Расчет ректификационной установки непрерывного действия с разработкой ректификационной колонн

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство сельского хозяйства РФ

ФГБОУ ВПО

Курсовая работа на тему

Расчет ректификационной установки непрерывного действия с разработкой ректификационной колонн

Введение

Современная промышленность требует все больше чистых и особо чистых материалов. Поэтому производство становится еще более важным, сложным и дорогостоящим, а технологиям по разделению веществ и их очистке от примесей уделяется все большее внимание.

Наиболее распространенной промышленной технологией разделения является ректификация.

Ректификация известна с начала девятнадцатого века, как один из важнейших технологических процессов.

Ректификация - процесс разделения жидких гомогенных смесей путем взаимного обмена компонентами между жидкостью и паром, полученным испарением разделяемой смеси. Этот процесс основан на различной летучести компонентов, составляющих смесь, то есть на различии в температурах кипения компонентов при одинаковом давлении.

Компонент смеси, обладающий большей летучестью, называется легколетучим, а компонент с меньшей летучестью - труднолетучим. Поскольку легколетучий компонент кипит при более низкой температуре, чем труднолетучий, то их называют также низкокипящим и высококипящим компонентами.

Ректификацию применяют, например в спиртовой промышленности для получения спирта - ректификата. Так, если раствор этилового спирта в воде частично испарить, то в паровой фазе концентрация спирта окажется большей, чем в оставшейся жидкости и чем в исходном растворе. Если после этого пар сконденсировать, то в итоге получается две жидкости с различными концентрациями спирта в них. Повторение этого процесса может обеспечить все более и более высокую концентрацию спирта, то есть все более высокую степень разделения компонентов.

Процесс ректификации осуществляют в колоннах, представляющих собой вертикальные цилиндрические аппараты, с контактными устройствами. Наибольшее распространение в промышленности получили ректификационные колонны, в которых в качестве контактных устройств используются колпачковые, ситчатые и провальные тарелки.

Целью курсовой работы - расчет ректификационной установки непрерывного действия с разработкой ректификационной колонны.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

-обзор литературных источников и интернет ресурсов по применении процессов ректификации;

- анализ значимость ректификации;

- изучить технологический процесс ректификационной колонны;

- спроектировать общий вид ректификационной колонны и технологическую схему установки;

-определить основные геометрические размеры - диаметр, высоту колонны.

1. Общие сведения о процессе ректификации

ректификация параметр непрерывный технологический

Ректификация как и перегонка относится к наиболее распространенным методам разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или более летучих компонентов, обладающих разной летучестью при одной и той же температуре, то есть имеющих разную температуру кипения.

Ректификация представляет собой разделение смеси на составляющие компоненты путем многократного частичного испарения жидкости и конденсации паров. По существу ректификация является многократной перегонкой, осуществляемой при противоточном контакте жидкой и паровой фаз. Протекание процессов перегонки и ректификации определяется условиями фазового равновесия в системах жидкость - пар и зависит от свойств разделяемых жидких смесей. В общем случае смесь может состоять из нескольких компонентов, а простейшим является случай двухкомпонентной (бинарной) смеси. В теории и практике перегонки различают идеальные и неидеальные жидкие смеси. Идеальными жидкими смесями называют смеси, состоящие из полностью растворимых друг в друге компонентов, при смешивании которых не выделяется и не поглощается теплота, и не происходит изменение объема смеси. Идеальные смеси подчиняются закону Рауля, согласно которому парциальное давление компонента в паровой фазе равно давлению насыщения чистого компонента, умноженному на его мольную долю в жидкой смеси. То есть для бинарной смеси, состоящей из компонента «А» и компонента «В» имеем:

- давление насыщения легколетучего компонента «А» при данной температуре;

- давление насыщения труднолетучего компонента «В» при данной температуре;

Общее давление паровой фазы над раствором согласно закону Дальтона равно сумме парциальных давлений компонентов

В свою очередь, парциальное давление в паровой фазе пропорционально мольной ( объемной) доле соответствующего компонента в этой фазе. На рисунке 1 представлена диаграмма фазового равновесия в системе «жидкость-пар».

Рисунок 1. Диаграмма фазового равновесия в системе «жидкость-пар» для идеальной смеси

При понижении температуры относительная летучесть обычно увеличивается. Поскольку снижение давления приводит к понижению температуры кипения, то с уменьшением давления относительная летучесть будет расти. При этом выпуклость линии равновесия (рисунок 2) будет увеличиваться. Это обстоятельство используют для разделения смесей с близкими температурами кипения, когда значение а мало.

Рисунок 2. Диаграмма фазового равновесия в системе «жидкость-пар» для идеальной смеси (равновесная линия)

Для реальных смесей наблюдается отклонение от законов Рауля.

Отклонение может быть положительным и отрицательным.

Для реальных жидкостей, имеющих отклонение от закона Рауля на диаграмме фазового равновесия при определенной концентрации раствора может наблюдаться соприкосновение кривых, кипения жидкости и концентрации пара. Такая точка соприкосновения носит название азеотропной точки, а соответствующий ей состав смеси- азеотропным. Для азеотропной точки равновесные составы в жидкой и паровой фазы одинаковы, и азеотропная смесь не может быть разделена обычными методами перегонки и ректификации. Для разделения такой смеси необходимо изменять давление или применять другие методы разделения.

В частности, для водно-спиртовой смеси (для этилового спирта) равновесная линия имеет вид, представленный на рисунке 3.

Рисунок 3

Кривая равновесия водно- спиртовой смеси при давлении 760 мм рт. ст. имеем точку пересечения с диагонально при х=у=96,4% (азеотропная точка). Водно - спиртовая смесь с такой концентрацией называют спиртом-ректификатом. Именно к этой точке стремиться процесс ректификации и она соответствует предельной концентрации спирта, достижимой в этом процессе. При такой концентрации водно-спиртовая смесь имеет минимальную температуру кипения ( t=78,15°C при давлении 760 мм рт. ст.).

При ректификации, а в некоторых случаях и при перегонке, часть конденсата образующихся паров возвращается в аппарат. Эта возвращаемая часть дистиллята называется флегмой.

2. Технологическая схема ректификационной установки с описанием организации процесса ректификации

Процесс ректификации проводят в ректификационных колоннах- цилиндрических вертикальных аппаратах, снабженных контактными устройствами (тарелками различных конструкций) или заполненными насадкой из различных материалов. Жидкость стекает по колонне вниз, а пары поднимаются вверх. При контакте пара с жидкой фазой происходит частичная его конденсация, прежде всего высококипящего компонента. За счет выделяющейся при этом теплоты конденсации происходит частичное испарение жидкости, прежде всего низкокипящего компонента. Таким образом, при движении вверх по колонне пары обогащаются низкокипящим компонентом, а движущаяся вниз жидкость - высококипящим. При достаточно большом количестве контактных устройств или высоте слоя насадки на выходе из колонны можно получить практически чистые пары низкокипящего компонента. После конденсации выходящих из колонны паров часть дистиллята (флегма) возвращается в колонну на ее орошение, что позволяет поддерживать процесс ректификации.

Основным преимуществом ректификации по сравнению с простой перегонкой является то, что она позволяет осуществлять практически полное разделение смесей на составляющие компоненты. При этом подводимая извне теплота затрачивается только в кипятильнике для получения начального потока пара.

Ректификация может производиться как периодическим, так и непрерывным способом. Ниже представлена схема ректификационной установки непрерывного действия.

Рисунок 4. Схема ректификационной установки непрерывного действия: 1 - сборники; 2 - подогреватель: 3 - ректификационная колонна; 4-дефлегматор; 5-разделительный сосуд; 6-холодильники: 7-насосы; 8-кипятильник

Основным элементом ректификационной установки является ректификационная колонна. Место ввода исходной смеси в колонну называют питательной секцией (зоной). Часть колонны, расположенную выше питательной секции, называют укрепляющей частью, а расположенную ниже - исчерпывающей (отгонной) частью. Как правило, в колонну подают исходную смесь, подогретую до температуры кипения. Кипятильник может быть встроенным в нижнюю часть колонны, так и вынесенным за пределы колонны.

По конструкции ректификационные колонны бывают тарельчатыми и насадочными, которые обеспечивают разный способ контакта жидкой и паровой фаз. В тарельчатых колоннах тарелки представляют собой перфорированные горизонтальные перегородки с переливными устройствами. Над тарелками поддерживается слой жидкости, уровень которой определяется переливными каналами.

3. Расчет процесса ректификации и определение основных технологических параметров

Исходные данные:

Производительность по исходной смеси - Gf=1900кг/ч; массовая концентрация спирта в исходной смеси - af=31%дистилляте - ad=87%в кубовом остатке - aw =2.9,%; давление греющего пара - рг=0,29 МПа.

Определяем количество компонентов, получаемых в процессе ректификации.

На основании уравнений материального баланса имеем: количество дистиллята

• количество кубового остатка
• .

Поскольку равновесная и действительная линии концентраций для системы жидкость -- пар строятся в мольных долях, производим пересчёт массовых долей af, ad, aw легколетучего компонента (спирта) в мольные xf, xd по формулам

где, = 46 кг/кмоль и 18кг/кмоль - соответственно молярные массы легколетучего компонента (спирта) и труднолетучего компонента (воды).

Равновесную линию концентраций в системе жидкость - пар строим по экспериментальным данным для бинарной смеси «этиловый спирт- вода».

Выбор рабочего флегмового числа R представляет собой сложную задачу, поскольку его значение влияет на размерь: ректификационной колонны (диаметр, рабочая высота) и на расход греющего пара и воды. Обычно его находят по формуле

R = ? Rmin,

Где ? - коэффициент избытка флегмы, который принимают обычно в пределах ? - 1,2... 1,4; принимаем ? = 1,4.

Rmin - минимальное значение флегмового числа, найденное из условия, что на питающей тарелке значение концентрации легколетучего компонента в паровой фазе будет равно равновесному, т.е. yf = yfp.

При минимальном значении флегмового числа Rmin колонна должна иметь максимальные размеры, а количество флегмы и расход греющего пара будет минимальным.

При выбранном значении R уравнение рабочей линии для верхней (укрепляющей) части колонны имеет вид

• Для построения рабочей линии процесса на диаграмме у-х рассчитываем отрезок В, который отсекает линия для укрепляющей части на оси и проводим эту линию АВ при условии, что точка А лежит на диагонали диаграммы у --х и соответствует х= xd.

Отрезок рабочей линии DC для исчерпывающей нижней части колонны проводим из точки С, на диагонали диаграммы с координатой xw до пересечения с линией для укрепляющей верхней части колонны в точке D с координатой .

Значения температур принимаем равными температуре кипения водно-спиртовой смеси соответствующей концентрации (Приложение 1).

Значение теплоёмкости для водно-спиртовой смеси с массовой концентрацией спирта приближённо можно найти по формуле

,

Потери теплоты в окружающую среду составляют 3...5 % от затрат теплоты на сам процесс и таким образом общий расход теплоты можно рассчитать по формуле

;

Расход греющего пара находится по формуле

=738,682

где, и - энтальпия насыщенного пара и энтальпия конденсата. Эти значения находят по таблицам воды и водяного пара для соответствующего давления.

4 Расчет основных размеров ректификационной колонны

К основным размерам ректификационной колонны относятся ее диаметр D и рабочая высота Н.

Диаметр колонны определяем из условия обеспечения рабочей скорости пара в колонне по формуле

где, - объемный расход пара в колоне

- рабочая скорость пара м/с.

Предельно допустимую скорость пара находят по эмпирической формуле

=0,05

Среднюю плотность жидкости в колонне рассчитываем как полусумму плотности жидкости перегонном кубе и дистиллята.

Среднюю плотность пара, принимаем что над поверхностью жидкости в кубе пар имеет такую же мольную концентрацию как и кубовый остаток , а пар на выходе конце

=0,05

Рабочую скорость пара в колонне можно принять

=0,77

Действительное число тарелок находим сначала, определив графическим методом теоретическое количество тарелок .

Теоретическое количество тарелок находят, построив в пространстве между ступеньками между действительной и равновесной линий концентрации для системы жидкость - пар ( рис.3). При этом принимается, что на каждой тарелке достигается состояние равновесия и число ступеней равно количеству теоретических тарелок. Действительное число тарелок

Где - КПД тарелок, который принимают в пределах

Минимальное допустимое расстояние между тарелками принимают из условия обеспечения гидравлического затвора, т.е.

Скорость пара в отверстиях тарелки

=

=

где, - уточненное после корректировки диаметра колонны значение рабочей скорости, м/c;

- относительная площадь отверстий тарелки

Высота погружения прорезей принимают равной.

Высоту прорезей колпачка принимают в соответствии с их технической характеристикой.

Подпор жидкости над сливной перегородкой рассчитывается по значению расхода жидкости на единицу длины сливной перегородки

где, - средний расход жидкости в колонне.

Средний расход жидкости находим как полусумму расхода для верхней (укрепляющей) и нижней (исчерпывающей) части колонны.

Длина сливной линии перегородки является конструктивным размером колпачковой тарелки, и ее величину можно принять равной

Диаметры патрубков для ввода исходной смеси, пара из выносного кипятильника и вывода пара и кубового остатка из колонны рассчитываются по формуле

,

где, - диаметр соответствующего патрубка, м;

- массовый расход соответствующего компонента, кг/с;

- плотность соответствующего компонента, кг/

- скорость течения компонента в патрубке, м/c

При этом массовый расход составляет:

Для исходной смеси

=

=

Для кубового остатка

=

==0,27.

Для вывода пара из колонны

.

Диаметр патрубка для ввода пара из кипятильника можно принять одинаковым, как и для вывода пара из колонны, поскольку объемный расход пара по колонне практически неизменен.

Заключение

В данной курсовой работе рассмотрена тема разделения смесей с помощью процесса ректификации. Была выбрана наиболее эффективная ректификационная колонна с колпачковыми тарелками. Приведена и разработана технологическая схема ректификационной установки с описанием организации процесса ректификации.

Выполнен расчет материального баланса, флегмового числа, основных размеров колонны - высоты, диаметра. Рассчитан тепловой баланс колонны и расход тепла. Изучен технологический процесс ректификационной колонны.

В курсовой работе представлены чертежи: технологическая схема ректификационной установки непрерывного действия; основной аппарат ректификационная колонна.

Список литературы

1. Кавецкий I .Д., Васильев Б.В 11роцессы и аппараты пищевой технологии М: Колос. 2000. - 551 с.

2. Кавецкий Г'.Д. Расчёт ректификационной установки непрерывного действия: Учебное пособие по выполнению курсового проекта М. :МГЗИПП, 1998.-22с.

3. Процессы и аппараты пищевых производств: учеб. для вузов/А.Н. Остриков и др. ; под ред. А.Н.Острикоза. -СПб. : ГИОРД, 2012. -616с.

4. Харламов С.В. Практикум по расчету и конструированию машин и аппаратов пищевых производств: Учебн. пособие. - Л.: Агропромиздат, 1991. 256 с.

Размещено на Allbest.ur