Ректификационная колонна

                        

Министерство образования  и науки Российской Федерации

 

 

Казанский национальный исследовательский

 технологический университет

 

 

Кафедра процессов и  аппаратов химической технологии

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕКТИФИКАЦИОННАЯ КОЛОННА

 

Пояснительная записка  к курсовому проекту

 

 

 

 

 

Выполнил:  студент гр. 6193-51 Мазитова

                                              

Руководитель:  Еникеева

 

 Проект защищён с  оценкой

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                         Оглавление

Введение

Описание технологической  схемы

Технологический расчет.

Конструктивный расчет.

Механический расчет.

Техника безопасности.

Список литературы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                      Введение

 

       В химической технологии широко распространены и имеют важное значение процессы массопередачи, характеризуемые переходом одного или нескольких веществ из одной фазы в другую. Путём переноса одного или более компонентов из фазы в фазу можно разделять как гетерогенные, так и гомогенные системы (газовые смеси, жидкие растворы и др.), причём наиболее часто процессы массопередачи используют для разделения гомогенных систем.

Одним из наиболее распространённых методов разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или большего числа компонентов, является перегонка (дистилляция и ректификация).

Простая перегонка представляет собой процесс однократного частичного испарения жидкой смеси и конденсации  образующихся паров. Простая перегонка  применима только для разделения смесей, летучести компонентов которой  существенно различны.

           Значительно более полное разделение  жидких смесей на компоненты  достигается путём ректификации.

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

Ректификация известна с начала 19 века как один из важнейших  технологических процессов главным  образом спиртовой и нефтяной промышленности. В настоящее время  ректификацию всё шире применяют  в самых различных областях химической технологии, где выделение компонентов  в чистом виде имеет весьма важное значение (в производствах органического синтеза, изотопов, полимеров и др.).

Процессы перегонки  осуществляются периодически или непрерывно.

Процесс ректификации протекает  на поверхности раздела фаз, поэтому  аппараты должны обеспечивать развитую поверхность соприкосновения между  жидкостью и газом.

 

          По способу образования этой поверхности ректификационные аппараты можно условно разделить на следующие группы: 1) поверхностные и плёночные; 2) насадочные; 3) барботажные (тарельчатые); 4) распыливающие.

Тарельчатые ректификационные колонны нашли широкое распространение  в промышленности. В настоящее  время применяются разнообразные  конструкции тарелок. По способу  слива жидкости с тарелки их можно  подразделить: 1) тарелки со сливными устройствами; 2) тарелки без сливных  устройств.

             К тарелкам со сливными устройствами относятся: ситчатые, колпачковые, клапанные и балластные, пластинчатые.

В тарелке без сливных  устройств газ и жидкость проходят через одни и те же отверстия или  щели. На тарелке одновременно с  взаимодействием жидкости и газа путём барботажа  происходит сток части жидкости на нижерасположенную тарелку – "проваливание” жидкости. Поэтому тарелки такого типа обычно называют провальными. К ним относятся дырчатые, решётчатые, трубчатые и волнистые тарелки.

Выбор конкретного вида тарелки зависит от многих факторов, например гидравлическое сопротивление  тарелки, диапазон устойчивой работы, эффективность, производительность по жидкости и газу и т.д.

В качестве контактных устройств  используются также насадки , которые можно подразделить на регулярные и нерегулярные. Нерегулярную насадку применяют  в процессах массообмена, протекающих под давлением или в условиях неглубокого вакуума и имеет существенные преимущества по сравнению с регулярной по технологии изготовления, транспортирования и монтажа. К этому виду насадок относятся: кольца Рашига, кольца Паля, сёдловая и др.

         Ситчатые тарелки обладают невысоким сопротивлением, большой эффективность и интенсивностью, требуют малого расхода металла и легкости монтажа.

         Колпачковые тарелки обладают достаточно большой областью работы, большой эффективностью и обеспечивают легкость пуска и остановки аппарата.

Клапанные тарелки обладают большой областью устойчивой работы, малым брызгоуносом, требуют малого расстояния между тарелками, имеют высокую интенсивностью и эффективностью.

 

             1. Описание технологической схемы  ректификационной 

                  установки

Исходная смесь поступает  в накопительную ёмкость Е1, необходимую для равномерного питания ректификационной колонны РК. Насосом Н1 смесь подаётся на питающую тарелку в РК, проходя через теплообменник – подогреватель П. В подогревателе исходной смеси, смесь подогревается до температуры кипения, за счёт подачи в межтрубное пространство греющего пара. Поступающая в РК при температуре кипения исходная смесь, стекает по тарелкам в нижнюю часть колонны. На каждой ступени (тарелке), происходит взаимодействие жидкости стекающей вниз и паров поднимающихся вверх по колонне, при этом из паров конденсируется высококипящий компонент (ВК), а из жидкости испаряется низкокипящий компонент (НК). В результате  такого взаимодействия на каждой ступени в конечном счёте   с верхней части колонны выходит практически чистый НК, а из кубовой части колонны удаляется ВК. Пары в кубе получают путём испарения кубовой жидкости в теплообменнике – кипятильнике К. Пары отводимые с верхней части колонны, направляются в теплообменник – конденсатор Д. За счёт подачи охлаждающей воды в трубное пространство, пары конденсируются и отводятся из аппарата при температуре конденсации. Далее поток конденсата разделяется на две части: флегму и дистиллят. Под флегмой понимают часть конденсата, возвращающегося в верхнюю часть колонны для её орошения. Дистиллят – готовый продукт (целевой), который с начало охлаждают в теплообменнике – холодильнике Х2, а потом подают в накопительную ёмкость Е3. Насосом Н4 дистиллят перекачивается к потребителю. Кубовый остаток (ВК) отводится с куба и направляется в теплообменник – холодильник Х1, после чего накапливается в ёмкости Е2, откуда насосом Н3 перекачивается к потребителю.

Ректификационная установка  является сложным управляемым объектом, поэтому включает в себя большое  количество приборов КИП и автоматики, систему предупреждающей и аварийной  сигнализации, а также блокировки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Технологический  расчет

 

 

Исходные данные к расчету:

Смесь бензол-толуол, F = 15 т/ч=4.167 кг/с

 

Расчет ведется  по [1,с.228]

2.1 Материальный баланс  колонны и рабочее флегмовое число

 

Производительность колонны  по дистилляту Р и кубовому остатку W определим из уравнений материального баланса колонны:

Отсюда находим:

Переводим массовые концентрации в мольные доли:

 

 

, здесь 

 

М₁=78 кг/кмоль – мольная масса бензола;

М₂=92 кг/кмоль – мольная масса толуола.

 

Относительный мольный  расход питания:

 

По данным [3] строим равновесную  кривую на рис. 1

 

Минимальное флегмовое число:

 

Для определения оптимального флегмового числа производим следующее:

Пусть β=1,1 – коэффициент  избытка флегмы, тогда рабочее  флегмовое число R=β· R_min=1,1·2,927=3,27

Уравнение рабочей прямой верхней части колонны:

, строим на рис.1

 

Пусть β=1,3, тогда R=β· R_min=1,3·2,927=3,864

, строим на рис.2

 

Пусть β=1,5, тогда R=β· R_min=1,5·2,927=4,458

, строим на рис.3

 

Пусть β=1,6, тогда R=β· R_min=1,6·2,927=4,756

, строим на рис.4

 

Пусть β=1,8, тогда R=β· R_min=1,8·2,927=5,35

, строим на рис.5

 

Полученные результаты сводим в таблицу:

 

β	1,1	1,3	1,5	1,6	1,8
R	3,27	3,864	4,458	4,756	5,35
N	25	20	17	17	16
N(R+1)	106,75	97,28	92,768	97,852	101,6

 

По данным таблицы строим график зависимости R от N(R+1) cм. Рис. 7.

Определяем оптимальное  рабочее флегмовое число R=4,45 тогда уравнения рабочих прямых:

 

, строим их на рис.6.

 

Средние массовые расходы  по жидкости для верхней и нижней частей колонны определяют из соотношений:

LВ = Р·R·МВ/МР;

LН = Р·R·МН/МР + F·МН/МF, здесь

МР = хр·М1 + (1 – хр )·М2 = 0,992 · 78 + (1 – 0,992) · 92 = 78,119 кг/кмоль – мольная масса дистиллята;

МF = хF ·М1 + (1- хF ) · М2 = 0,228·78 + (1-0,228) · 92 = 88,812 кг/кмоль – мольная масса исходной смеси;

МВ, МН – средние мольные массы жидкости для верхней и нижней частей колонны:

МВ = хсрв · М1 + (1 – хсрв) · М2

МН = хсрн · М1 + (1 – хсрн) · М2, здесь средние концентрации:

 

xсрв = (хF + хР) / 2 = (0,228 + 0,992) / 2 = 0,61 кмоль/кмоль

xсрн = (хF + хW) / 2 = (0,228 + 0,006) / 2 = 0,117 кмоль/кмоль

 

МВ = 0,61 · 78 + (1 – 0,61) · 92 = 83,465 кг/кмоль

МН = 0,117 · 78 + (1 – 0,117) · 92 = 90,356 кг/кмоль, тогда

 

LВ = 0,825 · 4,45 · (83,465/78,119) = 3,922кг/с

LН = 0,825 · 4,45 · (90,356/78,78,119) + 4,167 · (90,356/88,812) = 8,161кг/с

 

Средние массовые потоки пара в верхней GВ и нижней GН частях колонны:

GВ = Р·(R + 1) М'В /МР

GН = Р·(R + 1) М'Н /МР, здесь М'В, М'Н – средние мольные массы паров в

верхней и нижней частях колонны

М'В = yсрв · М1 + (1 – yсрв) · М2

М'Н = yсрн · М1 + (1 – yсрн) · М2, здесь средние концентрации паров определяем из уравнений рабочих прямых:

yсрв = 0,816 · хсрв + 0,182 = 0,816 · 0,61 + 0,182 = 0,659 кмоль/кмоль

yсрн = 1,631 · хсрн – 0,004 = 1,631 · 0,117 – 0,004 = 0,187 кмоль/кмоль

 

М'В = 0,659 · 78 + (1 – 0,659) · 92 = 82,768 кг/кмоль

М'Н = 0,187 · 78 + (1 – 0,187) · 92 = 89,389 кг/кмоль, тогда

 

GВ = 0,825 · (4,45 + 1) · 82,768/78,119 = 4,763кг/с

GН = 0,825 · (4,45 + 1) · 89,389/78,119 = 5,144кг/с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Скорость пара и диаметр колонны

 

Расчет скорости пара для  ситчатых тарелок выполняется по уравнению:

                                                

Определяем средние  температуры паров и жидкости по данным равновесия литературы (Рис.1 ниже):

При y_срв=0,659 кмоль/кмоль    t_yв=94ºС

При y_срн=0,187 кмоль/кмоль    t_yн=107ºС

 

При x_срв=0,61 кмоль/кмоль    t_xв=89ºС

При x_срн=0,117 кмоль/кмоль    t_xн=106ºС

 

ρу – плотность паров;

Плотность пара для верхней  части колонны:

 

  Средняя плотность газа  в колонне:

     ρ_у =(ρ_у1+ ρ_у2)/2=(2,749+2,867)/2=2,8 кг/м³

 

В рассматриваемом примере  плотности бензола и толуола  близки, поэтому берем среднюю  плотность жидкости:

, здесь концентрации в объемных долях, при 89ºС и 106ºС

плотности компонентов: ρ₁=805 кг/м³-бензол, ρ₂=783,9 кг/м³-толуол.

 

Скорость пара:

 

 

Диаметр колонны

в верхней части колонны:

         

 

 

 в нижней части  колонны:

 

Принимаем стандартный  диаметр колонны  1800 мм

При этом рабочая скорость пара :

  

 

Для колонны диаметром 1800 мм выбираем ситчатую однотопочную тарелку ТС-Р диаметром 1600 мм со следующими конструктивными размерами [1.с217]:

 

Высота переливного  порога  h_пер=30 мм;

Свободное сечение тарелки  F_с=18,8%;

Рабочее сечение тарелки  S_т=2,294 м²;

Ширина переливного  порога  b=1050 мм(периметр слива);

Шаг между отверстиями  d_o=15  мм;

 

Скорость пара в рабочем  сечении тарелки:

W_Т=w· 0,785·d²/ S_т=0.693·0,785·1,8²/2,294=0,768м/с.

 

 

2.3 Высота светлого слоя  жидкости на тарелке и паросодержание барботажного слоя[1,с.239-240]

         

Для ситчатых тарелок высоту слоя жидкости hО находим по формуле

для верхней части колонны:      

            

h_ов=0.787·q_в ^0.2·h_пер^0.56·w_Т^m·[1-0.31exp(-0.11µ_x)](σ_x /σ_в)^0,09

для нижней части колонны:

 

          h_он=0.787· q_н ^0.2·h_пер^0.56·w_Т^m·[1-0.31exp(-0.11µ_x)](σ_x /σ_н)^0,09

 

здесь

h_пер = 0,03м – высота сливной перегородки;

 

qВ = L_в / (ρ_x · b) = 3,922/(795·1,05)=0,0047 м²/с – удельный расход

 

жидкости на 1 метр ширины сливной перегородки в верхней части колонны;

 

qн = L_н / (ρ_x· b) = 8,161/(795·1,05) = 0,00978м²/с – удельный расход

 

жидкости на 1 метр ширины сливной перегородки в нижней части колонны;

 

где b- ширина сливной перегородки ,м;

      σ_в ,σ_н – поверхностное натяжение воды при средней температуре в верхней и нижней части колонны;[2,с.526]

      m=0.05-4.6· h_пер=-0.088

Вязкость жидких смесей µ_x находим по уравнению:

 

lg µ_x =x_ср· lg µ_xб+(1-х_ср) ·lg µ_xт. ,

 

где µ_xб  и µ_xт–вязкость бензола и толуола  при температуре смеси(89ºС и 106ºС). [2,с.516]

 

          lg µ_xв=0.61·lg0.276+(1 - 0.61)· lg0.2456= - 0.579

 

          lg µ_xн=0.117 ·lg0.2838+(1 - 0.117)· lg0.256= - 0.587

         

          µ_xв=0,264 МПа·с                µ_xн=0,259 МПа·с

        

          Тогда, для верхней части колонны :

 

          h_ов=0.787·0,0047 ^0.2·0,03^0.56·0,768^-0.88·[1-0.31exp(-0.11·0.264)]·

                 ·(0,06 /0,057)^0,09=0.027 м

        

          Для нижней части колонны:

 

          h_он=0.787·0,00978^0.2·0,03^0.560,768^-0.88·[1-0.31exp(-0.11·0.259)]·

                 ·(0,06 /0,057)^0,09=0.031  м

 

 

       

          Паросодержание барботажного слоя ε находят по формуле:

        ___          ___                    

ε = √ Fr / (1+ √ Fr ), где Fr = W²т/ (gho), тогда

 

для верхней части колонны:

 

Fr_в = 0,768²/(9.81·0.0027)=2,218 

          _____           _____

εв =  √ 2,218/(1 + √ 2,218  ) = 0,598

 

 

для нижней части колонны:

 

Fr_н = 0,768²/(9.81·0.0031)=1,916  

          _____            ____

εн =  √ 2,836   /(1 + √ 2,836   ) = 0,581