Проект ректифікаційної колони

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

Кафедра процесів і апаратів харчових виробництв та технології консервування

РОЗРАХУНКОВО-ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА

До курсового проекту на тему:

«Проект ректифікаційної колони»

Виконав студент гр. ТБ-ІІ-3 Пашковський О. І.

Керівник проекту Зоткіна Л. В.

Київ НУХТ 2011

Зміст

Вступ

1. Описання проектованого апарата

2. Місце і призначення проектованого апарата в технологічній схемі

3. Розрахунки

3.1 Матеріальний баланс

3.2 Тепловий розрахунок

3.3 Конструкційний розрахунок

3.4 Гідравлічний розрахунок

3.5 Розрахунок теплової ізоляції

4. Техніко-економічний розрахунок

5. Умови безпечної експлуатації спроектованого апарата та питання екології

Література

ректифікаційний спиртовий колона промисловість

Вступ

Сучасна промисловість вимагає усе більше чистих матеріалів. Тому виробництво стає ще більш важливим, складним і дорогим, а технологіям з розділення речовин та їхньому очищенню від домішок приділяється все більша увага.

Найпоширенішою промисловою технологією поділу є ректифікація. Основи сучасної промислової ректифікації були закладені близько 40 - 50 років тому.

Ректифікація - складний багатоступінчатий процес перегонки в протитечії рідини і пари, який здійснюється в спеціальних апаратах - ректифікаційних колонах - і дає змогу розділяти суміш летких речовин на чисті компоненти. Суміші, що розділяються, можуть бути дво- та багатокомпонентними.

Фізична сутність процесу ректифікації закладена у двосторонньому масо- і теплообміні між нерівноважними потоками пари і рідини, що рухаються протитечійно, за високої турбулізації поверхонь контактуючих фаз. У результаті масообміну пара збагачується легколеткими, а рідина - важко леткими компонентами. При певному числі контактів можна отримати пару, що складається, в основному з легколетких компонентів, а рідину - з важко летких.

При взаємодії фаз у процесі ректифікації відбувається дифузія легколеткого компонента (ЛЛК) з рідини у пару і важколеткого компонента (ВЛК) з пари у рідину. Спосіб контакту двох потоків може бути ступінчастим ( тарілчаста колона) і безперервним (насадкова колона).

Призначення контактних пристроїв (тарілок, насадок) полягає у створенні умов, які сприяють максимальному наближенню контактуючих парового та рідинного потоків. Щоб ці потоки могли обмінюватись речовиною та енергією, вони повинні бути не рівноважними. При контакті потоків в результаті тепло- і масообміну величина нерівноважності зменшується, потоки відділяються один від одного і процес відбувається шляхом контакту цих фаз на іншому, суміжному ступені вже з іншими паровими і рідинними потоками. В результаті багаторазово повторюваного на послідовних тарілках (ступенях) контактування рідини і пари, що рухаються протитечійно по висоті колони, склади фаз суттєво змінюються: паровий потік, рухаючись вгору, збагачується ЛЛК, рідинний стікає вниз і збагачується ВЛК.

При достатньо великому шляху контакту потоків, що рухаються протитечією можна отримати в кінцевому результаті пару, що виходить з верхньої частини колони і являє собою більш-менш чистий ЛЛК, конденсація якого дає дистилят, а з нижньої частини - порівняно чистий ВЛК (кубовий залишок).

Рідинний потік (флегма) утворюється за рахунок часткової конденсації пари, що виходить з верхньої частини колони в спеціальних конденсаторах-дефлегматорах чи підводиться в колону у вигляді живлення. Для створення парового потоку в колоні в її нижню частину вводиться певна кількість тепла за рахунок безпосереднього вводу граючої пари (відкритий обігрів) чи через спеціальний теплообмінник, поверхня якого занурена в киплячий кубовий залишок (закритий обігрів).

Рис. 1 Схеми ректифікаційних установок: 1-дефлегматор; 2-колона

Найчастіше суміш, що потрібно розділити, в рідкому, пароподібному чи змішаному вигляді подають у середню частину колони (рис. 1,а). Частина колони, розташована вище вводу живлення, називається концентраційною, а частину, розташовану нижче - відгонною або виснажною. Верхня тарілка відгінної частини називається тарілкою живлення або живильною.

Колона, що має відгінну і концентраційну частину, називається повною ректифікаційною колоною.

В такій колоні створюються найбільш сприятливі умови для отримання обох компонентів суміші практично у чистому вигляді, проте можлива самостійна робота і відгінної чи концентраційної колон (неповні колони).

З нижньої частини неповної відгінної колони (рис. 1, б) у рідкому вигляді відводиться практично чистий ВЛК, над верхньою тарілкою утворюється пара, дещо збагачена ЛЛК.

В неповну концентраційну колону (рис. 1, в) суміш для розділення вводять у вигляді пари під нижню тарілку. Із верхньої частини концентраційної колони відводять у вигляді пари практично чистий ЛЛК, а з нижньої тарілки отримують флегму, дещо збагачену ВЛК.

На відміну від повної ректифікаційної колони, в неповних колонах для подальшого збагачення дистиляту відгінної колони ЛЛК чи залишку концентраційної колони ТЛК необхідна їх додаткова ректифікація.

Зрошення флегмою, необхідне для проведення ректифікації, у відгінних колонах досягається шляхом подачі живлення у рідкому вигляді на верхню тарілку. Зважаючи на відсутність дефлегматора для утворення флегми неповні відгінні колони вважаються відкритими.

В повних і концентраційних колонах зрошення відбувається за рахунок частини конденсату пари, що виходить з колони. Інша частина пари утворює дистилят-верхній продукт колони, тому зрошення і відбір дистиляту кількісно пов'язані між собою.

Рис. 2 Способи зрошення колон: 1-дефлегматор; 2-колона; 3-конденсатор

Відбирати дистилят дозволяється після часткової чи повної конденсації пари (рис.2,а і б).

Обігрів колон може здійснюватись, як відкритою парою, так і закритою.

Для розділення багатокомпонентних сумішей застосовується кілька послідовно працюючих ректифікаційних колон, кожна з яких розділяє живильну суміш на дистилят, що складається з одного чи кількох ЛЛК та залишок, що складається з одного чи кількох ВЛК. Наприклад для розділення суміші, що складається з трьох компонентів на фактично чисті складові (рис. 3) необхідні дві повні колони. В першій з них (варіант І) суміш може ділитися на чистий ЛЛК А, що відбирається у вигляді дистиляту у верхній частині колони та два менш летких компонента Б+В, що відбираються у вигляді залишку у нижній частині колони. У другій колоні залишок з першої колони, що складається з двох компонентів, розділяється на свої практично чисті компоненти Б і В. Однак процес розділення може бути організовано так, як указано в другому варіанті. В цьому випадку у другій колоні підлягає розділенню дистилят першої.

В загальному випадку для розділення суміші із n компонентів потрібно n-1 колон.

За технічним призначенням ректифікаційні установки спиртової промисловості поділяються на сирцеві, установки для ректифікації спирту-сирцю, браго ректифікаційні і установки для абсолютованого спирту.

Окрім цього, в спиртовій промисловості використовується кілька установок для розгонки сивушних масел і головної фракції. При переробці спиртовмісних відходів лікеро-горілчаної і виноробної промисловості застосовують установки, що працюють за принципом простої перегонки, інколи доповнені дефлегмацією або ректифікаційною колоною з невеликим числом тарілок (3-10). Аналогічні установки застосовують інколи для часткової регенерації спирту.

Сирцеві ректифікаційні установки призначені для отримання спирту-сирцю з бражки. У них разом з етиловим спиртом з бражки виділяються майже всі леткі домішки, супутні спирту. В склад спирту-сирцю окрім етанолу входять вода і інші леткі домішки (інші спирти, кислоти, альдегіди у т.д.).

Установки для ректифікації спирту-сирцю призначені для очищення спирту-сирцю від супутніх домішок, в результаті чого з нього отримують ректифікований спирт.

В брагоректифікаційних установках суміщені технологічні операції сирцевих установок і установок для ректифікації спирту-сирцю. Вони дозволяють отримувати ректифікований спирт напряму з бражки з меншими затратами енергії, води, робочої сили і при менших втратах спирту.

За способом дії ректифікаційні установки поділяють на безперервно і періодично діючі. У спиртовому виробництві використовують в основному безперервно діючі установки.

За кількістю колон ректифікаційні установки поділяють на одно- та багатоколонні. Сирцеві установки, як правило - одноколонні, брагоректифікаційні - багатоколонні.

В залежності від тиску, що застосовується в колоні, їх поділяють на вакуумні (працюють під розрідженням), атмосферні і ті, що працюють під надлишковим тиском.

Колони ректифікаційних установок в залежності від внутрішніх пристроїв, що забезпечують контакт між парою та рідиною, поділяють на тарілчасті, насадкові і ротаційні (з деталями, що обертаються).

Загалом процес ректифікації є одним з найбільш розповсюджених у технологіях нафтохімічної, коксохімічної, газової, фармацевтичної і є основним способом виділення і очистки етилового спирту спиртовій, гідролізній, сульфітно-спиртовій та хімічних галузях.

1. Описання проектованого апарата

Завданням даної роботи є створення оптимальної конструкції апарата при мінімальних затратах на її виготовлення та експлуатацію та забезпечення необхідної продуктивності у 4500 дал/добу.

Для розділення суміші етанол-вода використовують повну ректифікаційну колону, що складається з концентраційної та відгінної частин і дає можливість розділити бінарну суміш на більш-менш чисті компоненти.

Вибір особливостей конструкції визначає конструктивний розрахунок, завданням якого є визначення основних робочих та геометричних параметрів апарата.

Будова проектованого апарата:

Як правило, апарати даного типу складаються із частин циліндричної форми (царг) - цільнозварних конструкцій, зварених встик і, в свою чергу між собою поєднаних зварним з'єднанням чи розбірним болтовим. Матеріалом для виготовлення царг найчастіше є антикорозійна нержавіюча сталь. Висота царги напряму залежить від діаметра і кількості реальних тарілок. Для даної колони висота складових частин коливається від 1466 (куб з опорою) до 1742 мм - верхня частина. Висота проміжних царг становить 1500 мм. Кількість контактних пристроїв для даної колони складає 26. Їх розподіл по висоті колони визначається діаметром і величиною міжтарілкового простору. При діаметрі колони 600мм та величині між тарілкового простору 250 мм середня кількість тарілок, що припадає на одну царгу складає 6 (в кубовій -2). Число царг становить 5.

Загальна висота колони, враховуючи кришку і опору становить 8034 мм, робоча - 7225 мм.

На основі довідкових даних для даного апарата обирають найбільш поширені в спиртовій промисловості багатоковпачкові тарілки:

Рис. 3 Багатоковпачкова тарілка

Такі пристрої забезпечують найбільш щільний контакт між паровими та рідинними потоками по всій висоті колони.

Роботу апарата також забезпечує різноманітне додаткове обладнання - дефлегматори, кип'ятильники тощо.

Для підводу живлення, відведення кубового залишку, парів дистиляту, конденсату нагрівної пари тощо в колоні у відповідних її частинах монтуються патрубки.

Колона працює при атмосферному тиску.

Обігрів апарата відбувається закритою парою у винесеній з колони поверхні нагріву. Догрів живильної суміші до температури кипіння в колоні здійснюється за рахунок винесеної поверхні нагріву - кожухотрубного теплообмінника, через який безперервно циркулює кубовий залишок і створюється паровий потік.

Рис. 4 Схема підключення поверхні нагріву до колони

Принцип дії апарата (згідно з кресленням):

На тарілку живлення 19 через патрубок И при температурі, близькій до температури кипіння подається бінарна суміш етанол-вода з відомим вмістом ЛЛК, що підлягає розділенню. Суміш потрапляє в куб 1, куди через патрубок Д в нагрівний пристрій поступає нагрівна пара і здійснює нагрів суміші до температури кипіння. При безперервному кипятінні рідини виділяється пара, збагачена ЛЛК. Піднімаючись по колоні, вона виходить назовні через патрубок відводу парів дистиляту Г і потрапляє у дефлегматор, де частина сконденсованого дистиляту відводиться з робочої зони, а частина знову повертається в колону через патрубок повернення флегми Е, що розміщений над верхньою тарілкою колони. В результаті цього створюється протитечій ний рух парової і рідинної фаз і їх контакт у площині контактного пристрою і здійснюється перерозподіл компонентів на кожній ступені (тарілці), пара збагачується ЛЛК і піднімається вгору, флегма збагачується ВЛК і стікає вниз. При достатньо великому шляху контакту потоків, що рухаються протитечією можна отримати в кінцевому результаті пару, що виходить з верхньої частини колони і являє собою більш-менш чистий ЛЛК, конденсація якого дає дистилят, а з нижньої частини - порівняно чистий ВЛК (кубовий залишок). Кубовий залишок відводиться з апарата через патрубок З, розміщений в днищі куба, сконденсована нагрівна пара - через патрубок Ж.

2. Місце і призначення проектованого апарата в технологічній схемі

В ректифікаційній колоні здійснюється безперервний нерівноважний процес розділення вихідної бінарної суміші на дистилят з високим вмістом легколеткого компонента і кубовий залишок, збагачений важко летким компонентом.

Вихідна суміш 29 із проміжної ємності Е1 відцентровими насосами Н1 і Н2 подається у підігрівник П, де нагрівається до температури кипіння за рахунок пари 2, що є теплоносієм в даному підігрівачі. Вихідна суміш 29 з температурою, близькою до кипіння і вмістом ЛЛК x_m подається для розділення в колоні на тарілку живлення. Стікаючи вниз по колоні, рідина взаємодіє з парою 35, що утворюється при кипінні кубового залишку в кип'ятильнику К. Початковий склад пари приблизно рівний складу кубового залишку x_r. В результаті масообміну з рідиною пара збагачується ЛЛК. Для більш повного збагачення Верхню частину колони КР зрошують частиною дистиляту (флегмою) складом x_d. Пари дистиляту 36 виходять з верхньої частини колони КР і потрапляють у конденсатор-дефлегматор Д, куди з мережі також підводиться охолоджувальна вода 1. Як уже зазначалось, частина конденсату-дистиляту 37 у вигляді флегми повертають до колони, а інша його частина після розподілювача надходить до холодильника Х2, де остаточно охолоджується водою 1 і зливається в проміжну ємність Е3, звідки потім відкачується відцентровим насосом Н4 для подальшого використання.

З нижньої частини колони КР відбувається забір кубового залишку 38, який в свою чергу також охолоджується в холодильнику Х1 за допомогою охолоджувальної води 1 і зливається у проміжну ємність Е2, звідки потім відкачується насосом Н3.

Як теплообмінна апаратура в процесах ректифікації найчастіше використовуються кожухотрубні теплообмінники. За перебігом даного процесу проводиться суровий контроль за допомогою вимірювальної апаратури рівня середовищ, температури, тиску, витрат, що запобігає нераціональному використанню ресурсів та аваріям на виробництві. Вимірювальна апаратура встановлюється:

1) для замірів рівня середовища - на проміжних ємкостях та кубі;

2) для замірів температури - на трубопроводі вводу живильної суміші в колону КР, у верхній частині колони, на трубопроводі для підводу флегми в колону, на трубопроводах підведення охолоджувальної води в холодильники, дефлегматор, на виході з холодильників тощо;

3) для замірів тиску;

4) для замірів витрат - на виході води з холодильника дистиляту, на виході кубового залишку з холодильника, на вході живильної суміші в колону.

3. Розрахункова частина

Вихідні дані:

1) Продуктивність колони за вихідною сумішшю М=4500 дал/добу;

2) Вміст ЛЛК у живильній суміші х_м=25% мас., у дистиляті х_d=92,5% мас., у кубовому залишку - 2%мас.;

3) Живильна суміш подається в апарат при температурі t_m=80єС;

4) Обігрів колони здійснюється закритим способом, тиск нагрівної пари складає 0,18 Мпа;

5) Апарат працює при атмосферному тиску, тиск в апараті складає 0, 1 МПа;

6) Коефіцієнт надлишку флегми в=1,7;

7) Контактні пристрої - ковпачкові тарілки із показником ККД з=0,5.

3.1 Матеріальний баланс ректифікаційної колони

Завданням даної частини розрахунку є визначення продуктивності апарата по дистиляту та кубовому залишку, визначення середніх масових витрат по рідині і парі у відгінній (нижній) та концентраційній (верхній) частинах колони.

Попередньо виконують переведення розмірності значення продуктивності за вихідною сумішшю M із дал/добу у кг/с:

;

Звідки за густиною вихідної суміші при t_m=80, с=921 кг/м³ [4, с. 83] маємо:

.

Продуктивність колони за дистилятом D та кубовим залишком визначають з рівнянь матеріального балансу колони [1, с. 126, формули VII.1]:

(3.1.1)

Звідки визначають:

;

.

Навантаження ректифікаційної колони по пару і рідині визначається значенням робочого флегмового числа V за рівнянням [5, с.48, формула 2.5]:

, (3.1.2)

де в=1,7- коефіцієнт надлишку флегми, приймається за довідковими даними;

_,

V_min - мінімальне флегмове число [1, с. 126, формула VII.2]:

де X_m i X_d - мольні долі легколеткого компонента відповідно у вихідній суміші та дистиляті, кмоль/кмоль суміші;

Y_m^* - концентрація легколеткого компонента в парі, що знаходиться в рівновазі з вихідною сумішшю; 0,461 кмоль/кмоль суміші [2, с.196, табл.10].

Перераховується вміст фаз із масових у молярні долі за відношенням [1, с. 126, формула VII.3]:

, (3.1.4)

де M_cп - молекулярна маса складової суміші - етанолу, 46 кг/моль;

М_вод - молекулярна маса складової суміші - води, 18 кг/моль.

Отримують:

Аналогічно знаходять: X_d=0,828 кмоль/кмоль суміші; Х_r=0,0079 кмоль/кмоль суміші.

Тоді мінімальне флегмове число рівне:

Робоче флегмове число рівне:

Середні масові навантаження по рідині для верхньої та нижньої частин колони визначаються зі співвідношень [1, с.126, формули VII.4 та VII.5]:

(3.1.5)

,(3.1.6)

де М_d i M_m - молярні маси дистиляту і вихідної суміші;

М_в і М_н - середні молярні маси рідини у верхній і нижній частинах колони.

Молярну масу дистиляту в даному випадку можна прийняти рівній молярній масі етанолу. Молярна маса рідини у верхній і нижній частинах колони відповідно дорівнює [1, с.127, формула VII.6]:

, (3.1.7)

де Х_ср.в і Х_ср.н - середній молярний склад рідини відповідно у верхній та нижній частинах колони:

Тоді

Молярна маса вихідної суміші:

Підставивши, отримаємо:

Середні масові потоки пари у верхній G_в і нижній G_н частинах колони відповідно дорівнюють [1, с.127, формула VII.7):

, (3.1.8)

де і - середні молярні маси парів у верхній та нижній частинах колони [1, с.127, формулаVII.8]:

, (3.1.9)

Де

Тоді

Підставивши, отримують:

3.2 Тепловий розрахунок ректифікаційної колони

Питома витрата пари - важливий параметр, що характеризує роботу ректифікаційної колони. Витрата пари визначається із рівняння теплового балансу колони. При закритому обігріві рівняння теплового балансу буде таким [5, с.48, формула 2.12]:

, (3.2.1)

де с_m, c_d, c_r - питома теплоємність відповідно вихідної суміші, дистиляту, кубового залишку, кДж/(кгЧК);

i_п, і_d - ентальпія нагрівної пари та пари дистиляту, кДж/кг;

t_m, t_d, t_r - температура відповідно вихідної суміші, дистиляту, кубового залишку;

Q_в - втрати теплоти в навколишнє середовище, при розрахунку приймають Q_в=0,02Рi_п.

З рівняння теплового балансу отримують загальні витрати пари на процес ректифікації:

Продуктові потоки в данних рівняннях виражаються у кг/год. Тоді мають:

М=0,48Ч3600=1728 кг/год;

D=0,12Ч3600=432 кг/год;

R=0,36Ч3600=1296 кг/год.

а) для вихідної суміші М при t_m=80єС теплоємність обираємо по довіднику [ 5, с. 56, таблиця Д.7], с_m=4,42 кДж/(кгЧК);

б) для дистиляту D температуру t_d визначають з довідника відносно вмісту в ньому ЛЛК [2, с.197, табл.12]: t_d=78єC, аналогічно п.А визначають теплоємність дистиляту, c_d=3,1 кДж/кг;

в) аналогічно п. А і Б визначаємо температуру і теплоємність кубового залишку R: t_r=98єC, c_r=4 кДж/(кгЧК);

г) ентальпія гріючої пари і_п визначається за заданим тиском Р=0,18 МПа з довідникових джерел[5, с.57, табл..Д.9]: і_п=2702 кДж/кг;

д) ентальпія пари дистиляту визначається з довідника за рівноважним вмістом ЛЛК в парі y_d до вмісту ЛЛК в дистиляті х_d [4, с.86, табл. 130]: i_d=1182 кДж/кг;

е) ентальпія конденсату гріючої пари і_п=с_кЧt_k: температуру конденсату t_k приймають рівну температурі кубового залишку t_r, ентальпію обирають з довідникових джерел: t_k=98єC, c_k=4,23 кДж/(кгЧК).

Підставивши дані, отримують:

Або, в кг/с

.

Витрати пари на 1 дал безводного спирту в дистиляті, кг/дал [5, с.51, формула 2.13]:

(3.2.2)

де с_сп - густина етилового спирту, 789 кг/м³ [4, с.84, табл.127].

Тоді

3.3 Конструкційний розрахунок ректифікаційної колони

Даний розділ зводиться до визначення основних конструктивних показників експлуатованого апарата - кількості реальних тарілок, робочої швидкості пари, діаметра, висоти апарата, кількості та розмірів патрубків.

Вибір робочої швидкості пари обумовлений багатьма факторами і звичайно здійснюється шляхом техніко-економічного розрахунку для кожного конкретного процесу. Для ректифікаційних колон, що працюють в плівковому режимі при атмосферному тиску, робочу швидкість можна приймати на 20-30% нижче швидкості «захлинання».

У колоні з ковпачковими тарілками гранично допустиму швидкість рекомендується розраховувати за рівнянням [1, с.110, формула VI.35]:

, (3.3.1)

де d_k - діаметр ковпачка, м;

h_k - відстань від верхнього краю ковпачка до тарілки, що розташована вище, м.

Діаметр ковпачка d_k приймається згідно номенклатур заводів-виробників і є рівним 80мм [1, с.114], h_k приймається рівна 170 мм.

Розрахунок швидкості проводиться для верхньої та нижньої частин колони.

Знаходять густини рідини с_хв і с_хн і пари с_ув і с_ун у верхній та нижній частинах колони при середніх температурах у них t_в і t_н. Середні температури парів приймаємо приблизно:

t_в=89єC; t_н=102єС.

Тоді [1, c.128, формула VII.10]:

(3.3.2)

Густини рідин с_хв і с_хн беруть за таблицями густин для води (нижня частина) і етанолу (верхня частина) в залежності від температури [5, c.55,59, табл. Д5, Д10]:

с_хв=760 кг/м³;

с_хн=960 кг/м³.

Підставивши, отримують:

;

Діаметр розраховують із рівняння витрат [1, с.128, формула VII.12]:

(3.3.3)

Підставивши, отримують:

.

За номенклатурами заводів-виробників обладнання діаметр колони приймаємо рівним 600 мм.

При цьому дійсна швидкість пари для обох частин колони[1, c.131]:

(3.3.4)

де d_н - діаметр за номенклатурами завода-виробника.

Підставивши, отримують:

Кількість реальних тарілок визначається графічним методом та за рівняннями робочих ліній процесу:

а) для верхньої частини колони [5, с.49, формула 2.8]:

; (3.3.5)

б) для нижньої частини колони [5, с.50, формула 2.10]:

. (3.3.6)

Кількість дійсних тарілок визначають за формулою [5, с.50, формула 2.12]:

,(3.3.7)

де з - ККД для даного типу тарілок (дається у вихідних даних), з=0,5;

n_т - кількість тарілок, отриманих графічно (теоретичних).

Підставивши, маємо:

Загальна висота колони визначається з рівняння [2, с.133, формула VII.62]:

, (3.3.8)

де H_т - міжтарілчатий простір, м;

h₁ - відстань від верхньої тарілки до кришки колони, м, h₁=1,5H_т;

h₂ - відстань між днищем та нижньою тарілкою, м, h₂=d=0,6м.

Н_т - величина міжтарілкового простору, визначається як екологічнимими, так і технологічними, конструктивними, економічними факторами. З довідкових джерел обирають [7, с. 125] значення Н_т=250 мм.

Підставивши, отримують:

Розрахунок патрубків зводиться до визначення основних розмірів (діаметру) комунікаційних пристроїв апарата. До розрахунку підлягають патрубки для підведення вихідної суміші, відведення кубового залишку, пари дистиляту, а також патрубок підведення флегми.

Діаметри патрубків розраховують за рівнянням [2, с. 133, формулаVII.70]:

(3.3.9)

де P - витрата продукту, що переміщається по трубопроводу, м³/с;

w_пр - швидкість руху продукту в трубопроводі.

а) патрубок підведення вихідної суміші

Спочатку розраховують витрату продукту з формули [2, с.133, формула VII.71]:

(3.3.10)

де е-продуктивність колони, е=0, 052 дал/с;

М - витрата продукту, M=1,48 моль/дал;

М_м - молярна маса вихідної суміші, М_м=21, 22 кг/моль;

с_м - густина вихідної суміші.

Підставивши, отримують:

Тоді діаметр патрубка для підводу живильної суміші при w_пр=2 м/с [1, с.10]:

;

б) по аналогії здійснюють розрахунок діаметра патрубка для відводу парів етанолу при w_пр=20 м/с[1, с.10]:

d=0,15м=150мм;

в) розрахунок патрубка відведення кубового залишку

Об^,ємні витрати кубового залишку R^*=R/с_к.з.;

с_к.з = с_хн=960 кг/м³;

w=0,5 м/с [1, с.10].

Діаметр розраховують за формулою (3.3.9):

d=0,32 м=32 мм;

г) патрубок підведення нагрівної пари

P^*=P/с_p;

де с_р - густина нагрівної пари, за тиском Р=0, 18 МПа с_р=1, 023 м³/с [5, с. 57-58, табл. Д. 9]:

Р^*=0, 14 м³/с;

w=20 м/с [1, с.10];

d=0,094м=94мм;

д) патрубок повернення флегми в колону

Обємні витрати флегми

f=VD/с=(0,12Ч1,85)/760=0,0003 м³/с;

w=0,5 м/с [1, с.10]

d=0,028м=28мм;

е) діаметр патрубка відводу конденсату нагрівної пари приймаємо, як 75% від діаметра патрубка подачі нагрівної пари

Тоді

d=0,75Ч0,94=70,5 мм

Для зручності проектування усі отримані діаметри патрубків закруглюємо в більшу сторону і отримуємо:

а) d=40 мм;

б) d=150 мм;

в) d=40 мм;

г) d=100 мм;

д) d=30 мм;

е) d=71 мм.

3.4 Гідравлічний розрахунок

Гідравлічний розрахунок зводиться до визначення гідравлічних характеристик контактних пристроїв.

а) Загальна площа горловин ковпачків визначається з формули [2, с. 131, формула VII.47]:

F₁=цF, (3.4.1)

де ц - живий переріз тарілки, для даного типу тарілок і даного діаметра колони цей показник вибираємо за номенклатурами виробника [1, с. 114], ц=10%;

F - повна площа тарілки,

F=р(d_кол./2)²=0,28 м².

Тоді

F₁=0,1Ч0,28=0,028 м²;

б) При діаметрі горловини d₁ (обираємо з довідникових джерел, d₁=55 мм=0,055м [7, с.92]), кількість горловин складає [2, с.131, формула VII.48]:

, (3.4.2)

Підставивши, отримують:

.

Порівнюючи з номенклатурою виробника [1, с.114], вибирають n=13.

Горловини рівномірно розподіляють по всій площі тарілки.

в) Висота шару рідини над зливною планкою h_зл обираємо по довідці [1, с.132], h_зл=0,03 м;

г) Висота зливної планки L_зл приймається рівною 30 мм.

д) Загальна втрата тиску на тарілці визначається з рівняння [2, с. 131, VII.51]:

?Р_заг=?Р_с+?Р_пр+?P_у, (3.4.3)

де ?Р_с - опір сухої тарілки, Па;

?Р_пр - опір паро рідинної суміші, Па;

?P_у - опір за рахунок впливу поверхневого натягу.

Значення ?P_у для ковпачкових тарілок невелике і при розрахунку цією величиною нехтують.

Опір сухої тарілки [2, с. 131, формула VII.52]:

, (3.4.4)

де о - коефіцієнт опору, вибирається по довідковим даним для даного типу тарілок [1, с. 112], о=4,0;

w₁ - швидкість пари в горловині ковпачка, береться, як середня для всієї колони:

w₁=(w_в+w_н)/2=(0, 86+1, 17)/2=1,015 м/с;

с_п - густина пари, береться,як середня для всієї колони:

с_п=(с_ув+с_ун)/2=(1,22+0,83)/2=1, 025 кг/м³;

F_c - живий переріз колони, %.

Підставивши, отримують:

Опір парорідинного шару визначають з формули [2, с.132, формула VII.53]:

?Р_пр=с_сzg,

де z-глубина барботажу, z=0,03 м [1, с. 135];

с_с - густина паро рідинної суміші,

с_с=(с_хв+с_хн)/2=(760+960)/2=860 кг/м³;

g - прискорення вільного падіння, м²/с.

Тоді

?Р_пр=860Ч0,03Ч9,8=252,84 Па.

Повний гідравлічний опір колони:

?Р_заг=(252,84+211,2)Ч26=12065 Па.

3.5 Розрахунок теплової ізоляції апарата

Щоб зменшити втрати теплоти в навколишнє середовище і забезпечити необхідні умови охорони праці (температура стінок не може перевищувати 50єС), зовнішні поверхні гарячих (або сильно охолоджених) стінок апаратів і трубопроводів покривають одним чи кількома шарами теплоізоляційних матеріалів, які мають низький коефіцієнт теплопровідності (звичайно менше, ніж 0,2 Вт/(мЧК)).

Товщина ізоляції визначається з формули [10, с. 148, формула VI.23]:

(3.5.1)

де л - коефіцієнт теплопровідності ізоляційного матеріалу, для обраного матеріалу - шлакової вати л=0,076 Вт/(мЧК) [2, с.194, табл.5];

t_a - температура в апараті, 95,5єС;

t_і - температура на поверхні ізоляції, 45єС;

t_п - температура оточуючого повітря, 25єС;

б - сумарний коефіцієнт тепловіддачі від стінки до повітря, Вт/(м²ЧК):

б=9, 76+0,07Ч( t_і- t_п)=9,76+0,07(45-25)=11,16 Вт/(м²ЧК).

Підставивши, отримують:

4. Техніко-економічний розрахунок

Витрати на процес перегонки суміші визначають з рівняння [2, с. 130, формула VII.44):

К=К_а+К_р+К_п+К_с+К_з, (3.6.1)

де К_а - амортизаційні відрахування на колону, віднесені до 1 дал спирту, що подається в колону із живильною сумішшю;

К_р=К_а - витрати на поточний ремонт;

К_п - витрати на гріючу пару;

К_с - вартість спирту, що втрачається із кубовим залишком;

К_з - амортизаційні відрахування на будівлю цеху ректифікації та витрати на його ремонт.

1. К_а=NЧC_т, (3.6.2)

де N - кількість реальних тарілок у колоні, 26;

С_т - амортизаційні відрахування на одну реальну тарілку, 50Ч10^-3.

Тоді

К_а=26Ч50Ч10^-3=1,3 грн/дал.

2. Витрати на гріючу пару:

К_п=РЧС_п. (3.6.3)

де С_п - вартість 1 кг реальної граючої пари, 0,5 грн./кг;

Р=0,14 кг/с.

К_п=0,07грн/дал

3. К_с=АЧС_с, (3.6.4)

де А - кількість спирту в кубовому залишку на кожен декалітр спирту в живильній суміші, дал/дал;

С_с - відпускна ціна 1 дал спирту, грн, 100 грн.

А=(M_dЧX_rЧM_c)/с_с (3.6.5)

А=(46,07Ч0,79Ч46,07)/789=0, 021 дал/дал

К_с=0,021Ч100=21 грн/дал

4. К_з=NЧC_з, (3.6.6)

де С_з - відрахування на амортизацію цеху браго ректифікації,0,5;

N - кількість реальних тарілок, 26;

К_з=26Ч0,5=13 грн/дал.

5. Загальні витрати на перегонку

К=К_а+К_р+К_п+К_с+К_з=1,3+1,3+0,07+21+13=36,67 грн/дал

5. Умови безпечної експлуатації спроектованого апарата та питання екології

Екологічні вимоги до експлуатації апарату

При проектуванні, розміщенні, будівництві, введенні в дію нових і реконструкції діючих підприємств, споруд та інших об'єктів, удосконаленні існуючих та впровадженні нових технологічних процесів та устаткування, а також в процесі експлуатації цих об'єктів забезпечується екологічна безпека людей, раціональне використання природних ресурсів, додержання нормативів шкідливих впливів на навколишнє середовище. При цьому повинні передбачатися вловлювання, утилізація чи ліквідація, виконання інших вказівок щодо охорони навколишнього природного середовища, здоров'я людей.

Проекти господарської та іншої діяльності повинні мати матеріали оцінки її впливу на навколишнє природне середовище і здоров'я людей.

Виробництво, яке проектується, будується або реконструюється, повинно бути науково обґрунтованим у відношенні якості оточуючого природного середовища за екологічною безпекою. Підприємство обов'язково повинне вести господарську діяльність у відповідності до Законів України:

«Охорона оточуючого середовища» та «Екологічна експертиза», а також із іншими актами законодавства України та галузевими нормативними документами. Забороняється будь-яке порушення екологічних стандартів, приховування інформації про екологічний стан об'єкта. Підприємства повинні забезпечувати екологічну безпеку на основі комплексу наступних заходів:

1) всебічної екологічної, економічної оцінки впливу підприємства на якість оточуючого середовища, на використання та поновлення природних ресурсів, на здоров'я населення;

2) науково обґрунтовані впровадження сучасних досконалих, не матеріало- та не енергоємних технологічних процесів, які передбачають раціональне використання природних ресурсів;

3) економія водних ресурсів, забезпечення очистки всіх видів стічних вод;

4) забезпечення охорони рослинного та тваринного світу;

5) забезпечення захисту населення та оточуючого природного середовища від шкідливого впливу антропогенних фізичних, хімічних та біологічних факторів.

Умови безпечної експлуатації спроектованого апарата

Пари спирту та супутних йому домішок навіть при невеликому вмісті у повітрі шкідливі для обслуговуючого персоналу і у певних співвідношеннях з повітрям утворюють вибухонебезпечну суміш. Спирт та його домішки легко займаються і тому також дуже небезпечні у пожежному відношенні.

На організм людини етанол справляє наркотичний вплив, викликаючи спочатку збудження, а при дії великих доз - розлад і параліч нервової системи. Гранично допустима концентрація (ГДК) парів етанолу в повітрі виробничих приміщень 1000 мг/м³ (ГОСТ 12.1.005-88).

Етанол - легкозаймиста рідина. Температура межі займання насичених парів етанолу в повітрі від 11 до 41є С; область займання парів етанолу при атмосферному тиску від 3,6 до 19% (за об'ємом), від 68 до 340 г/м³. Температура самозаймання 404є С, спалаху 13є С.

Категорія і група вибухонебезпечної суміші етанолу з повітрям І1А-Т2- згідно з ГОСТ-12.1.011-78. Приміщення ректифікації етилового спирту відноситься за пожежо - і вибухонебезпечністю до категорії А згідно з СНіГТ 11-90-81 і класу В 1а (ПУЕ). Вони повинні мати надійно працюючу вентиляцію і необхідні засоби пожежогасіння.

Спорудження і обладнання приміщень ректифікаційних відділень слід вести з суровим дотриманням норм і правил пожежної безпеки для споруд, що відносяться до класу А і по вибухонебезпечності - до класу В-1А.

У ректифікаційному відділенні необхідно контролювати і попереджувати утворення вибухонебезпечних концентрацій парів спирту. Вміст парів спирту в повітрі контролюється за допомогою сигналізатора СГГ чи СКВ-3М з газоаналізатором. По досягненні гранично допустимої концентрації спирту в повітрі приміщення прибор вмикає примусову вентиляцію, а при подальшому її підвищенні - звуковий сигнал (сирену) і вимикає електричну мережу живлення.

Повітревідвідники для відводу газів, що не конденсуються із спиртовловлювачів повинні бути виведені за межі ректифікаційного відділення і обладнані вогневими запобіжниками.

Приміщення повинно мати природну, механічну приточно-витяжну і аварійну вентиляцію, виконану у відповідності до СНіГТ ІІ-33-75; бути обладнано пристроями для автоматичного пожежогасіння (паром, піною чи діоксином вуглецю), а також засобами пожежогасіння:ящиками з піском і лопатами, войлочним чи азбестовим полотном, вогнегасниками типу ОХП, ОУ і ОП.

Електропроводка, електродвигуни та пускачі допускаються лише у вибухозахищеному виконанні. При переміщенні спирту і його домішок виникає статична електрика, тому для попередження іскрового розряду необхідно забезпечити заходи із захисту від неї. Колони, ємкості, трубопроводи, насоси для спиртопродуктів та інше обладнання, де можуть виникати заряди статичної електрики, а також металеві поручні сходів мають бути заземлені. Всі з'єднання струмопроводів мають бути зварними. Опір струмопроводів та контуру заземлення не має перевищувати 100 Ом.

Ректифікаційну установку після монтажу чи капітального ремонту необхідно випробувати на герметичність водою і парою.

У процесі експлуатації апарата забороняється:

- працювати, якщо є витоки спирту в сальниках, трубопроводах, фланцевих з'єднаннях та інших елементах установки;

- застосовувати відкритий вогонь, виконувати роботи з нагрітими металевими предметами (паяльниками), з устаткуванням й інструментом, які можуть дати іскру;

- зберігати в ректифікаційному відділенні самозаймисті матеріали;

- підвищувати надлишковий тиск у колонах над нормативний;

- чистити окремі апарати під час роботи ректифікаційної установки;

- експлуатувати установку при недостатньому забезпеченні її охолоджуючою водою і парою;

- експлуатувати установку при наявності неполадок у апаратурі, що працює під тиском, і парових комунікацій;

- при експлуатації ректифікаційних установок повертати гарячі спиртопродукти (під сивушну воду, лютерну воду і др.) в бродильне та інші відділення заводу;

- при експлуатації ректифікаційних установок користуватись переносними електросвітильниками, що працюють від освітлювальної та силової мережі.

Для освітлення апаратів всередині при ремонті, чистці й огляді застосовують лише низьковольтні переносні лампи (12…24 В). Для переносного освітлення при експлуатації установки треба обов'язково користуватись електричним ліхтарем з напругою 2…3,5 В.

Усі колони, що працюють під надлишковим тиском, повинні мати по два запобіжні клапани типу 12С22НЖ чи верхній та нижній вакуум-переривачі. Трубопровід після запобіжного клапана має бути виведений за межі приміщення в атмосферу. Апарати, що працюють під розрідженням (колони, барометричний конденсатор, випарювач барди), обладнуються тільки запобіжними клапанами.

Перед ремонтом установок або окремих її елементів треба ретельно стягнути спирт з установки, промити й пропарити водяною парою колони, дефлегматори, конденсатори, холодильники, трубопроводи та ін., а ємності, де містився спирт, залити повністю водою.

Перед зварювальними роботами всередині ректифікаційного відділення необхідно закінчити стягування спирту з установки не менш, ніж за 2 години до початку зварювання; повністю видалити спирт з установки, лічильників спирту і спиртоприймального відділення у спиртосховищі; ретельно провітрювати приміщення.

При проведенні зварювальних робіт не дозволяється вносити в приміщення ректифікації балони з киснем, горючим газом та газові апарати.

Усі працівники виробництва повинні знати і суворо дотримуватись правил техніки безпеки й охорони праці, правил технічної експлуатації ректифікаційного обладнання та його герметизації.

Перед входом до ректифікаційного та спиртового відділень і на робочих місцях повинні бути розміщені знаки безпеки і таблички з написами «Не палити», «Вибухонебезпечно», «Стороннім вхід суворо заборонено».

Усі роботи по монтажу і експлуатації ректифікаційних установок повинні виконуватись в повній відповідності з «Правилами по техніці безпеки в спиртовій і лікеро-горілчаній промисловості» і «Правилами безпеки на вибухонебезпечних і пожежонебезпечних хімічних виробництвах» (ПБВХП-74) чи іншими діючими документами з безпеки спиртового виробництва.

Літературні джерела

1. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Под ред. докт. техн. наук проф. Ю. И. Дытнерского. М.: Химия, 1983. 272 с.; 2-е изд., 1991. 496с.

2. Проектирование процессов и аппаратов пищевых производств/ Под ред. В. Н. Стабникова. Киев: Вища школа. Головное изд-во, 1982. 199 с.

3. Технологія спирту / Маринченко В. О., Домарецький В. А., Шиян П. Л., Швець В.М. К., Вінниця: НУХТ, Поділля, 2000, 2003. 496 с.

4. И.А. Чубик, А. М. Маслов. Справочник по теплофизическим константам пищевых продуктов и полуфабрикатов. М.: Издательство «Пищевая промышленность», 1965. 154 с.

5. Процеси і апарати харчових виробництв. Метод. вказівки до викон. контр. робіт для студентів технолог. спец. заочної форми навчання / Укладачі: І. Ф. Малєжик, Л. В. Зоткіна, П. М. Немирович, О. В. Саввова. К.: НУХТ, 2000. 48 с. (№ 6050).

6. Стабников В. Н. Перегонка и ректификация этилового спирта. М.: Пищ. пром-сть, 1969. 456 с.

7. Цыганков П. С., Цыганков С. П. Руководство по ректификации спирта. М.: Пищепромиздат, 2001. 400с.: ил. 111. Табл. 30. Библиогр. 6.

8. Цыганков П. С. Ректификационные установки спиртовой промышленности: (расчет, анализ работы, эксплуатация). М.: Лег. и пищ. пром-сть, 1984. 336 с.

9. Соколов В. И. Основы расчета и конструирования машин и аппаратов пищевых производств: Учебник для втузов по специальности «Машины и аппараты пищевых производств». М.: Машиностроение, 1983. 477 с.

10. Процеси і апарати харчових виробництв: Підручник / За ред. проф. І. Ф. Малєжика. К: НУХТ, 2003. 400 с.

Размещено на Allbest.ru