Ректификация известна с начала XIX века как один из важнейших технологических процессов главным образом спиртовой и нефтяной промышленности. В настоящее время ректификацию все шире применяют в самых различных областях химической технологии, где выделение компонентов в чистом виде имеет весьма важное значение (в производствах органического синтеза, изотопов, полимеров, полупроводников и различных других веществ высокой чистоты).
Ректификационные установки по принципу действия делятся на периодические и непрерывные. В установках непрерывного действия разделяемая сырая смесь поступает в колонну и продукты разделения выводятся из нее непрерывно. В установках периодического действия разделяемую смесь загружают в куб одновременно и ректификацию проводят до получения продуктов заданного конечного состава.
При разработке ректификационной колонны с колпачковыми тарелками необходимо, как правило, решать задачи:
- рассчитать материальный баланс колонны и определить рабочее флегмовое число; химический конструктивный технологический
- анализа тепловых процессов, осуществляющихся в греющем паре куба колонны;
- конструирование ректификационной колонны с колпачковыми тарелками.
Насадочные колонны приобретают все более широкое распространение в последние годы. Используемые в них насадки также весьма разнообразны по конструкции и применяемому материалу. Насадочные контактные устройства имеют высокую эффективность, хорошие массовые характеристики, однако, как правило, с ростом диаметра колонны их эффективность резко падает, а некоторые типы насадок, например, спирально- призматические, теряют работоспособность уже при диаметре колонны 100 мм. Кроме того, они, как правило, дороже тарельчатых.
В качестве контактных элементов в больших ректификационных колоннах обычно используются тарелки. Каждая такая тарелка, расположенная в колонне, называется физической тарелкой. Назначение такой тарелки, как и любого другого контактного устройства, — обеспечить наиболее тесное соприкосновение жидкой и паровой фаз для максимального достижения состояния равновесия между ними.
Тарелки работают следующим образом. Пар в виде пузырьков с развитой поверхностью проходит через слой флегмы, находящейся на тарелке. В результате такого «пробулькивания», тепломассообмен между жидкой и паровой фазами интенсифицируется.
Конструкции тарелок разнообразны, часть из них стандартизирована. Выбор типа тарелки определяется видом смеси, производительностью колонны, требованиями по степени ректификации, качеству разделяемых компонентов (фракций) и т. п. Тарельчатые колонны используются, как правило, в крупнотоннажных производствах.
Колонны и элементы стержневых конструкций
... производстве железобетона и строительных конструкций составляет (%): завышение номинального диаметра арматурной стали— 62,4; плюсовые допуски проката— 12,0; немерные длины свариваемых марок стали — 25,6. Колонны ... при действии различных газов ... колонны воздвигались исключительно по эмпирическим правилам, заимствованным из окружающего мира. Научный подход к изучению проблемы работы сжатых конструкций ...
На сегодняшний день реакционно-ректификационные процессы приобретают все большую актуальность в силу того, что они имеют ряд технологических и экономических преимуществ перед стандартными схемами разделения. Таким образом, проектирование, исследование и внедрение данных процессов в производство является актуальной задачей для нашей экономики. С целью создания более экономичной технологии, а также технологии безотходных производств очень часто выгодно проводить несколько процессов в одном аппарате.
Целью данной работы является определение основных характеристик процесса и размеров тарельчатой ректификационной колонны периодического действия для разделения бинарной смеси метиловый спирт-вода.
В данном курсовом проекте были поставлены задачи: рассмотреть основные процессы ректификации, классификацию ректификационных колонн по конструкции и внутреннему устройству, по периодичности действия, физико-химические свойства веществ, физико-химические основы процесса, рассмотреть охрану труда и окружающей среды. Кроме того необходимо было рассчитать материальный и тепловой баланс аппарата, конструктивный и механический расчёт, выбрать вспомогательное оборудование.
1. Литературный обзор
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kursovoy/rektifikatsionnaya-kolonna-metilovyiy-spirt-voda/
Ректификация — массообменный процесс разделения однородной смеси летучих компонентов, осуществляемый путем противоточного многократного взаимодействия паров, образующихся при перегонке, с жидкостью, образующейся при конденсации этих паров.
Разделение жидкой смеси основано на различной летучести веществ. При ректификации исходная смесь делится на две части: дистиллят — смесь, обогащенную низкокипящим компонентом (НК), и кубовый остаток — смесь, обогащенную высококипящим компонентом (ВК).
Процесс ректификации осуществляется в ректификационной установке основным аппаратом, которой является ректификационная колонна, в которой пары перегоняемой жидкости поднимаются снизу, а навстречу парам стекает жидкость, подаваемая в виде флегмы в верхнюю часть аппарата.
Ректификационная колонна — аппарат, предназначенный для разделения жидких смесей, составляющие которых, имеют различную температуру кипения. Классическая колонна представляет собой вертикальный цилиндр с контактными устройствами внутри.
Преимущественное использование тарельчатых колонн в процессах перегонки объясняется их значительно большей производительностью по сравнению с насадочными.
При выборе ректификационной колонны для проектируемого разделения следует иметь ввиду, что тарельчатые колонны очень малого диаметра значительно дороже соответствующих насадочных колонн, однако по мере увеличения диаметра стоимость насадочных колонн возрастает значительно быстрее. Приблизительно можно считать, что стоимость насадочной колонны растет пропорционально квадрату диаметра, а колпачковой — диаметру в первой степени. Следовательно, за пределами некоторого граничного значения диаметра использование тарельчатых колонн должно быть более экономичным.
Объемные и скоростные счетчики количества и расхода жидкости, газа и пара
... отсутствует у объемных счетчиков, поэтому ими измеряют количество чистых промышленных жидкостей, нефтепродуктов и сжиженных газов, т. е. жидкостей с широким диапазоном ... прямого участка составляет 8--10 диаметров трубопроводов перед счетчиком и 2--3 диаметра за ним. Тангенциальные счетчики с обозначением СВК (одноструйные) ... Вращение турбинки через червячную пару 1 и передаточный механизм 6, помещенный ...
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 эффективность колонны резко снижается.
Ректификационные установки по принципу действия делятся на периодические и непрерывные. В установках непрерывного действия разделяемая сырая смесь поступает в колонну и продукты разделения выводятся из нее непрерывно. В установках периодического действия разделяемую смесь загружают в куб одновременно и ректификацию проводят до получения продуктов заданного конечного состава.
Наиболее распространены колпачковые тарельчатые колонны, хотя в последнее время получили преимущество ситчатые, клапанные, чешуйчатые и другие более эффективные виды барботажных устройств, главным назначением которых является максимальное развитие межфазного контакта, что способствует интенсификации массообмена между парами и флегмой. Помимо этого выбор типа контактного устройства определяется и такими факторами, как экономия материала, стоимость, легкость изготовления, чистки и ремонта, стойкость к коррозии, малое падение напора при прохождении паров, широта диапазона устойчивой работы тарелки.
Ректификационные колонны отличаются, в основном, конструкцией внутреннего устройства для распределения жидкой и паровой фаз. Взаимодействие жидкости и пара осуществляется в колоннах путём барботирования пара через слой жидкости на тарелках или же путём поверхностного контакта пара и жидкости на насадке или на поверхности жидкости, стекающей тонкой плёнкой.
В ректификационных установках применяют три основных типа колонн:
1) колпачковые,
2) ситчатые,
3) насадочные,
4) барботажные.
Разработаны также конструкции аппаратов для ректификации, в которых интенсификация процесса разделения достигается под действием центробежной силы (центробежные ректификаторы).
Колпачковые колонны. Эти колонны наиболее распространены в ректификационных установках. Такая колонна небольшого диаметра, состоит из тарелок, на каждой из которых имеется один колпачок круглого сечения и патрубок для прохода пара. Края колпачка погружены в жидкость. Благодаря этому на тарелке создается гидравлический затвор, и пар, выходящий из колпачка, должен проходить через слой жидкости, находящийся на тарелке. Колпачки имеют отверстия или зубчатые прорези для раздробления пара на мелкие пузырьки, т.е. для увеличения поверхности его соприкосновения с жидкостью.
Приток и отвод жидкости, а также высоту жидкости на тарелке регулируют при помощи переливных трубок, которые расположены на диаметрально противоположных концах тарелки; поэтому жидкость течет на соседних тарелках во взаимно противоположных направлениях.
Интенсивность образования пены и брызг зависит от скорости пара и глубины погружения колпачка в жидкость. Сечение и форма прорезей колпачка имеют второстепенное значение, но желательны узкие прорези, так как они разбивают газ на более мелкие струйки, увеличивая поверхность соприкосновения с жидкостью.
Работа колпачка в оптимальных условиях при предельной скорости и наибольшего к.п.д. высота открытия прорези колпачка наибольшая, что способствует увеличению пути паров и времени их контакта с жидкостью.
Виды колпачковых тарелок: колпачковая тарелка с радиальным переливом жидкости, колпачковая тарелка с диаметральным переливом жидкости, колпачковая тарелка с туннельными колпачками.
Ситчатые колонны. Колонны этого типа состоят из вертикального цилиндрического корпуса с горизонтальными тарелками, в которых просверливается значительное число мелких отверстий, равномерно распределенных по всей поверхности тарелки. Для слива жидкости и регулирования ее уровня на тарелке служат переливные трубки. Нижние концы трубок погружены в стаканы на лежащих ниже тарелках и образуют гидравлические затворы.
Пар проходит через отверстия тарелки 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.
В определенном диапазоне нагрузок ситчатые тарелки обладают большим к.п.д., чем колпачковые. Однако допустимые нагрузки по жидкости и пару для ситчатых колонн относительно невелики. При слишком малой скорости пара (около 0,1 м/сек) происходит просачивание жидкости через отверстия тарелки и в связи с этим резкое падение к.п.д. тарелки.
Давление и скорость пара, проходящего через отверстия сетки, должны быть достаточными для преодоления давления слоя жидкости на тарелке и должны препятствовать ее стекания через отверстия.
Ситчатые колонны эффективно работают только при определенных скоростях ректификации, и регулирование режима их работы затруднительно. Кроме того, ситчатые тарелки требуют весьма тщательной горизонтальной установки, так как иначе пары будут проходить через часть поверхности сетки, не соприкасаясь с жидкостью.
Ситчатые тарелки уступают колпачковым по допустимому верхнему пределу нагрузки; при значительных нагрузках потеря напора в них больше, чем у колпачковых.
При внезапном прекращении подвода пара или значительном снижении его давления тарелки сетчатой колонны полностью опоражниваются от жидкости, и требуется заново запускать колонну для достижения заданного режима ректификации.
Очистка, промывка и ремонт ситчатых тарелок производятся относительно удобно и легко.
Для повышения к.п.д., в сетчатых тарелках (как и в колпачковых) создают более длительный контакт между жидкостью и паром. Существует сетчатая колонна с принудительным круговым движением жидкости на тарелках — одна из современных конструкций сетчатых тарелок, в которых длительный контакт достигается принудительным круговым движением жидкости на тарелке при одинаковом направлении ее движения на всех тарелках колонны.
Насадочные колонны. В таких колоннах обычно применяется кольцевая насадка. Наиболее распространены кольца размером 25Ч25Ч3 мм. В укрепляющей колонне количество жидкости меньше количества поднимающихся паров на количество отводимого дистиллята, в исчерпывающей же колонне количество 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. Насадочные ректификационные колонны применяются главным образом небольшого диаметра (примерно до 1 м), а также при ректификации в вакууме и для разделения химически агрессивных веществ.
По конструктивным признакам применяемые в промышленности нерегулярные насадки можно разделить на следующие основные типы: кольцевые без внутренних перегородок (типа колец Рашига); кольцевые с внутренними перегородками (типа колец Палля); седлообразные (типа седел Берля, инталокс, IMTP), сферические, прочие.
Кольцевые насадки могут быть изготовлены как со сплошными стенками (кольца Рашига), так и с перфорированными (кольца Перфоринг).
Существуют кольцевые насадки, изготовленные из металлической сетки (кольца Диксона, Борада).
Общий недостаток всех кольцевых насадок — их низкая способность к перераспределению жидкой фазы.
Седлообразные насадки также могут быть изготовлены либо со сплошными (седла Берля, инталокс), либо с перфорированными стенками (седла суперсетл, IMTP).
Наличие перфорации облегчает доступ пара внутрь насадки, увеличивает ее пропускную способность, но повышает стоимость изготовления. Преимущество седлообразных насадок — их способность к сравнительно эффективному перераспределению жидкой фазы.
Кольца Рашига используют в колоннах, работающих под вакуумом, и в тех случаях, когда к качеству продуктов разделения не предъявляется высоких требований. Насадка отличается низкой стоимостью, но она относительно малоэффективна.
Применяемые в промышленности кольца Рашига имеют, как правило, отношение высоты к диаметру, равное единице.
Внутренние перегородки и перфорация стенок у кольцевых насадочных тел позволяют обеспечить дополнительную турбулизацию потоков, что повышает кратность обновления поверхности контакта фаз и, следовательно, эффективность массообмена.
Барботажные колонны. Применяются с колпачковыми, ситчатыми и провальными тарелка-ми. Значительное сопротивление барботажных колонн при ректификации обычно не существенно (кроме процесса ректификации в вакууме), так как вызывает лишь некоторое повышение давления и, следовательно, температуры 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. Чаще всего применяются колонны с колпачковыми тарелками. Колонны с ситчатыми и провальными тарелками применяются при разделении незагрязненных жидкостей в установках, работающих с постоянной нагрузкой.
В данной ректификационной установки будем использовать тарельчатую ректификационную колонну с ситчатыми тарелками, так как наше производство крупнотоннажное.
2. Основные физико-химические свойства, обращающихся в процессе, веществ
Метиловый спирт — бесцветная, легкоподвижная жидкость с запахом, аналогичным запаху этилового спирта.
Физико-химические свойства метилового спирта:
1. Температура плавления t пл= — 93,9 °С;
2. молекулярная масса=32кг/моль;
3. температура кипения t кип= 64,509°С;
4. плотность =791,80 г/см3;
5. температура критическая t крит=240,1 °С;
6. давление критическое p крит=7,977 Мпа;
7. удельная теплота парообразования =1100,8 кДж/кг;
8. теплопроводность =202,3·10-3 Вт/(м·К) (жидкость);
9. теплопроводность =150,7·10-4 Вт/(м·К) (газ);
10. температура вспышки tвсп=15,6°С (в открытой чашке);
11. температура самовоспламенения t самовоспл =464 °С;
12. удельная теплота парообразования =1100,8 кДж/кг;
13. удельная теплоемкость =2470 Дж/(кг•К).
Таблица 2.1 — Свойства водных растворов метилового спирта в зависимости от его концентрации
|
Концентрация метилового спирта, % по массе |
t замерзания, °С |
плотность, г/см3, 420 |
|
|
10 |
— 6,5 |
0,982 |
|
|
20 |
— 15,0 |
0,968 |
|
|
30 |
— 26,0 |
0,954 |
|
|
40 |
— 39,7 |
0,937 |
|
|
50 |
— 55,4 |
0,919 |
|
|
60 |
— 75,7 |
0,898 |
|
Метиловый спирт — сильный, преимущественно, нервный и сосудистый яд с резко выраженным кумулятивным действием. Отравление наступает при приеме внутрь (смертельная доза для человека 30 г, а 5-10 г могут вызвать тяжелое отравление), вдыхании паров и проникновении через кожу. ПДК 5 мг/м3.
Вода — оксид водорода — одно из наиболее распространенных и важных веществ. Поверхность Земли, занятая водой, в 2,5 раза больше поверхности суши. Чистой воды в природе нет — она всегда содержит примеси. Получают чистую воду методом перегонки. Перегнанная вода называется дистиллированной. Состав воды (по массе): 11,19 % водорода и 88,81 % кислорода.
Чистая вода прозрачна, не имеет запаха и вкусаОна плохо проводит теплоту и очень плохо проводит электричество. Вода — хороший растворитель. Молекула воды имеет угловую форму атомы водорода по отношению к кислороду образуют угол, равный 104,5°. Поэтому молекула воды — диполь: та часть молекулы, где находится водород, заряжена положительно, а часть, где находится кислород, — отрицательно. Благодаря полярности молекул воды электролиты в ней диссоциируют на ионы.
Физико-химические свойства воды:
1. Плотность при 0°С =1 г/см3;
2. молекулярная масса=18 кг/моль;
3. удельная теплота парообразования =2347,5 кДж/кг;
4. температура замерзания tзамерз=0°С;
5. температура кипения tкип=100°С;
6. удельная теплота парообразования = 2347,5 кДж/кг;
7. удельная теплоемкость =4190 Дж/(кг•К).
Таблица 2.2 — Равновесные составы жидкости (x) и пара (y) в мольных %, температуры кипения (t) в °С двойных смесей при 760 мм. рт.ст.
|
Смесь |
x |
0 |
5 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
90 |
100 |
|
|
Вода |
y |
0 |
33,2 |
44,2 |
53,1 |
57,6 |
61,4 |
65,4 |
69,9 |
75,3 |
81,8 |
99,8 |
100 |
|
|
Метиловый спирт |
t |
100 |
90,5 |
86,5 |
83,2 |
81,7 |
80,8 |
80 |
79,4 |
79 |
78,6 |
78,4 |
78,4 |
|
3. Физико-химические основы процесса
Ректификация (от позднелат. rectificatio — выпрямление, исправление), разделение жидких смесей на практически чистые компоненты, отличающиеся т-рами кипения, путем многократных испарения жидкости и конденсации паров. В этом осн. отличие ректификации от дистилляции, при к-рой в результате однократного цикла частичное испарение -конденсация достигается лишь предварительное (грубое) разделение жидких смесей.
Для ректификации обычно используют колонные аппараты (см., напр., Насадочные аппараты, Тарельчатые аппараты), наз. ректификационными колоннами, в которых осуществляется многократный контакт между потоками паровой и жидкой фаз. Движущая сила ректификации-разность между фактическими (рабочими) и равновесными концентрациями компонентов в паровой фазе, отвечающими данному составу жидкой фазы. Парожидкостная система стремится к достижению равновесного состояния, в результате чего пар при контакте с жидкостью обогащается легколетучими (низко-кипящими) компонентами (ЛЛК), а жидкость — труднолетучими (высококипящими) компонентами (ТЛК).
Поскольку жидкость ипар движутся, как правило, противотоком (пар-вверх, жидкость — вниз), при достаточно большой, высоте колонны в ее верх. части можно получить практически чистый целевой компонент.
В зависимости от т-р кипения разделяемых жидкостей ректификацию проводят под разл. давлением: атмосферным (т. кип. 30-150 °С), выше атмосферного (при разделении жидкостей с низкими т-рами кипения, напр. сжиженных газов), в вакууме (при разделении высококипящих жидкостейдля снижения их т-р кипения).
Ректификацию можно осуществлять непрерывно или периодически. Для непрерывной ректификации применяют колонны, состоящие из двух ступеней: верхней-укрепляющей (в ней пар укрепляется, т.е. обогащается ЛЛК) и нижней — исчерпывающей (где происходит исчерпывание жидкой смеси, т. е. извлечение ЛЛК и обогащение ее ТЛК).
При периодической ректификации в колонне производится только укрепление пара. Различают ректификацию бинарных (двухкомпонентных) и многокомпонентных смесей.
Ректификация бинарных смесей Процесс осуществляют при дискретном (ступенчатом) контакте фаз в тарельчатых колоннах или непрерывном контакте фаз в насадочных колоннах.
Оптимальное флегмовое число R находится из графической зависимости, для построения которой следует принять ряд значений коэффициента избытка флегмы р, вычислить соответствующие им флегмовые числа, найти уравнения рабочих линий верхней части колонны и графически определить число теоретических тарелок для каждого случая. Затем по полученным данным строится кривая зависимости.
Таким образом, оптимальное флегмовое число является функцией числа тарелок, стоимостных показателей и эффективности ступени контакта.
Оптимальное рабочее флегмовое число предложено находить по минимальному значению, пологая что это произведение пропорционально объему ректификационной колонны.
Задавшись различными коэффициентами избытка флегмы, определим соответствующие флегмовые числа.
Для неидеальных смесей диаграммы могут быть построены только на основании опытных данных.
Для неидеальных смесей диаграммы можно построить путем расчета, исходя из значений давлений паров чистых компонентов при различных температурах.
Таким образом, выбрав ряд температур, можно вычислить состав жидкости, кипящей при данной температуре.
Построение кривой равновесия пара и жидкости на диаграмме x — y показано на рисунке 6.2. на осях откладывается максимальная концентрация низкокипящего компонента в паровой и жидкой фазах строиться квадрат. Через полученную точку и начало координат 0 проводим вспомогательную линию и диагональ. Кривую равновесия строим в заданном масштабе при различных температурах. На пересечение перпендикуляров, восстановленных из точек из таблицы 2.2. Соединяя эти точки плавной линией, получаем кривую равновесия. Если линия равновесия лежит выше диагонали, то пары обогащены низкокипящим компонентом. Чем ближе линия равновесия к диагонали, тем меньше разница составов пара и жидкости и тем труднее разделять смесь при ректификации.
График изменения составов жидкости и пара от температуры t — x — y строиться следующим образом. В соответствии с таблицей 2.2 отложим на оси ординат температуры кипения чистых компонентов и температуры кипения соответствующие составам жидкой фазы. Соединив точки плавной линией получим кривую — линию кипения жидкости. Затем на оси абсцисс откладываем составы паровой фазы, равновесной с данной кипящей жидкостью. Соединив точки плавной линией, получим кривую — линию конденсации. С помощью этого графика можно определить температуру жидкости и пара любого состава и наоборот, найти составы жидкости и пара при заданной температуре.
4. Устройство и принцип работы основного и вспомогательного оборудования
Ректификационная установка состоит из высокой ректификационной ко-лонны, заполненной насадкой или разделенной по высоте тарелками с соответствующими контактными устройствами.
Для уменьшения высоты колонны в современных аппаратах вместо куба в нижней части колонны устраивают выносной кипятильник, кипящая смесь из которого поступает на первую нижнюю тарелку колонны. Образующийся здесь пар, содержание легколетучего компонента в котором несколько выше его содержания в кипящей смеси, поступает на вторую тарелку, барботируя через жидкий слой на второй тарелке.
В результате взаимодействия пара и жидкости в слое происходит частичная конденсация пара, а выделяющаяся при конденсации теплота вызывает кипение жидкости на тарелке.
При этом новый пар также обогащается легколетучим компонентом и поступает на третью тарелку, где все повторяется.
Обогащенный таким образом пар из последней верхней тарелки поступает в дефлегматор через патрубок, где подвергается частичной конденсации. Сконденсированная часть его в виде флегмы возвращается назад на верхнюю тарелку колонны по патрубку и, переливаясь с тарелки на тарелку вниз, обеспечивает работу колонны. Работа колонны возможна только при взаимодействии стекающей вниз жидкости и поднимающегося наверх пара.
Другая часть пара, не сконденсированная в дефлегматоре и еще более обога-щенная легколетучим компонентом, поступает в конденсатор и в результате конденсации обращается в дистиллят.
При непрерывной работе колонны схема будет иметь несколько другой вид.
При непрерывной работе исходная смесь подается на питающую тарелку в средней части колонны ,разбивающую ее на две части. Верхнюю часть называют укрепляющей, а нижнюю от питающей тарелки часть — истощающей или исчерпывающей. Исходная смесь перед подачей на питающую тарелку подогревается до температуры кипения в специальном подогревателе.
Флегма, пройдя через всю колонну до самой нижней тарелки подогревается в специальном подогревателе и вновь направляется в колонну. Кубовый остаток отводится через патрубок.
Для наблюдения процесса ректификации колонна оснащена специальным смотровым окном.
Промышленные ректификационные колонны оснащают необходимыми кон-трольно-измерительными и регулирующими приборами, позволяющими полностью автоматизировать их работу и проводить процесс с помощью программного управления в оптимальных условиях.
Тарельчатая ректификационная колонна состоит из отдельных, связанных между собой элементов: тарелок колонн, дефлегматора и куба испарителя. Математическое моделирование работы таких многоэлементных объектов обычно осуществляют следующим образом: выводят сначала уравнения математической модели каждого элемента, а затем, объединив эти уравнения в общую систему, получают математическую модель всего объекта. В соответствии с этим подходом необходимо найти динамическую модель процессов, протекающих на отдельной тарелке ректификационной колонны, а также динамические модели дефлегматора и куба испарителя.
Тарельчатая ректификационная колонна состоит из отдельных функциональных и конструктивных частей — тарелок.
Тарельчатые ректификационные колонны применяются в химической и нефтехимической промышленности для разделения жидких смесей.
Тарельчатые ректификационные колонны могут различаться по числу тарелок, по способам подачи и отбора продуктов, по конструкции. Кроме того, наряду с тарельчатыми колоннами применяются колонны без тарелок, заполненные насадкой в виде металлических или керамиковых спиралей, колец или других тел, обеспечивающих большую по величине и постоянно освежающуюся поверхность соприкосновения стекающей вниз жидкости с поднимающимися парами.
5. Описание технологической схемы
Исходную смесь из сборника 13 центробежным насосом 12 подают в теплообменник 1, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 2, где состав жидкости равен составу исходной смеси xF . Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 11.
В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава хР, получаемой в дефлегматоре 3 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения — дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 6 и направляется в емкость 7. Из кубовой части колонны насосом непрерывно выводится кубовая жидкость — продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 6 и направляется в емкость 9.
Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента) и кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).
6. Расчетная часть
6.1 Материальный баланс
Производительность колонны по дистилляту Р и кубовому остатку W определяем из уравнения материального баланса колонны:
где — исходная смесь, кг/с.
Отсюда находим:
- содержание компонента в дистилляте,%;
- содержание легколетучегокомпонента,%;
- содержание компонента в кубовом остатке,%.
Для дальнейших расчетов необходимы концентрации исходной смеси, дистиллята и кубового остатка выразить в мольных долях.
где -молекулярная масса метилового спирта, кг/моль;
- молекулярная масса воды, кг/моль.
Определим минимальное флегмовое число.
Рис. 6.1 Кривые температур кипения смеси метиловый спирт-вода
Рис. 6.2. Определение числа теоретических тарелок.
Где -минимальное флегмовое число
Определим рабочее флегмовое число:
где — коэффициент избытка (принимается равным от 1,2 до 2,5).
6.2Тепловой баланс
Тепловой баланс ректификационной колоны периодического действия с дефлегматором составляется для определения расхода греющего пара на процесс ректификации.
Для выполнения тепловых расчетов определяем температуры кипения и теплоемкости исходной смеси, дистиллята и кубового остатка по рисунку 6.1.2.
Приход тепла.
Тепло пришедшее с исходной смесью.
где F — расход исходной смеси, кг/с,
- удельная теплоемкость исходной смеси, Дж/(кгК),
- температура исходной смеси, 0С.
где — удельная теплоемкость низкокипящего компонента, Дж/(кг•К),
- исходная смесь в мольных долях, м.д,
- удельная теплоемкость высококипящего компонента, Дж/(кг•К).
Количество тепла поступившее с флегмой:
где Ф — содержание флегмы, кг/с,
СФ — удельная теплоемкость флегмы, Дж/(кг•К),
- температура флегмы, 0С.
где — удельная теплоемкость дистиллята, Дж/(кг•К) .
=5572 Дж/(кг•К).
0С.
где Р — расход дистиллята, кг/с,
R — рабочее флегмовое число.
Расход тепла.
Количество тепла ушедшее с парами в верхней части колонны:
где — расход паровой фазы, кг/с
- удельная энтальпия паровой фазы, Дж/кг.
где — удельная теплота парообразования дистиллята Дж/кг.
где — удельная теплота парообразования низкокипящего компонента, кДж/кг,
- удельная теплота парообразования высококипящего компонента, кДж/кг.
Определим количества тепла ушедшее с кубовой жидкостью:
где — расход кубового остатка, кг/с,
- удельная теплота кубового остатка, Дж/(кгК),
- температура кубового остатка,0С.
Потери теплоты принимаем равным 3% от ее расхода в кубе.
Расход теплоты в кубе колонны с учетом тепловых потерь:
где — расход греющего пара, кг/с.
где — удельная теплоемкость греющего пара, Дж/кг.
Тепловой баланс дефлегматора.
Определяем количество теплоты конденсата:
Определяем количество теплоты охлаждения:
Определяем общее количество теплоты:
где , — температуры охлаждения воды (принимаем 32 и 22 соответственно), 0С.
Общий расход греющего пара на процесс ректификации.
Так как, исходная смесь поступает на ректификацию нагретой до температуры кипения, то определяем расход пара подогрева исходной смеси.
где t — температура хранения исходной смеси (принимают равной 200С).
Общий расход пара на процесс ректификации равен:
6.3 Технологический расчет
Определим объемы пара и жидкости, проходящих через колонну.
Сначала определим мольные массы жидкостей и паров, средние мольные и массовые концентрации жидкостей и паров в колонне.
Средний мольный состав жидкости: в верхней части колонны
в нижней части колонны
Средний массовый состав жидкости: в верхней части колонны
в нижней части колонны
Средняя мольная масса жидкости: в верхней части колонны
в нижней части колонны
Мольная масса: дистиллята
исходной смеси
;
кубового остатка
Найдем относительный мольный расход питания:
Составим уравнения рабочих линий: в верхней части колонны
в нижней части колонны
Затем из этих уравнений вычисляем средний мольный состав паров: в верней части колонны
в нижней части колонны
Средняя мольная масса паров: в верхней части колонны
в нижней части колонны
Средняя плотность жидкости: в верхней части колонны
в нижней части колонны
Средняя плотность пара: в верхней части колонны
где — принимаем 20,
в нижней части колонны
Массовый расход жидкости: в верхней части колонны
в нижней части колонны
Массовый паток пара: в верхней части колонны
в нижней части колонны
Рассчитываем скорости пара и диаметр колонны.
Диаметр колонны определяем по формуле:
Предельно допустимую скорость паров в колонне с ситчатыми тарелками находиться по формуле:
Для верхней и нижней части предельная скорость пара равна:
В соответствии с рекомендациями рабочую скорость паров в колонне определяем по формуле
Рабочая скорость паров в верхней и нижней части колонны соответственно равна:
м/с.
Ориентировочный диаметр верхней и нижней части колонны:
Тогда
Принимаем ректификационную колонну с диаметром в верхней и нижней части, равным 2000мм. При этом действительная рабочая скорость пара при средней скорости паров будет равна:
- Для колонны диаметром 2000 мм выбираем ситчатую тарелку ТС-Р со следующими конструктивными размерами: свободное сечение колонны — 4,2 м2;
- рабочее сечение тарелки — 3,9 м2;
- диаметр отверстий — 8 мм;
- шаг между отверстиями — 16 мм;
- относительно свободное сечение тарелки — 18,1%;
- сечение перелива — 0,317 м2;
- относительная площадь перелива — 6,9 м2;
- периметр слива — 1,57 м;
- масса — 172 кг.
Скорость пара в рабочем сечении тарелки:
Расчет высоты ректификационной колонны.
Относительная летучесть определяется по формуле:
- где — давление насыщенного пара низкокипящего компонента, Па;
- давление насыщенного пара высококипящего компонента, Па.
Динамический коэффициент вязкости определяется по формуле:
Смесь в нижней части колонны:
При имеем: з1=0,53.
Исходная смесь:
При имеем: з2=0,50.
Смесь в верхней части колонны:
При имеем: з3=0,49.
Таким образом, средний к.п.д. тарелки:
(6.50)
Действительное число тарелок: Принимаем 20 тарелок, из которых 11-в верхней части колонны, а 9-в нижней.
Для колонных аппаратов диаметром 2000 мм расстояние между тарелками будем считать равным 400 мм. Принимая расстояние от верхней тарелки до крышки колонны h1=2420 мм и от нижней тарелки до днища h2=3000 мм, определяем высоту колонны:
Расчет штуцеров колонны.
А) Вход исходной смеси в колонну
Диаметр штуцера находим из уравнения расхода
Где Q-объемный расход перекачиваемой жидкости.
Где -плотность исходной смеси
=+) (6.53)
=7270,5+743,6 (1-0,5)=735,3
Принимаем скорость =1м/с,тогда
Принимаем диаметр штуцера для ввода исходной смеси равным 400 мм.
Б) Штуцер для вывода кубового остатка
=+) (6.54)
=7270,05+743,6 (1-0,05)=742,8
Принимаем скорость =0,5 м/с,тогда
Принимаем диаметр штуцера для ввода кубового остатка равным 100 мм.
В) Штуцер для входа флегмы
=+) (6.56)
=7270,85+743,6 (1-0,85)=729,5
Принимаем скорость =0,3м/с,тогда
Принимаем диаметр штуцера для ввода флегмы равным 100 мм.
Г) Штуцер для выхода паров
=+) (6.58)
=0,79150,85+0,826 (1-0,85)=0,797
Принимаем скорость =20 м/с,тогда
Принимаем диаметр штуцера для выхода паров равным мм.
Д) Штуцер для входа парожидкостной смеси
=1 м/с
=20 м/с
(6.64)
Принимаем диаметр штуцера для ввода парожидкостной смеси равным 400 мм.
Е) Штуцер для выхода кубовой жидкости
Принимаем диаметр штуцера для выхода кубовой жидкости равным 100 мм.
6.4 Механический расчет основного аппарата
Целью механического расчета является определение толщины стенки обечайки.
Исходные данные:
1. Сталь 12Х18Н10Т
2. Давление в аппарате Р = 0,1 МПа
3. Плотность смеси с смеси = 735,3 кг/ м3
4. Рабочая температура tраб = 65°С
5. Диаметр колонны Dк = 2000 мм
6. Высота цилиндрической части hцилин.части = 7700 мм
7. Проницаемость аппарата П = 0,05 мм/год
8. Срок службы аппарата ф = 15 лет
9. Толщина сварного шва ц = 1
10. Заполняемость аппарата ? = 0,8
Определяем расчётное давление:
; (6.66)
где Рр — расчетное давление;
- Рраб — рабочее давление;
- Рг.ст.- гидростатическое давление.
; (6.67)
где с — плотность смеси кг/ м3;
- g — ускорение свободного падения, м/с2;
- hзап — высота заполнения аппарата реакционной массой.
МПа.
МПа.
Поскольку гидростатическое давление более 5% от рабочего, то оно учитывается в расчётном давлении.
Определяем расчётную температуру:
Находим нормативные допускаемые напряжения материала при 20°С и расчетной температуре, а также предел текучести при t = 20°С.
МПа
Мпа
Мпа
Допускаемые напряжения материала при при 20°С и расчетной температуре, а также предел текучести при t = 20°С будут равны:
МПа
Мпа
Мпа
Определяем испытательное давление:
- (6.68)
МПа.
Проверяем необходимость расчёта обечайки на прочность для условий испытания:
(6.69)
МПа.
, расчет гидравлических испытаний не требуется.
Находим расчётную толщину стенки обечайки для рабочих условий и условий испытания:
; (6.70)
где Dк — диаметра колонны;
- ц — толщина сварного шва.
- (6.71)
(6.72)
МПа.
Поскольку ,то для дальнейших условий принимаем .
Находим номинальную толщину стенки обечайки:
(6.73)
где С1 — надбавка на коррозию;
- С2 — надбавка к расчетной величине на утонение листа металла при изготовлении аппарата;
- С3 — надбавка на минусовой допуск стандартного листа металла.
; (6.74)
где П — проницаемость аппарата;
- ф — продолжительность службы аппарата, лет.
м.
Принимаем и равными нулю, тогда:
м.
- (6.75)
м.
Определяем допускаемое давление для рабочих условий и условий испытания:
- (6.76)
МПа.
- (6.77)
м.
(6.80)
МПа.
то, следовательно, принятая толщина обечайки обеспечивает её прочность при гидравлических испытаниях.
6.5 Выбор вспомогательного оборудования
Для ректификационной установки данного курсового проекта выбираем центробежный насос.
1.Выбор диаметра трубопровода. Примем скорость раствора во всасывающем и нагнетательном трубопроводах одинаковой, равной 2 м/с. Тогда диаметр трубопровода будет равен:
- где — диаметр трубопровода, м/с;
- объемный расход перекачиваемой жидкости, м3/с;
- скорость раствора, м/с.
Уточняем скорость движения раствора:
2. определение потерь на трения и местные сопротивления. Определяем величину критерия Рейнольдса:
Режим турбулентный.
Принимаем абсолютную шероховатость стенок труб е=0,2 мм, степень шероховатости /е=0,05/0,2=0,25. Находим значение трения л=0,031.
Определяем сумму коэффициентов местных сопротивлений:
Для всасывания линии
- вход в трубу (принимаем с острыми краями): о=0,5;
- нормальный вентиль: для =0,02м, о=8,0, для =0,04м, о=4,9.
Интерполяцией находим для=0,08м, о=5,2. Тогда
где сумма коэффициентов;
- коэффициент всасывания для входа в трубу;
- коэффициент сопротивления для данного диаметра.
Для нагнетательной лини
- выход из трубы о=2;
- нормальный вентиль о=5,2;
- дроссельная заслонка о=0,9 при =150;
- колено под углом 900 о=1,6. Следовательно,
Определяем потери напора
Во всасывающей линии
В нагнетательной линии
Общие потери напора:
3. Выбор насоса. По формуле определяем полный напор, развиваемый насосом:
; (6.86)
где P — давление в аппарате, из которого перекачивается жидкость;
- геометрическая высота подъема жидкости;
- потери напора во всасывающей и нагнетательной линиях.
Полезная мощность насоса определяем по формуле:
(6.87)
где Nп — полезная мощность насоса.
Принимая зп=1 и зн=0,6 для насосов малой производительности, найдем по формуле:
где зн, зп — коэффициенты полезного действия соответственно насоса и передачи от электродвигателя к насосу.
Мощность потребляемая двигателем от сети, при здв=0,8:
С учетом коэффициента запаса мощности устанавливаем двигатель мощностью
Устанавливаем центробежный насос марки Х8/30 со следующей характеристикой: производительность 2,410-3 м3/с; напор 30 м; к.п.д. насоса 0,5.
Насос снабжен электродвигателем 4А100S2 номинальной мощностью 1,5 кВт, здв=0,83, частотой вращения вала n = 48,3с-1.
7. Охрана труда
Охрана труда (ОТ) — система обеспечения безопасности жизни и здоровья работников в процессе трудовой деятельности, включающая правовые, социально-экономические, санитарно-гигиенические, психофизические, лечебно-профилактические, реабилитационные и иные мероприятия.
Основная цель улучшения условий труда — достижение социального эффекта, т.е. обеспечение безопасности труда, сохранение жизни и здоровья работающих, сокращение количества несчастных случаев и заболеваний на производстве.
Задача охраны труда — свести к минимуму вероятность поражения или заболевания работающего с одновременным обеспечением комфорта при максимальной производительности труда.
Функции («инструментарий») охраны труда — исследования санитарии и гигиены труда, проведение мероприятий по снижению влияния вредных факторов на организм работников в процессе труда.
Основным методом охраны труда является использование техники безопасности. При этом решаются две основные задачи: создание машин и инструментов, при работе с которыми исключена опасность для человека, и разработка специальных средств защиты, обеспечивающих безопасность человека в процессе труда, а также проводится обучение работающих безопасным приемам труда и использования средств защиты, создаются условия для безопасной работы.
Улучшение условий труда дает и экономические результаты: рост прибыли (в связи с повышением производительности труда); сокращение затрат, связанных с компенсациями за работу с вредными и тяжелыми условиями труда; уменьшение потерь, связанных с травматизмом, профессиональной заболеваемостью; уменьшением текучести кадров и т.д. Основным документом в нормативно-технической документации является нормативный акт «Система стандартов безопасности труда».
Стандарты ССБТ устанавливают общие требования и нормы по видам опасных и вредных производственных факторов, общие требования безопасности к производственному оборудованию, производственным процессам, средствам защиты работающих и методы оценки безопасности труда.
Межотраслевые правила и нормы являются обязательными для всех предприятий и организаций независимо от их ведомственного подчинения.Отраслевые правила и нормы распространяются только на отдельные отрасли. На основании законодательства о труде, стандартов, правил, норм, технологической документации и др. разрабатываются инструкции по охране труда: общие, для отдельных профессий, на отдельные виды работ.
8. Охрана окружающей среды
В данной области основная цель Общества — повысить уровень экологической безопасности, добиться роста капитализации ДЗО Общества за счет обеспечения надежного и экологически безопасного производства, транспорта и распределения электрической и тепловой энергии, рационального подхода к использованию природных энергетических ресурсов.
Планируется внедрение системы экологического менеджмента, которая станет составной частью системы корпоративного управления и важнейшей частью системы управления нефинансовыми рисками, действующей в Обществе.
Общество поддерживает сотрудничество с международными правительственными и неправительственными организациями, научными и образовательными учреждениями, эффективноработающими в области.В рамках охраны окружающей среды и обеспечения экологической безопасности основными направлениями деятельности Общества являются:
1- технологическое перевооружение и постепенныйвывод из эксплуатации устаревшего оборудования,внедрение прогрессивных существующих технологий при производстве, транспортировке и распределении электрической энергии;
2- совершенствование технологических процессовпроизводства, передачи и распределения электроэнергии;
3- реализация мероприятий по энергосбережению и снижению потерь электроэнергии в сетях путем внедрения устройств компенсации реактивной мощности;
4- реализация мероприятий по повышению эффективности топливообеспечения;
5- сокращение образования отходов производства и обеспечение безопасного обращения с ними, реализация мероприятий по переработке отходов;
6- развитие нетрадиционных и возобновляемых источников энергии;
7- регулирование стока водохранилищами для гидроэнергетики;
8- предотвращение загрязнения водных объектов и сохранение биологических ресурсов при эксплуатации ГЭС;
9- внедрение на тепловых электростанциях новейших технологий сжигания энергетических углей, современных методов серо- и азотоочистки дымовых газов.
Соблюдение общепринятых норм охраны окружающей среды позволит снизить негативное воздействие на окружающую среду, повысить конкурентоспособность электроэнергии на внешнем и внутреннем рынках.
Заключение
В курсовом проекте была спроектирована ректификационная установка периодического действия для разделения смеси аммиак — вода.
В литературном обзоре рассмотрены виды ректификационных колонн и технологические схемы процесса. В данном курсовом проекте в качестве типового оборудования для проектируемой ректификационной установки используем тарельчатую колонну для разделения бинарной смеси аммиак — вода, так как в ней можно довольно четко регулировать тепловой режим, устанавливая теплообменники на тарелках. Кроме того, тарельчатая колонна соответствует общим требованиям: стоимость, высокая интенсивность.
В технологической части курсового проекта рассмотрена характеристика сырья и готового продукта, изучены физико-химические свойства веществ, участвующих в процессе ректификации и физико-химические основы процесса ректификации, разработана технологическая схема процесса ректификации, изучены устройство и принцип работы проектируемого аппарата.
В расчетной части выполнены следующие виды работ: расчет материального баланса ректификационной колонны, расчет теплового баланса ректификационной колонны, конструктивный расчет ректификационной колонны, механический расчет ректификационной колонны.
Особое внимание было уделено рассмотрению мероприятий по охране окружающей среды и основным правилам техники безопасности при работе и обслуживании ректификационных установок.
Таким образом, цель, поставленная в курсовом проекте, достигнута.
Список используемой литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kursovoy/rektifikatsionnaya-kolonna-metilovyiy-spirt-voda/
1. Александров И.А.. Ректификационные и адсорбционные аппараты. — М.:Химия,1981.
2. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. — М.: Химия, 1973.
3. Коган В.Б., Фридман В.М., Кафаров В.В. Равновесие между жидкостью и паром. — М-Л: Наука, 1986.
4. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчёта химической аппаратуры. — Л.: Машиностроение, 1970.
5. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию под ред. Дытнерского Ю.И. — М.: Химия, 1991 г.
6. Павлов К.Ф., Романков П.Т., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. — Л.: Химия,1987.
7. Справочник химика. Т2.- М-Л: Госхимиздат, 1963
8. Справочник химика под ред. Никольского Б.П. — Л.: Химия,1962 г, т. I
9. Справочник химика под ред. Никольского Б.П.- Л.: Химия,1963 г, т. II
10. Стабников В.Н. Расчет и конструирование контактных устройств ректификационных и абсорбционных аппаратов. Киев.: Техника,1970
11. А.Н. Пплановский, В.М. Рамм, С.З. Каган Процессы и аппараты химической технологии. Москва 1962
12. Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии: Учебник для техникумов. — Л.: Химия, 1991
