Расчёт ректификационной колонны для разделения бинарной смеси метиловый спирт - вода

7171

 

НОУ СПО «ВОЛГОГРАДСКИЙ КОЛЛЕДЖ ГАЗА И НЕФТИ

ОАО ГАЗПРОМ»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

       

РасчёТ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ

 БИНАРНОЙ СМЕСИ

Метиловый спирт - вода

240404.10.01с.07

 

 

 

 

 

 

                                                             Разработал:              .

«___» _________ 2012

                                                             Руководитель:       

«___» __________ 2012

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2012

 

Содержание

           стр

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

НОУ СПО «ВОЛГОГРАДСКИЙ КОЛЛЕДЖ ГАЗА И НЕФТИ»

ОАО «ГАЗПРОМ»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РасчёТ ректификационноЙ КОЛОННЫ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ БИНАРНОЙ СМЕСИ Метиловый спирт вода

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

240404.10.01с.07.ПЗ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

           стр

 

Введение

 

Ректификация известна с начала XIX века как один из важнейших  технологических процессов химической и нефтехимической 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 технологии общего органического синтеза, технологии получения изотопов, полимеров, полупроводников и различных других веществ высокой чистоты).

Ректификация  - это  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 «метиловый 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 низкокипящий компонент (НКК). При соприкосновении поднимающихся паров со стекающей жидкостью происходит частичная

конденсация паров и частичное испарение жидкости. При этом из паров конденсируется преимущественно высококипящий компонент (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 массообменных  процессах, эффективность ректификации зависит от поверхности контакта фаз. Для увеличения поверхности массообмена 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.

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 расчете ректификационной колонны с ситчатыми тарелками  необходимо, как правило, решать следующие задачи:

1)  рассчитать материальный баланс колонны;

2)  произвести анализ тепловых процессов;

3)  произвести технологический расчет колонны.

В данной курсовой работе рассмотрены теоретические основы процесса

ректификации, классификация  ректификационных колонн по конструкции

внутреннего устройства, по периодичности действия и по способу  организации движения потоков контактирующих фаз. Согласно заданию на курсовую работу, в котором указаны компоненты бинарной смеси: метиловый спирт - вода, задана колонна с ситчатыми тарелками, и проведен её расчет по исходным данным, указанным в задании. Выполнен материальный и тепловой балансы, определены основные размеры аппарата.

 

1. Технологическая часть

1.1. Теоретические основы  процесса

 

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 (НКК), и кубовый остаток - смесь, обогащенную высококипящим компонентом (ВКК).

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.

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 °С.

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. Ректификация представляет собой процесс многократного частичного испарения жидкости и конденсации паров. Процесс осуществляется путем контакта потоков пара и жидкости, имеющих различную температуру, и проводится обычно в колонных аппаратах.

При каждом контакте из жидкости испаряется преимущественно легколетучий или низкокипящий компонент, которым обогащаются пары, а из паров конденсируется преимущественно труднолетучий или высококипящий компонент, переходящий в жидкость. Такой двухсторонний обмен компонентами, повторяемый многократно, позволяет получить, в конечном счете, пары, представляющие собой почти чистый низкокипящий компонент. Эти пары после конденсации в отдельном аппарате образуют дистиллят (ректификат) и флегму – жидкость, возвращаемую для орошения колонны и взаимодействия с поднимающимися парами. Пары получают путем частичного испарения снизу колонны остатка, являющегося почти чистым высококипящим компонентом. Достаточно высокая степень разделения однородных жидких смесей на компоненты может быть достигнута путем ректификации. Сущность процессов, из которых складывается ректификация, и получаемые при этом результаты можно проследить с помощью t – х, у диаграммы (см. рис. 1).

Рис. 1. Диаграмма кипения в координатах t – x, у.

Нагрев исходную смесь  состава х₁ до температуры кипения получим находящийся в равновесии с жидкостью пар (точка b). Отбор и конденсация этого пара дают жидкость состава x_2, обогащенную низкокипящим компонентом (х₂ > х₁). Нагрев эту жидкость до температуры кипения t₂ , получим пар (точка d), конденсация которого дает жидкость с еще большим содержанием низкокипящего компонента, имеющую состав х_а, и т. д. Проводя, таким образом, последовательно ряд процессов испарения жидкости и конденсации паров, можно получить в итоге жидкость (дистиллят), представляющую собой практически чистый низкокипящий компонент.

Аналогично, исходя из паровой  фазы, соответствующей составу жидкости x₄, путем проведения ряда последовательных процессов конденсации и испарения можно получить жидкость (остаток), состоящую почти целиком из высококипящего компонента.

В простейшем виде процесс  многократного испарения можно  осуществить в многоступенчатой установке, в первой ступени которой испаряется исходная смесь.

На вторую ступень  поступает на испарение жидкость, оставшаяся после отделения паров в первой ступени, в третьей ступени испаряется жидкость, поступившая из второй ступени (после отбора из последней паров) и т. д.

Аналогично может быть организован процесс многократной конденсации, при котором на каждую следующую ступень поступают для конденсации пары, оставшиеся после отделения от них жидкости (конденсата) в предыдущей ступени.

При достаточно большом  числе ступеней таким путем можно  получить жидкую или паровую фазу с достаточно высокой концентрацией  компонента, которым она обогащается. Однако выход этой фазы будет мал  по отношению к ее количеству в  исходной смеси. Кроме того, описанные установки отличаются громоздкостью и большими потерями тепла в окружающую среду.

Значительно более экономичное, полное и четкое разделение смесей на компоненты достигается в процессах  ректификации, проводимых обычно в  более компактных аппаратах – ректификационных колоннах.

 

Процесс ректификации осуществляется путем многократного контакта между  неравновесными жидкой и паровой  фазами, движущимися относительно друг друга.

 

При взаимодействии фаз  между ними происходит массо- и теплообмен, обусловленные стремлением системы к состоянию равновесия. В результате каждого контакта компоненты перераспределяются между фазами: пар несколько обогащается низкокипящим компонентом, а жидкость – высококипящим компонентом. Многократное контактирование приводит к практически полному разделению исходной смеси.

Таким образом, отсутствие равновесия (и соответственно наличие  разности температур фаз) при движении фаз с определенной относительной скоростью и многократном их контактировании являются необходимыми условиями проведения ректификации.

Вступающие в контакт пары и жидкость при ректификации не находятся в равновесии, но в результате контакта фазы стремятся достичь его или приблизиться к этому состоянию. При этом происходит выравнивание тем температур и давлений в фазах и перераспределение компонентов между ними. Контакт пара и жидкости, при котором система достигает состояния равновесия, называется идеальным или теоретическим, а устройство, обеспечивающее такой контакт теоретической тарелкой.

Рассмотрим сущность процесса ректификации на примере разделения двухкомпонентной смеси при наличии теоретических тарелок.

На рисунке 2 показано, что на каждую, например, n-ную тарелку с вышележащей тарелки стекает жидкость в количестве g _n+1 при температуре t _n+1 и с нижерасположенной тарелки поднимаются пары в количестве G _n-1 при температуре t _n-1. При теоретическом контакте на n-й тарелке система достигает состояния равновесия, при этом пары G _n и жидкость g_п будут иметь одинаковую температуру t _n.

 

 

Рис. 2.  Схема контактирования пара и жидкости на теоретической тарелке

 

Для осуществления процесса ректификации температурный режим в колонне должен быть таким, чтобы температура убывала в направлении движения потока паров (возрастала в направлении движения потока жидкости), т.е.

t _n-1 >t _n >t _n+1

При контакте фаз в результате массообменных процессов температура паровой фазы снизится, часть паров конденсируется и концентрация НКК в них возрастет, а температура жидкой фазы увеличится, часть ее испарится, и концентрация НКК в ней уменьшится. Изменение состава паров и жидкости удобно проследить по изобарным температурным кривым. На рисунке 2 На n-й теоретической тарелке в результате контакта концентрация НКК в паровой фазе увеличилась на величину (y _n –y_n-1 ), а в жидкой фазе уменьшилась на величину (x_n+1 –x_n ), тем самым концентрация ВКК в жидкости увеличилась.

Рис. 3. Схема изменения состава пара и жидкости на теоретической тарелке

 

При ректификации массообмен протекает в обоих направлениях. Если теплота испарения и теплоемкости разделяемых компонентов различаются незначительно, то массы парового и жидкостного потоков по высоте аппарата изменяются мало.

Очевидно, при многократном повторении таких противоточных контактов на верху аппарата можно получить пары, обогащенные в любой степени низкокипящим компонентом  (у → 1,0), а снизу отбирать жидкость, обогащенную высококипящим компонентом  (х → 1.0). Подобное контактирование осуществляется до тех пор, пока пар на верху колонны не приобретает заданного состава по НКК   y_D, а жидкость внизу колонны не достигнет состава  x_W.