Выбор и расчет принятой конструкции колонны ректификации

Введение

В химической технологии для  разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или большего числа  компонентов, широко используются процессы перегонки.

Перегонка основана на различии температур кипения, парциальных давлений и летучестей  отдельных компонентов, составляющих исходную смесь.

В широком смысле перегонка  представляет собой процесс, включающий частичное испарение разделяемой  смеси и последующую конденсацию  образующихся паров, осуществляемые однократно (дистилляция) или многократно (ректификация).

В результате конденсации  паров получается жидкость – дистиллят (ректификат), состав которого отличается от состава исходной смеси и содержит больше низкокипящего компонента. Неиспарившаяся часть жидкости носит название кубовой жидкости (кубового остатка) и содержит больше высококипящего компонента.

Процесс многократного взаимодействия между неравновесной жидкой и  паровой фазами при их противоточном, относительно друг друга, движении называется ректификацией.

При ректификации между фазами происходит массо- и теплообмен, обусловленный стремлением системы к состоянию равновесия. В результате каждого контакта компоненты перераспределяются между фазами: пар обогащается низкокипящим компонентом, а жидкость высококипящим компонентом. Многократный контакт жидкости и пара приводит к практически полному разделению исходной смеси. Таким образом, отсутствие равновесия и разности температур при движении фаз является необходимым условием проведения процесса ректификации.

Темой настоящего курсового  проекта является проектирование тарельчатой  ректификационной колонны для разделения бинарной смеси ацетона и этилового  спирта.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Описание схемы ректификационной установки

Процесс непрерывной ректификации осуществляется в ректификационной установке, включающей колонну ректификации, подогреватель исходной смеси, дефлегматор, кипятильник кубовой жидкости, холодильники дистиллята и кубового остатка, сборники продуктов разделения и насосное оборудование.

Основным аппаратом установки  является колонна ректификации, в  которой пары, поднимающиеся из куба колонны, взаимодействуют со стекающей  сверху жидкостью.

Конечными продуктами разделения являются дистиллят (конденсированные пары легколетучего компонента) и  кубовый остаток (высококипящий  компонент).

Принципиальная схема  установки приведена на рисунке 1.1.

 

Рисунок 1.1 – Принципиальная схема ректификационной установки

1 – емкость для  исходной смеси; 2,9,12 – насосы; 3 –  теплообменник-подогреватель;

4 – кипятильник; 5 –  ректификационная колонна; 6 – дефлегматор; 7 – холодильник дистиллята;

8 – емкость для  сбора дистиллята; 10 – холодильник  кубовой жидкости; 11 – емкость  для кубовой жидкости.

 

Работа установки осуществляется следующим образом.

Исходную смесь из промежуточной  емкости 1 центробежным насосом 2 подают в теплообменник 3, где она подогревается  до температуры кипения. Нагретая смесь  поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где  состав жидкости равен составу исходной смеси  .

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся  вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка , т.е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым число жидкостью (флегмой) состава , получаемой в дефлегматоре 6 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения – дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в промежуточную емкость 8.

Из кубовой части колонны  непрерывно выводится кубовая жидкость – продукт, обогащенный труднолетучим  компонентом, который охлаждается  в теплообменнике 10 и направляется в емкость 11.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный  неравновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием  легколетучего  компонента) и кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).

Для автоматизации процесса, регистрации, контроля и регулирования  его параметров в технологической  схеме предусмотрены следующие  контрольно-измерительные приборы и средства автоматизации:

• Регулирование уровня жидкости () в емкостях исходной смеси, кубового остатка и дистиллята, за счет подачи исходной смеси в емкость и отбора продуктов разделения потребителю или на дальнейшую переработку;
• Регулирование температуры исходной смеси на входе в колонну после подогревателя, верха и низа колонны, дистиллята и кубовой жидкости на выходе из холодильников, за счет подачи греющего пара, флегмы и охлаждающей воды;
• Регулирование давления на нагнетающих линиях насосов, пара на входе в теплообменную аппаратуру, верха и низа колонны.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Конструкция колонны и выбор конструкционного материала

2.1 Описание конструкции  колонны и обоснование ее выбора

Современные ректификационные аппараты можно классифицировать /1,2/ в зависимости от технологического назначения, давления и типа внутренних устройств, обеспечивающих контакт  между паром и жидкостью.

В зависимости от применяемого давления аппараты подразделяются на вакуумные, атмосферные и работающие под избыточным давлением.

В зависимости от вида внутренних контактных устройств различают  насадочные, тарельчатые и роторно-пленочные  аппараты.

К аппаратам предъявляются  следующие требования:

• Высокая разделительная способность, гибкость и надежность в работе;
• Высокая производительность;
• Низкие эксплуатационные расходы;
• Простота и технологичность конструкции.

Важными являются и такие  требования как легкость и удобство изготовления аппарата, монтажа и демонтажа, безопасность эксплуатации. Кроме перечисленных выше требований ректификационные аппараты должны отвечать также требованиям государственных стандартов, ведомственных нормативов и правил.

Выбор конструкции аппарата зависит /2/ от назначения аппарата и  его места в технологической  цепочке установки, состава разделяемой  смеси и требований к качеству разделяемых продуктов, а также  возможности уменьшения энергетических затрат.

В химической и нефтехимической  промышленности для ректификации применяют  исключительно насадочные и тарельчатые  колонны.

При температурах кипения  разделяемых жидкостей от до (температура кипения ацетона , температура кипения этилового спирта ) применяют ректификацию под атмосферным давлением.

Насадочные ректификационные колонны применяют главным образом  при ректификации в вакууме и  для разделения химически агрессивных  веществ. Учитывая, что процесс протекает  под атмосферным давлением, для  разделения исходной смеси примем тарельчатую  колонну.

В современных ректификационных тарельчатых колоннах используются различные конструкции контактных устройств, основное назначение которых  – создание максимально развитой поверхности контакта при взаимодействии фаз.

Основные типы наиболее часто  используемых в промышленности тарелок:

• Провальные (ситчатые, решетчатые);
• Со сливными устройствами (колпачковые, ситчатые, клапанные, струйные, с  S-образными элементами, балластные и др.).

Выбор типа контактного устройства основывается на опыте эксплуатации массообменной аппаратуры и рекомендаций /3/ с учетом технико-экономических  показателей, а также возможных  колебаний нагрузок по жидкости и  пару.

Провальные тарелки находят  применение в колоннах диаметром  не более . Их основной недостаток  - сравнительно небольшой интервал изменения нагрузок по пару и жидкости, в пределах которого поддерживается устойчивая и эффективная работа.

Учитывая это, принимаем  тарелки со сливными устройствами, тип тарелки – ситчатая ТС-Р, которая по сравнению с колпачковыми и клапанными тарелками имеет меньшую металлоемкость и трудоемкость изготовления.

Конструкция колонны приведена  на рисунке 2.1 и чертеже общего вида.

Аппарат состоит из цельносварного корпуса (1) с приварным эллиптическим  нижним днищем (2) и верхней съемной  эллиптической крышкой (3) с уплотнительной поверхностью - выступ-впадина. Для съема крышки колонна снабжена краном – укосиной (на рисунке не показан).

Корпус колонны устанавливается  на цилиндрическую вертикальную опору (4).

Внутри аппарата на опорных  рамах монтируются ситчатые тарелки ТС-Р (5): 7 штук в исчерпывающей части и 13 штук в укрепляющей части.

Для монтажа, демонтажа и  осмотра тарелок колонна снабжена люками (6) .

Для подачи и отвода соответствующих  технологических потоков колонна  снабжена штуцерами. Кроме этого  на колонне имеются штуцера под  контрольно-измерительные приборы  и средства автоматизации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.1 –  Конструкция колонны

 

 

 

 

 

2.2 Выбор конструкционного  материала

При выборе конструкционного материала учитываются следующие  факторы: рабочее давление в аппарате, температура среды и ее коррозионная активность. В данном случае скорость коррозии является главным фактором выбора материала, т.к. колонна работает под атмосферным давлением при сравнительно невысокой температуре. Также при выборе материала следует избегать дорогих и дефицитных материалов и при этом учитывать такие его свойства, как плотность, теплопроводность, пластичность и свариваемость.

Согласно /5/, в среде ацетона  и этилового спирта хорошо работают стали марок: 08Х13, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 0Х21Н5Т, 0Х21Н6М2Т, 0Х17Н13М2Т.

Сравнивая вышеперечисленные  материалы с учетом их применяемости  в химической промышленности и стоимости, принимаем в качестве основного  материала элементов колонны  (корпус, внутренние устройства, штуцера и люки) легированную сталь 08Х13  ГОСТ 1256 – 84. Скорость коррозии стали в рабочей среде менее .

Для изготовления стальных элементов  колонны, не соприкасающихся с рабочей  средой, используем:

• Опора – углеродистая сталь  Вст3сп5  ГОСТ 380 – 88;
• Крепежные изделия – сталь 08Х13  ГОСТ 1256 – 84;
• Прокладки – паронит  ПМБ  ГОСТ 481 – 80.

     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Технологический расчет колонны

3.1Цель расчета

Целью технологического расчета  колонны ректификации является составление  материального баланса, расчет диаметра колонны, числа тарелок и высоты аппарата, гидравлический и тепловой расчет колонны.

3.2 Исходные данные

Исходная смесь: ацетон (А) -этиловый спирт(В).

Производительность по исходной смеси                                                                     

Содержание легколетучего  компонента А (мол. доли)

в исходной смеси                                                                        

в дистилляте                                                                                 

в кубовом  остатке                                                                       

Давление греющего пара  

Температура исходной смеси, поступающей на установку 

Начальная температура охлаждающей  воды 

Расчет ведем согласно /4,6/.

3.3 Материальный  баланс колонны

Пересчитаем концентрации компонента А из мольных долей в массовые по формуле:

 

где ; - мольные массы соответственно компонентов А и В.

                                                  

 

Производительность колонны  по дистилляту и кубовому остатку определяется из материального баланса:

 

 

Откуда находим:

 

 

Относительный мольный расход питания:

 

 

По данным /8/ строим и  диаграммы, представленные соответственно на рисунках 3.1 и 3.2.

                      Рис. 3.1 –                                    Рис. 3.2 –  

Рис. 3.3 –  Изображение рабочих линий в  диаграмме  при действительном флегмовом числе

Минимальное флегмовое число определяется по формуле:

 

где =0,524- мольная доля компонента А в паре, равновесном с жидкостью питания, определяем по диаграмме .

 

Задавшись различными значениями коэффициентов избытка флегмы β, определим соответствующие флегмовые  числа. Графическим построением  ступеней изменения концентраций между  равновесной и рабочими линиями  на диаграмме состав пара y-состав жидкости x (рис. 3.1) находим N. Результаты расчетов рабочего флегмового числа приведены ниже:

Коэффициент избытка флегмы, β	Флегмовое число, R	Число теоретических тарелок, N
1,3	2,3	17,5	57,75
1,4	2,49	14,5	50,6
1,5	2,65	13,5	49,3
1,6	2,83	12,8	49,0
1,7	3,01	12,65	50,7
1,8	3,19	12,5	52,32