Ректификационная колонна

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное бюджетное государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Казанский национальный исследовательский технологический университет

Кафедра процессов и аппаратов химической технологии

Пояснительная записка к курсовому проекту

РЕКТИФИКАЦИОННАЯ КОЛОННА

Содержание

Введение

1. Описание функциональной схемы

2. Технологический расчет

2.1 Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число

2.2 Скорость пара и диаметр колонны

2.3 Высота светлого слоя жидкости на тарелке и паросодержание барботажного слоя

2.4 Коэффициенты диффузии и вязкости паров

2.5 Коэффициенты массопередачи и высота колонны

3. Конструктивный расчет

4. Гидравлический расчет

5. Техника безопасности

Заключение

Список использованной литературы

Введение

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

Одним из наиболее распространенных 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 путем ректификации.

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.

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 осуществляется 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 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 путем 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.

Ситчатые тарелки обладают невысоким сопротивлением, большой эффективностью 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 интенсивность и эффективность.

1. Описание функциональной схемы

ректификационный колонна пар

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 счет 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 счет 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

Задание: Рассчитать и спроектировать тарельчатую ректификационную колонну непрерывного действия для разделения бинарной смеси. Исходная смесь подается при температуре кипения. Разделение проводится при атмосферном давлении.

Смесь: Метанол - вода

Производительность колонны: = 5000 кг/ч = 1,39 кг/c

Содержание легколетучего компонента в исходной смеси: 30%масс

Содержание легколетучего компонента в дистилляте: 97%масс

Содержание легколетучего компонента в кубовом остатке: 0,5%масс

2.1 Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число

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

[1,c.228,ф.6.1]

[1,c.228,ф.6.1]

отсюда находим:

1,39 • (0,97 ? 0,3) / (0,97 ? 0,05) = 1,01 кг/с

1,39 - 1,01 = 0,38 кг/с

2) Переводим массовые концентрации в мольные доли:

кмоль/кмоль смеси [1,c.228,ф.6.3]

кмоль/кмоль смеси [1,c.228,ф.6.3]

кмоль/кмоль смеси [1,c.228,ф.6.3]

? молекулярная масса метанола - легколетучего компонента;

? молекулярная масса воды - труднолетучего компонента;

3) По данным [2, c.526,табл. XLVII] строим равновесную кривую

Данные по парожидкостному равновесию для системы метанол-вода при нормальном давлении

x, кмоль/кмоль смеси	y, кмоль/кмоль смеси	T, °C
0	0	100
0,02	0,134	96,4
0,04	0,23	93,5
0,06	0,304	91,2
0,08	0,365	89,3
0,1	0,418	87,7
0,15	0,517	84,4
0,3	0,665	78
0,4	0,729	75,3
0,5	0,779	73,1
0,6	0,825	71,2
0,7	0,87	69,3
0,8	0,915	67,5
0,9	0,958	66
0,95	0,979	65
1	1	64,5

4) Минимальное флегмовое число: [1,c.228,ф.6.2]

5) Рабочее флегмовое число R

где в - коэффициент избытка флегмы (берем произвольно)

1,05 • 1,12 = 1,17

1,35 • 1,12 = 1,51

1,75 • 1,12 = 1,96

2,35 • 1,12 = 2,63

0,95/2,18 = 0,44

0,95/2,51 = 0,38

0,95/2,97 = 0,32

0,95/3,63 = 0,26

6) Для определения оптимального флегмового числа производим следующее:

Построим диаграммы равновесия x,y. На диаграммах отложим значения В, затем построим рабочие линии укрепляющей и исчерпывающей части колонны и нанесем линии обозначающие теоретические тарелки. По количеству пиков, определим число теоретических тарелок N.



Полученные результаты сводим в таблицу:

в	1,05	1,35	1,75	2,35
R	1,17	1,51	1,96	2,63
N	15	10	9	8
N(R + 1)	32,62	25,1	26,62	29,03

По данным таблицы строим график, и определяем оптимальное рабочее флегмовое число принимаем R = 1,6

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

[1,c.226,ф.6.4]

[1,c.226,ф.6.5]

Средний мольный состав жидкости соответственно верхней и нижней частей колонны:

0,57 кмоль/кмоль смеси

0,11 кмоль/кмоль смеси

Средние мольные массы жидкости соответственно верхней и нижней частей колонны:

= 0,57 · 32 +(1 - 0,57) · 18 = 25,99 кг/кмоль

= 0,11 · 32 +(1 - 0,11) · 18 = 19,56 кг/кмоль

Мольная масса соответственно исходной смеси и дистиллята:

кг/кмоль

кг/кмоль

Подставим рассчитанные величины в уравнения и получим:

Средние массовые потоки пара в верхней и нижней частях колонны:

[1,c.230,ф.6.7]

, - средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны:

[1,c.230,ф.6.8]

Средние мольные составы паров для верхней и нижней частей колонны (0,98):

(0,98 + 0,55)/2 = 0,77 кмоль/кмоль смеси

(0,21 + 0,55)/2 = 0,38 кмоль/кмоль смеси

2.2 Скорость пара и диаметр колонны

1) Предельная скорость пара для ситчатых тарелок определяется по формуле:

с = 0,058 при расстоянии между тарелками 400мм [2, c.314, рис.7.2].

Определяем средние температуры паров и жидкости по данным равновесия

72 °С

87,5 °С

Плотность жидкости и пара в верхней и нижней частях колонны при средних температурах в них:

При средней температуре верхней части 72°С плотности жидкого метанола и воды соответственно равны 749 кг/м3 и 977 кг/м3 [2,c.495,т.IV]

По закону аддитивности:

= 749 · 0,57 + 977 · 0,43 = 847 кг/м3

При средней температуре нижней части 87,5°С плотности жидкого метанола и воды соответственно равны 727 кг/м3 и 966 кг/м3 [2,c.495,т.IV]

По закону аддитивности:

= 727 · 0,11 + 966 · 0,89 = 939 кг/м3

Допустимая скорость верхней и нижней части колонны соответственно равно:

1,84 м/c

2) Ориентировочный диаметр колонны:

Диаметр колонны в верхней части колонны:

[1,c.231,ф.6.12]

Диаметр колонны в нижней части колонны:

= (0,82 + 0,77)/2 = 0,8 м

Выберем стандартный диаметр обечайки колонны: [1,c.197]

d = 0,8 м. При этом рабочая скорость пара:

1,84 м/с

По [1, c.216] выбираем стандартную ситчатую тарелку ТС диаметром 800 мм:

Свободное сечение колонны S = 0,51 мІ;

Периметр слива Lc = 0,57 м;

Относительная площадь для прохода паров Fc = 9%;

Рабочее сечение тарелки ST = 0,41 мІ;

Диаметр отверстия d = 4 мм;

Шаг между отверстиями t = 8 мм;

Масса m = 21 кг.

Скорость пара в рабочем сечении тарелки:

1,84 · 0,785 · 0,82/0,41 = 2,25

2.3 Высота светлого слоя жидкости на тарелке и паросодержание барботажного слоя

Для ситчатых тарелок высоту слоя жидкости h0 находим по формуле для верхней части колонны:

[1,c.239,ф.6.39]

Для нижней части колонны:

= 0,03м - высота сливной перегородки;

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

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

метанола в верхней части колонны; [2,c.509,XXIV]

- воды в верхней части колонны;

- метанола в нижней части колонны;

- воды в нижней части колонны;

0,57 · 18,28 + 0,43 · 64,04 = 37,91 мН/м

0,11 · 16,84 + 0,89 · 61,12 = 56,18 мН/м

Вязкость жидкости в верхней части колонны:

0,3144 мПа·с [2,c.499,т.IX]

0,4018 мПа·с

0,2700 мПа·с

0,3278 мПа·с

= 0,57 · 0,3144 + 0,4018 · 0,43 = 0,35 мПа·с

= 0,11 · 0,2700 + 0,3278 · 0,89 = 0,32 мПа·с

Для верхней части колонны:

Паросодержание барботажного слоя е находят по формуле:

Для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

2.4 Коэффициенты диффузии и вязкости паров

Коэффициенты диффузии в жидкости для верхней части колонны:

[1,c.234,ф.6.22]

[1,c.234,ф.6.24]

0,57 • 0,584 + 0,47 • 1 = 0,76 мПа • с

0,11 • 0,584 + 0,89 • 1 = 0,95 мПа • с

Вязкости метилового спирта и воды взяты при 20°С [2, c.499,т.IX].

Плотности метилового спирта и воды взяты при 20°С [2,c.495,т.IV]

здесь

А = 1,19, В = 4,7 [2,c.278]

v1 = 59,24 - мольный объем метанола

v2 = 18,9 - мольный объем воды; [2,c.277, т.6.3]

Коэффициент диффузии в жидкости для нижней части колонны:

Коэффициент диффузии паров в верхней части колонны:

Коэффициент диффузии паров в нижней части колонны:

Коэффициент вязкости паров в верхней части колонны: [1,c.234,ф.6.21]

Здесь взяты вязкости паров метилового спирта и воды при 72°С.

Коэффициенты вязкости паров нижней части колонны:

Здесь взяты вязкости паров метилового спирта и воды при 87,5°С

2.5 Коэффициенты массопередачи и высота колонны

Коэффициент массопередачи в жидкости для верхней части колонны:

Коэффициент массопередачи в жидкости для нижней части колонны:

Коэффициент массопередачи в паровой фазе для верхней части колонны:

Коэффициент массопередачи в паровой фазе для нижней части колонны:

Переводим полученные коэффициенты массопередачи в нужную размерность на :

Расчет КПД методом Мерфи.

Коэффициент массопередачи:

Общее число единиц переноса на тарелку:

Локальная эффективность:

Фактор массопередачи:

Доля байпасирующей жидкости:

При факторе скорости

; [5, c.202]

Число ячеек полного перемешивания:

здесь L = 0,30м - длина пути жидкости соответствующей одной ячейке перемешивания.

Коэффициент m, который влияет на унос жидкости с тарелки:

а) верхняя часть колонны:

б) нижняя часть колонны:

Аналогичные расчеты проводим и для других точек результаты сводим в таблицу.

№ п/п	Параметр	Нижняя часть	Верхняя часть
1	x	0,10	0,20	0,30	0,40	0,50	0,60	0,70	0,80	0,90
2	m	2,00	1,13	0,80	0,77	0,40	0,40	0,40	0,40	0,30
3	Ky	0,034	0,038	0,039	0,039	0,041	0,041	0,041	0,041	0,042
4	noy	0,429	0,473	0,492	0,494	0,517	0,517	0,517	0,517	0,524
5	л	3,250	1,828	1,300	1,251	0,650	0,650	0,650	0,650	0,488
6	Ey	0,349	0,377	0,389	0,390	0,404	0,404	0,404	0,404	0,408
7	B	1,31	0,92	0,74	0,72	0,50	0,50	0,50	0,50	0,44
8	Emy``	0,452	0,456	0,454	0,454	0,450	0,450	0,450	0,450	0,449
9	Emy`	0,359	0,398	0,411	0,413	0,428	0,428	0,421	0,428	0,432
10	Emy	0,332	0,364	0,376	0,377	0,390	0,390	0,384	0,390	0,393
11	yk	0,39	0,55	0,64	0,71	0,76	0,81	0,86	0,91	0,96

По данным таблицы строим кинетическую линию на рис. 6.

По рисунку определим, что число действительных тарелок 12.

Nв = 6 шт. - в верхней части колонны;

Nн = 6 шт. - в нижней части колонны.

Высота тарельчатой части колонны определяется по формуле:

Н = h · (n - 1) + Zв + Zн = 0,5 · (12 - 1) + 0,6 + 1,5 = 7,6 м, здесь

Zв=0,6 м - высота сепарационного пространства;

Zн=1,5 м - высота кубовой части [1, c.235].

3. Конструктивный расчет

Диаметр штуцера для ввода исходной смеси:

, принимаем 50 мм,

Здесь - скорость потока жидкости при подачи насосом [3, c.16],

Диаметр штуцера для вывода паров из колонны:

, принимаем 300 мм,

- расход паров;

- скорость потока насыщенных паров [3, c.16].

Диаметр штуцера для ввода флегмы:

, принимаем 50 мм,

- расход флегмы;

- скорость при перекачивании насосом [3, c.16];

Диаметр штуцера для ввода паров из кипятильника:

, принимаем 400 мм,

- скорость насыщенных паров [3, c.16];

Диаметр штуцеров для слива кубового остатка и жидкости из куба для подачи в кипятильник:

, принимаем 65 мм,

Здесь - скорость потока при движении самотеком [3, c.16];

4. Гидравлический расчет

Гидравлическое сопротивление тарелок колонны определяет по формуле:

где и гидравлическое сопротивление тарелки соответственно верхней и нижней частей колонны, Па.

Полное гидравлическое сопротивление тарелки складывается из трех слагаемых:

1) Гидравлическое сопротивление сухой клапанной тарелки [1, c.244]:

Здесь - коэффициент сопротивления сухой ситчатой тарелки [1, c.210]

2) Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя на тарелках различно для верхней и нижней частей колонны:

3) Гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

Тогда полное гидравлическое сопротивление одной тарелки верхней и нижней частей колонны равно:

Полное гидравлическое сопротивление ректификационной колонны:

5. Техника безопасности

Сосуды, на которые распространяются «Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» ПБ 03-576-03, далее «Правила», должны эксплуатироваться с их требованиями.

Остальные сосуды должны эксплуатироваться с требованиями инструкций РУА-93, нормами ОСТ 26-291-94, «Системы технического обслуживания и ремонта оборудования предприятий химической промышленности». Обслуживание сосудов должно поручатся лицам, достигшим 18-летнего возраста, прошедшим медицинское освидетельствование, производственное обучение, проверку знаний квалификационной комиссии, инструктаж по безопасному обслуживанию сосудов и имеющим удостоверение на права обслуживания сосудов Периодическая проверка знаний персонала по обслуживанию сосудов должна производиться не реже чем через каждые 12 месяцев.

Все сосуды на которые распространяются правила должны быть до пуска в работу зарегистрированы в органах Госгортехнадзора России и в технадзоре общества.

Инструкция должна находится на рабочих местах и выдаваться под расписку. На рабочих местах должны быть вывешены схемы включения сосудов. Обслуживающий персонал должен знать:

место расположение сосудов, их регистрационные номера, технологические номера, рабочие параметры, среду и их назначение;

Обязанности персонала по наблюдению и контролю за работой сосуда в течение смены;

порядок проверки исправности обслуживаемых сосудов и относящегося к ним оборудование к ним оборудование в рабочем состоянии;

порядок, сроки и способы проверки арматуры, предохранительных устройств, приборов автоматики, защиты и сигнализации;

I порядок пуска в работу и остановка сосуда, в том числе в зимний период времени; 1 меры безопасности при эксплуатации сосуда и выводе его в ремонт, дополнительные меры безопасности для сосудов с пожароопасной, взрывоопасной или ядовитой средой;

-случаи требующие аварийной остановки сосуда предусмотренное правилами ПБ 03-576-03

-действия персонала при ликвидации аварийной ситуации;

порядок введения сменного журнала (оформление приема и сдача смены, записки о проверках, производимые персоналом на смене, проверка записи лицом ответственным за безопасную эксплуатацию сосуда)

На каждом сосуде до пуска в эксплуатацию должна быть на видном месте красной краской сделана надпись или вывешенная специальная табличка 200*150 мм, где указывается:

А) регистрационный номер

Б) технологический номер

В) разрешенное давление

Г)число, месяц и год следующих внутреннего осмотра и гидравлического

испытания

После каждого периодического освидетельствования надпись меняется в соответствии с записью в паспорте сосуда в течение 10 дней.

Каждому паспорту сосуда, работающего под давлением должны быть приложены:

удостоверение о качестве монтажа, составленное монтажной организацией и подписанное руководителем этой организации, также руководителям организации, являющейся владельцем сосуда, и скрепленное печатями;

схема включения сосуда с указанием источника давления, параметров рабочей среды, арматуры, контрольно-измерительных приборов, средств автоматического управления, предохранительных и блокирующих устройств. Схема должна быть утверждена техническим директором общества; паспорт предохранительного клапана с расчетом его пропускной способности.

Включать сосуд в эксплуатацию разрешается только по письменному. Распоряжается только по письменному распоряжению лица, ответственного за Исправное состояние и безопасное действие сосуда. Обо всех обнаруженных неполадках в работе и целостности сосуда лицо, ответственное за исправленное состояние, должно сообщать в бюро технадзора общества и УПО Гостехнадзора России.

Работа сосуда должна быть запрещена, если истек срок очередного технического освидетельствования, истек ресурс эксплуатации сосуда, установленной заводом- изготовителя или истек срок ресурса работы, определенной экспертной организации или специализированной научно-исследовательской организации или выявлены дефекты, угрожающие безопасной работы сосуда.

Для управления работой и безопасных условий работы сосуд в зависимости от Назначения должны быть оснащены: I запорные или запорно-регулирующей арматурой приборами для измерения температуры - предохранительными устройствами и указателями уровня жидкости.

В тех случаях, когда по роду производства или вследствие действия содержимого в сосуде предохранительный клапан не может надежно работать, вместо него необходимо сосуд снабдить предохранительной мембраной. На патрубке между предохранительным клапаном и состоящей перед ним мембраной должен быть установлен штуцер с краником для контроля исправного состояния мембраной.

Эксплуатация, ревизия, ремонт, и периодичность проверки предохранительных устройств должны осуществляться в соответствии с РУПК-78 и инструкции завода - изготовителя.

Заключение

Данный курсовой проект представляет собой комплекс расчетно-графических работ, по конструированию, выбору ректификационной колонны и подбору вспомогательного оборудования к нему, для проведения технологических процессов в промышленности.

Спроектированный на основании расчетов и подборов аппарат позволяет проводить необходимые процессы с заданными параметрами.

В ходе проведения проектных и расчетных работ (конструктивный расчет, гидравлический расчет, расчет на прочность) выбраны конструктивные единицы, подтверждена механическая надежность, конструктивное совершенство аппарата. Эти факторы являются основными для высокопродуктивной, бесперебойной работы оборудования в промышленных условиях.

Список использованной литературы

1.Ю.И.Дытнерский "Основные ПАХТ" ? Пособие по проектированию. Г.С.Борисов, В.П.Брыков и др. Под ред. Ю.И.Дытнерского, 3-е издание, стереотипное. М.: ООО ИД альянс»,2007. - 496 с.

2.К.Ф.Павлов, П.Г.Романков, А.А.Носков "Примеры и задачи по курсу ПАХТ" Изд. 8-е, пер.и доп. JL, «Химия», 1986. - 552 с.

3.Н.Б. Варгафтик "Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей". М.:Физматгиз, 1963 . - 708 с.

4. А.А.Лащинский, А.Р.Толчинский; ”Основы конструирования и расчета химической аппаратуры: Справочник” под редакцией инж. Н.Н.Логинова. 4-е изд., ООО Торгово-Издательский Дом «Арис»,2010.-753 с.

5.Коган В.Б. “Равновесие между жидкостью и паром” Фридман В.М., Кафаров В.В.. Кн.1-2,М.-Л: Наука.1966. 640-786 с.

Размещено на Allbest.ru