НКК,

F = 5000,00 кг/ч – расход исходной смеси,

Р – расход дистиллята,

W – расход кубового остатка,

Прежде, чем находить расход дистиллята и кубовой жидкости, переведем мольные доли компонентов смеси в массовые:

xР= 0,75 = 0,82

xW= 0,01 = 0,025

W = F( – )/( – ) (10)

W = 5000,00×(0,82 – 0,22)/(0,82 – 0,025) = 3773,58 кг/ч

Р = F – W = 5000,00 – 3773,58 = 1226,42 кг/ч

3.2 Расчет оптимального флегмового числа и определение числа теоретических тарелок

Строим диаграмму равновесия между паром и жидкостью в системе этиловый спирт-вода (рис 5), используя данные по равновесию (таблица 2).

Таблица 2 – Равновесные данные системы этиловый спирт-вода

Находим значение *= 0,44

Тогда минимальное флегмовое число:

Rmin = (xp – yF*)/(yF* - xF) (11)

Rmin = (0,75 – 0,44)/(0,44 – 0,1) = 0,91

Рабочее число флегмы:

R = 1,3·Rmin+0.3 (12)

R=1,3·0,91+0.3=1,48

Уравнения рабочих линий:

· верхняя часть

y = x + xp / (R+1) (13)

у = 0,597x + 0,302

хF=0,1 уF*= 0,597·0,1+0,302=0,362

Отложим по оси ординат 0,362 и нанесем рабочую линию АВ для верхней части колонны. Через точки А и С проводим рабочую линию АС для нижней части колонны.

· нижняя часть

y = [(R+f)/(R+1)]x – [(f – 1)/(R + 1)]xW (14)

f = 5000,00/1226,42 = 4,08

y = 2,24x – 0,012

Рис 5 – Х-Y-диаграмма. Зависимость между равновесными и рабочими составами фаз для смеси этиловый спирт-вода

Выполнив на диаграмме (рис 5) построение ломанной линии (начиная от т.В), находим необходимое число ступеней изменения концентрации: в верхней части оно составляет ~ 6, в нижней ~ 3; всего – 9.

3.3 Массовый поток пара в верхней и нижней частях колонны

Средние концентрации паров и их температуры (по t-x, y диаграмме):

yF = 0,362; yp = 0,738; yW = 0,011 (рис 5)

уср.в = 0,5(yF + yp) (16)

уср.в = 0,5×(0,362 + 0,738) = 0,55 tср.в = 79,0° С

уср.н = 0,5(yF + yW) (17)

уср.н = 0,5×(0,362 + 0,011) = 0,19 tср.н = 82,5° С

Средние молярные массы паров:

Мср.в = 0,55×46,10 + 0,45×18,00 = 33,46 кг/кмоль

Аналогично для Мср.н:

Мср.н = 0,19×46,10 + 0,77×18,00 = 23,34 кг/кмоль

Расход пара:

Gв = Р(R + 1)Мср.в /Мр (19)

Gв = 1226,42×(1,48+1)×33,46/39,10 = 2604,13 кг/ч

Gн = Р(R + 1)Мср.н /Мр (20)

Gн = 1226,42×(1,48+1)×23,34/39,10 = 1816,51 кг/ч

3.4 Массовые расходы жидкости в верхней и нижней части колонны

Средние концентрации жидкости:

хср.в = (хF + xр) / 2 (21)

хср.в = (0,1 + 0,75)/2 = 0,425

хср.н. = (хF + xW) / 2 (22)

хср.н = (0,1 + 0,01)/2 = 0,055

Средние молярные массы жидкости:

Мср.в = 0,425×46,1 + 0,575×18,0 = 29,943 кг/кмоль

Мср.н = 0,055×46,1 + 0,945×18,0 = 19,546 кг/кмоль

Расход жидкости:

Lв = PRMcр.в / Мр (25)

Lв = 1226,42×1,48×29,943/39,08 = 1390,73 кг/ч

Lн = PRMcр.н/Мр+FMcр.н /МF (26)

Lн = 1226,42×1,48×19,546/39,08 +5000,00×19,546/20,81 = 5604,13 кг/ч

4 Расчет диаметра колонны

4.1 Плотности компонентов

По диаграмме t - x, y* (рис 6), находим температуры исходной смеси, дистиллята и кубового остатка: tF = 86,80°C; tp = 77,50°C: tW = 96,0°C

Рис 6 – t-x,y диаграмма системы этиловый спирт – вода

Таблица 3 - Плотности компонентов при различных температурах, кг/м3

Плотность жидкости:

(27)

1/(0,22/732+0,78/968) = 903,34 кг/м3

(28)

1/(0,82/739+0,18/975) = 772,20 кг/м3

(29)

1/(0,025/727+0,975/962) = 954,20 кг/м3

Средняя плотность жидкости в верхней и нижней части:

rвж = 0,5(rжF + rжр) (30)

rвж = 0,5×(903,34 + 772,20) = 837,77 кг/м3

rнж = 0,5(rжF + rжW) (31)

rнж = 0,5×(903,34 + 954,20) = 928,77 кг/м3

Плотность паров на питающей тарелке:

28,136×273/ = 0,964 кг/м3

МпF = 0,362×46,1 + 0,638×18,0 = 28,136 кг/моль

Плотность паров в верхней части:

(33)

rпв = 29,94×273/ = 1,037 кг/м3

Плотность паров в нижней части:

rпн = 28,68×273/ = 0,983 кг/м3

4.2 Скорость пара в колонне

Скорость пара в верхней части колонны:

где С = 0,059 (при расстоянии между тарелками 400 мм) – коэффициент, зависящий от конструкции тарелок, расстояния между тарелками, рабочего давления в колонне, нагрузке колонны по жидкости (рис 7).

wпв = 0,059×[(837,70 – 1,037)/1,037]1/2 = 1,68 м/с

Рис 7 – Значение коэффициента С

А, Б – для колпачковых тарелок с круглыми колпачками; В – для ситчатых тарелок

Скорость пара в нижней части колонны:

wпн = 0,059×[(928,77 – 0,983)/0,983]1/2 = 1,81 м/с

4.3 Диаметр колонны

· в верхней части:

DB= 1/2 = 0,73 м

Gв= 2604,13/3600 = 0,723 кг/с

· в нижней части:

DH= 1/2 = 0,61 м

Gн= 1816,5/3600 = 0,505 кг/с

После определения диаметра колонны по уравнениям (37)-(38) уточним его в соответствии с имеющимися нормалями. Принимаем диаметр колонны 600 мм, тогда действительная скорость пара составит:

· в верхней части

wпв = 1,68×(0,73/0,6)2 = 1,044 м/с;

· в нижней части

wпн = 1,81×(0,61/0,6)2 = 1,84 м/с.

4.4 Характеристика тарелки (рис 8,9)

Принимаем тарелки типа ТС (ОСТ 26-01-108-85):

Исполнение I – неразборное;

Диаметр тарелки – 580,00 мм (рис 9);

Высота тарелки – 40мм;

Свободное сечение колонны – 0,28 м2;

Рабочее сечение тарелки – 0,165 м2;

Свободное сечение тарелки – 0,51 м2;

Относительное свободное сечение тарелки (при dотверстий=5 мм) – 7,23%;

Шаг между отверстиями принимаем 13 мм;

Периметр слива – 0,570 м;

Сечение перелива – 0,012 м2;

Относительная площадь перелива – 4,1%;

Масса – 16,0 кг;

Расстояние между тарелками – 300 мм;

Высота сливного порога – 30 мм;

Высота царги – 900 мм;

Число тарелок в царге – 3.

Рис 8 – Устройство ситчатых тарелок

Рис 9 – Основание тарелки по ОСТ 26-01-108-85

5 Расчет числа тарелок

5.1 Средний КПД тарелки

Вязкость жидкости на питающей тарелке:

lnm = х×lnmA + (1 – x)×lnmB (39)

где mА = 0,44 мПа×с – вязкость этанола;

mВ = 0,31 мПа×с – вязкость воды;

lnmж = 0,22×ln0,44 + (1 – 0,22)×ln0,31.

Откуда m = 0,33 мПа×с.

Коэффициент относительной летучести:

a = рА/рВ (40)

a=1120/525 = 2,13

где рА = 1120 мм рт.ст. – давление насыщенного пара этанола;

рВ = 525 мм рт.ст. – давление насыщенного пара воды.

Произведение am = 2,13×0,33 = 0,704

По диаграмме для приближенного определения КПД тарелки (рис 10) находим значение h=0,56.

Рис 10 – Диаграмма для приближенного определения КПД тарелки

Тогда число тарелок:

· в верхней части колонны

nв = nвТ/h (41)

nв = 6/0,51 = 12;

· в нижней части колонны

nн = nнТ/h (42)

nн = 3/0,51 = 6.

5.2 Высота колонны

Принимаем расстояние между тарелками Нт = 300 мм, тогда высота нижней и верхней части составит:

Нн = (Nн – 1)Нт (43)

Нн = (6 – 1)×0,3 = 1,5 м;

Нв = (Nв – 1)Нт (44)

Нв = (Nв – 1)Нт = (12 – 1)×0,3 = 3,3 м.

Толщина тарелки – 0,04 м;

Высота сепарационного пространства – 0,7 м;

Высота кубового пространства – 2,3 м;

Высота опоры – 1,2 м;

Общая высота колонны:

Н = 1,2 + 2,3 + 0,7 + 18·0,04+ 3,3 + 1,5 =9,6 м

6 Гидравлический расчет колонны

6.1 Гидравлическое сопротивление сухой тарелки

DРс = xwп2 rп / (2j2) (45)

где j = 0,10 – относительное свободное сечение тарелки;

x = 1,5 – коэффициент сопротивления тарелки (Приложение Е).

· нижняя часть:

DРсн = 1,5×1,682×1,037 / (2×0,1002) = 219,51 Па

· верхняя часть:

DРсв = 1,5×1,812×0,983 / (2×0,1002) = 241,53 Па

6.2 Гидравлическое сопротивление обусловленное силами поверхностного натяжения

s = 0,5(sА + sВ) (46),

где sА = 0,017 Н/м - поверхностное натяжение этанола;

sВ = 0,059 Н/м – поверхностное натяжение воды.

s = 0,5×(0,017 + 0,059) = 0,038 Н/м

DРб = 4s/dэ (47)

где dэ = 0,005 м – диаметр отверстий.

DРб =4×0,038/0,005 = 30,4 Па

6.3 Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя

DРсл = grжh0 (48)

где h0 –высота светлого слоя жидкости на тарелке.

h0 = 0,787q0,2hп0,56wТm(sж/sи)0,09 (49)

где q = L/rП – удельный расход жидкости;

П = 0,57 м – периметр сливного устройства;

hП = 0,03 м – высота сливного порога;

wт = wпSк/Sт – скорость пара отнесенная к рабочей площади тарелки;

sв = 0,059 Н/м – поверхностное натяжение воды

m – показатель степени m = 0,05 – 4,6hп = 0,05 – 4,6×0,03 = – 0,088

· нижняя часть:

hон = 0,787×0,2×0,030,56×(1,81×0,502/0,41) – 0,088´

´×(0,038/0,059)0,09 = 0,022 м

· верхняя часть:

hов = 0,787×0,2×0,030,56×(1,68×0,502/0,41) – 0,088´

´×(0,038/0,059)0,09 = 0,017 м

DРн.сл = 928,77×9,8×0,022 = 198,49 Па

DРв.сл = 837,77×9,8×0,017 = 139,57 Па

6.4 Полное сопротивление тарелки

DР = DРс + DРб· + DРсл(50)

DРн =219,51 + 30,40 + 198,49 = 448,40 Па

DРв = 241,53 + 30,40 + 139,57 = 411,5 Па

6.5 Суммарное гидравлическое сопротивление рабочей части колонны

DРк = 448,40×6 + 411,5×12 =7629,6 Па

7 Тепловой расчет колонны

7.1 Расход теплоты отдаваемой воде в дефлегматоре

Qд = Р(1 + R)rр (51)

Qд = 0,34×(1+1,8) 1173,24 = 1116,92 кВт

где rр – теплота конденсации флегмы

rр = rA + (1 – )rв (52)

rр = 0,82×882 + (1 – 0,82)×2500 = 1173,24 кДж/кг

где rA = 882 кДж/кг – теплота конденсации этанола, кДж/кг

rв = 2500 кДж/кг–теплота конденсации воды, кДж/кг

В качестве охлаждаемого агента принимаем воду с начальной температурой 20°С, и конечной 30°С, тогда средняя разность температур составит:

Dtб = 77 – 20 = 57° С

Dtм = 77 – 30 = 47° С

Dtcр = (Dtб + Dtм) / 2 (53)

Dtcр = (57 + 47) / 2 = 52,0° С

Ориентировочное значение коэффициента теплопередачи:

К = 400 Вт/(м2×К), тогда требуемая поверхность теплообмена

F = Qд / (KDtср) (54)

F= 1116,92×103/(400×52,0) = 54 м2

Принимаем стандартный кожухотрубчатый конденсатор с диаметром кожуха 600 мм и длиной труб 4 м, для которого поверхность теплообмена равна 63 м2 (Приложение Д).

Расход охлаждающей воды

Gв = Qд / [св(tвк – tвн)] (55)

Gв = 1116,92/ = 0,27 кг/с

7.2 Расход теплоты в кубе испарителе

Qк = 1,03(Qд + Рсрtр + Wcwtw – FcFtF) (56)

гдеср – теплоемкость дистиллята, кДж/(кг×К);сw– теплоемкость кубового остатка, кДж/(кг×К); сF– теплоемкость исходной смеси, кДж/(кг×К); 1,03 – коэффициент, учитывающий потери в окружающую среду.

сp = xp сА + (1 – xp) сВ; (57)

сА – теплоемкость этилового спирта, кДж/(кг °C) (Приложение Г);

сВ – теплоемкость воды, кДж/(кг °C) (Приложение Г).

сp=0,82·0,71·4,19+0,18·4,19= 3,19 кДж/(кг×К).

Аналогично находим сF =3,27 кДж/(кг×К) и сw=4,16 кДж/(кг×К).

Qк=1,03(1116,92+ 0,34×3,19×77 + 1,05×4,16×99,1 – 1,39×3,27×68) = 1362,52 кВт

7.3 Расход греющего пара

Принимаем пар с давлением 0,3 МПа, для которого теплота конденсации

r = 2171 кДж/кг, тогда

Gп = 1362,52 / 2171 = 0,63 кг/c

Средняя разность температур в кубе испарителе

Dtср = tп – tw (59)

Dtср = 167 – 99 = 68°C

Ориентировочное значение коэффициента теплопередачи

К = 300 Вт/(м2×К), тогда требуемая поверхность теплообмена.

F = Q / (KDtср) (60)

F= 1362,52×103/(300×68) = 66 м2

Принимаем стандартный кожухотрубчатый теплообменник с диаметром кожуха 600 мм и длиной труб 4 м, для которого поверхность теплообмена равна 75 м2 (Приложение Д).

8 Конструктивный расчет

Корпус колонны диаметром до 1000 мм изготовляют из отдельных царг (Приложение Б), соединяемых между собой с помощью фланцев.

· Толщина обечайки:

S > pD/(2[s]j – p) + c (61)

где [s] = 138 МПа – допускаемое напряжение для стали ;

j = 0,8 – коэффициент ослабления сварного шва;

с = 0,001 мм – поправка на коррозию .

S > 0,1×0,8/(2×138×0,8 – 0,1) + 0,001 = 0,003 м

Принимаем толщину обечайки s=8мм

Наибольшее распространение в химическом машиностроении получили эллиптические отбортованные днища по ГОСТ 6533 – 78.

· Толщину стенки днища (рис 11) принимаем равной толщине стенки обечайки sд = s = 8 мм.

Рис 11 – Днище колонны

Характеристика днища:

h = 40 мм – высота борта днища;

Масса днища mд = 16,9 кг.

Объем днища Vд = 0,086 м3.

Соединение обечайки с днищами осуществляется с помощью плоских приварных фланцев по ОСТ 26–428–79 (рис 12).

Рис 12 – Фланец

Подсоединение трубопроводов к аппарату осуществляется с помощью штуцеров.

· Диаметр штуцеров

(62)

где wшт – скорость среды в штуцере.

Принимаем скорость жидкости wшт=1 м/с, газовой смеси wшт=25 м/с

Штуцер для входа исходной смеси

d1,2 = (1,39/0,785×1·903,34)0,5 = 0,044 м

принимаем d1 = d2 = 50 мм

Штуцер для входа флегмы

d3 = (1,8×0,34/0,785×1×772,20)0,5 = 0,033 м

принимаем d3 = 40 мм

Штуцер для выхода кубового остатка

d3 = (1,05/0,785×1×954,2)0,5 = 0,037 м

принимаем d4 = 40 мм

Штуцер для выхода паров

d3 = (0,72/0,785×25×1,037)0,5 = 0,188 м

принимаем d5 = 200 мм

Штуцер для входа паров

d6 = (0,5/0,785×25×0,983)0,5 = 0,17 м

принимаем d4 = 200 мм

Все штуцера должны быть снабжены плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12820-80. Конструкция фланца приводится на рисунке 13, а размеры в таблице 4.

Рис 13 – Фланец штуцера

Таблица 4 – Размеры приварного фланца штуцера

· Расчет опоры

Аппараты вертикального типа с соотношением Н/D > 5, размещаемые на открытых площадках, оснащают так называемыми юбочными цилиндрическими опорами, конструкция которых приводится на рисунке 14.

Рис 14 – Опора юбочная

· Ориентировочная масса аппарата.

Масса обечайки

mоб = 0,785(Dн2-Dвн2)Нобρ (63)

где Dн = 0,616 м – наружный диаметр колонны;

Dвн = 0,6 м – внутренний диаметр колонны;

Ноб = 9,6 м – высота цилиндрической части колонны

ρ = 7900 кг/м3 – плотность стали

mоб = 0,785(0,6162-0,62)9,6·7900 = 952,55 кг

· Масса тарелок

mт = 18·16,0 = 288,0 кг

m = 16,0 кг – масса одной тарелки

· Общая масса колонны

Принимаем, что масса вспомогательных устройств (штуцеров, измерительных приборов, люков и т.д.) составляет 10% от основной массы колонны, тогда

mк = mоб + mт + 2mд (65)

mк = 1,1(952,55 + 288,0 +2·16,9) = 1401,79 кг≈1402 кг

Масса колонны заполненной водой при гидроиспытании

Масса воды при гидроиспытании:

mв = 1000(0,785D2Hц.об + 2Vд) (66)

mв = 1000(0,785·0,62·9,6 + 2·0,086) = 2884,96 кг≈2885 кг

ректификационный колонна ситчатый этанол вода

Максимальный вес колонны

mmax = mк + mв (67)

mmax= 1402 + 2885 = 4280 кг = 0,042 МН

Принимаем внутренний диаметр опорного кольца D1 = 0,55 м, наружный диаметр опорного кольца D2 = 0,8 м.

· Площадь опорного кольца

А = 0,785(D22 – D12) (68)

А = 0,785(0,82 – 0,552) = 0,27 м2

s= 0,042/0,27 = 0,16 МПа < [s] = 15 МПа – для бетонного фундамента.

Выводы

На основе материального расчета рассчитаны материальные потоки в колонне и определен диаметр ректификационной колонны – 600 мм. Найдено оптимальное флегмовое число R = 1,8. Рассчитано действительное число тарелок: 6 в верхней и 12 в нижней части колонны. На основе теплового расчета выбран дефлегматор (диаметр кожуха 600 мм, длина труб 4 м, поверхность теплообмена 75 м2) и испаритель (диаметр кожуха 600 мм, длина труб 4 м, поверхность теплообмена 63 м2) определен расход охлаждающей воды и греющего пара. Проведен конструктивный расчет и подобраны нормализованные конструктивные элементы.

Заключение

В данной курсовой работе рассмотрены основы процесса ректификации, классификация ректификационных колонн по конструкции внутреннего устройства, по периодичности действия и по способу организации движения потоков контактирующих фаз. Кроме того, представлены основные требования по выбору того или иного типа колонны. Согласно заданию на курсовую работу, в котором указаны компоненты бинарной смеси: этанол-вода, выбрана колонна с ситчатыми тарелками, и проведен её расчет по исходным данным, указанным в задании. Выполнен материальный и тепловой балансы, определены основные размеры аппарата и подобраны нормализованные конструктивные элементы.

Для расчетов была выбрана колонна с ситчатыми тарелками, так как они наилучшим образом подходят для проведения разделения незагрязненных жидкостей с постоянной нагрузкой.

Для повышения эффективности работы колонн с ситчатыми тарелками можно порекомендовать:

· соотношение между диаметром отверстий и шагом принять равным 3,6;

· толщину тарелок по возможности уменьшить;

· высота сливного порога при средних и больших скоростях пара в свободном сечении колонны (0.7-1,0 м/с) должна быть не менее 40-50 мм (до75); при малых скоростях пара высота сливного порога не оказывает влияния на эффективность работы тарелки;

· расстояние между тарелками более 150-200 мм не оказывает существенного влияния на эффективность массообмена при условии отсутствия пены; на участках колонны, где образуется большое количество пены, расстояние между тарелками следует увеличивать;

· в колоннах большого диаметра нужно устанавливать тарелки с наклоном в сторону слива, равным 1:45;

· свободное сечение тарелок брать в пределах 7-15%.

Список литературы

1 Краткий справочник физико-химических величин. М., «Химия», 1967 г.

2 Основные процессы и аппараты химической технологии, пособие по проектированию под ред. Ю.И. Дытнерского. М., «Химия» 1991 г.

3 Расчет и проектирование массообменных аппаратов. Учебное пособие. В.Я. Лебедев и др. – Иваново, 1994 г.

4 А.А. Лащинский, А.Р. Толчинский. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. М, 1968 г.

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

6 П.Г. Романков, В.Ф. Фролов, О.М. Флисюк, М.И. Курочкина. Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии (примеры и задачи). Л., Химия, 1993 г.

7 Г.Я. Рудов, Д.А. Баранов. Расчет тарельчато ректификационной колонны, методические указания. М., МГУИЭ, 1998 г.

8 Каталог «Емскостная стальная сварная аппаратура». М., «ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ», 1969 г.

9 Каталог «Кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего и специального назначения». М., «ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ», 1991 г.

10 ГОСТ 12820-80 «Фланцы стальные плоские приварные на Ру от 0,1 до 2,5 Па (от 1 до25 кгс/см2). Конструкция и размеры».

11 ГОСТ 28759.4-90 «Фланцы сосудов и аппаратов стальные приварные встык под прокладку восьмиугольного сечения. Конструкция и размеры».

12 ОСТ 26-01-108-85 «Тарелки ситчато-клапанные колонных аппаратов. Параметры, конструкция и размеры».

Приложение А

Ситчатая тарелка диаметром 400-600 мм исполнения I

Приложение Б

Схема установки неразборных тарелок в царге

1 – кронштейн;

2 – кольцо упорное;

3 – болт М10х35 по ГОСТ 7798-70;

4 – гайка по ГОСТ5916-70.

Приложение В

Ориентировочные значения коэффициента теплопередачи К

Приложение Г

Номограмма для определения теплоёмкости жидкостей

Пересчет в СИ:1 ккал/(кг·ºС) = 4,19·102 Дж/(кг·К)

Приложение Д

Параметры кожухотрубчатых теплообменников и холодильников (по ГОСТ 15118-79, ГОСТ 15120-79 и ГОСТ 15122-79)

Приложение Е

Значение коэффициентов сопротивления сухих тарелок различных конструкций