Назначение и характеристика процесса

Введение

 

Ректификация - разделение жидких однородных смесей на составляющие вещества или группы составляющих веществ в результате взаимодействия паровой смеси и жидкой смеси. Это массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаев в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными используемыми в процессе абсорбции.

Возможность разделения жидкой смеси на составляющие её компоненты ректификацией обусловлена тем, что состав пара, образующегося над жидкой смесью, отличается от состава жидкой смеси в условиях равновесного состояния пара и жидкости.

 

Технологическая часть

Назначение и характеристика процесса

Сущность процесса ректификации рассмотрена на примере разделения двухкомпонентной смеси по заданию на курсовую работу, где требуется рассчитать ректификационную установку для разделения смеси «этиловый спирт-метиловый спирт».

Ректификационная установка даёт наиболее полное разделение смесей жидкостей, целиком или частично растворимых друг в друге. Процесс заключается в многократном взаимодействии паров с жидкостью - флегмой, полученной при частичной конденсации паров. В ректификационном аппарате снизу вверх движутся пары, а сверху подается жидкость, представляющая собой почти чистый НКК. При соприкосновении поднимающихся паров со стекающей жидкостью происходит частичная конденсация паров и частичное испарение жидкости. При этом из паров конденсируется преимущественно ВКК, а из жидкости испаряется преимущественно НКК. Таким образом, стекающая жидкость обогащается ВКК, а поднимающиеся пары обогащаются НКК, в результате чего выходящие из аппарата пары представляют собой почти чистый НКК. Эти пары поступают в конденсатор, называемый дефлегматором, и конденсируются. Часть конденсата, возвращаемая на орошение аппарата, называется флегмой, другая часть отводится в качестве дистиллята.

Как и во всех массобменных процессах эффективность ректификации зависит от поверхности контакта фаз. Для увеличения поверхности массобмена используют различные контактные устройства насадочного или барботажного типа. Наиболее распространенными ректификационными установками являются барботажные колонны с различными типами тарелок: колпачковыми, ситчатыми, провальными и т.п.

В данной курсовой работе рассмотрены основы процесса ректификации, классификация ректификационных колонн по конструкции внутреннего устройства, по периодичности действия и по способу организации движения потоков контактирующих фаз. Кроме того, представлены основные требования по выбору того или иного типа колонны. Согласно заданию на курсовую работу, в котором указаны компоненты бинарной смеси: этанол-вода, выбрана колонна с ситчатыми тарелками, и проведен её расчет по исходным данным, указанным в задании. Выполнен материальный и тепловой балансы, определены основные размеры аппарата и подобраны нормализованные конструктивные элементы.

ректификация смесь паровой этанол

Описание технологической схемы процесса

 

Рассмотрим технологическую схему ректификационной установки (рис1).

Исходная смесь из подогревателя Т-1, где нагревается до температуры кипения, поступает на питающую тарелку ректификационной колонны К-1. Стекая по тарелкам жидкость, попадает в куб, из которого поступает в кипятильник Т-3. Из кипятильника пары жидкости поступают в нижнюю часть колонны и двигаются навстречу исходной смеси, барботируя через нее и обогащаясь низкокипящим компонентом. Выходя из колонны пары, попадают в дефлегматор Т-2 и конденсируются. Дистиллят поступает в разделитель Р-1, где разделяется на два потока: одна часть в качестве флегмы возвращается в колонну и стекает по тарелкам вниз, обогащаясь при этом высококипящим компонентом, а другая часть в качестве готового продукта поступает в приемную емкость.

 

Расчетная часть

Материальный расчет

Из уравнения материального баланса:

 

G_D+G_W=G_F

 

Для дальнейших расчетов выражаю концентрацию питания, кубового остатка и дистиллята в мольных долях

Питание:

 

 

Дистиллят:

 

 

Кубовый остаток:

 

Относительный мольный расход питания

 

 

Строю кривую равновесия по данным из справочника (Рис. 3):

 

 

Где у^*_F=0.594 - мольная доля метанола в паре, равновесном с жидкостью определена по равновесной кривой.

Рабочее число флегмы

 

 

Уравнения рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части колонны

 

 

б) нижней (исчерпывающей) части колонны

 

 

На кривой равновесия строю прямую по полученной формуле. Нахожу точку А и соединяю её с точкой С.

Получаю теоретическое число тарелок

Nниж=19

Nверх=12

 

Рис. 3 Кривая равновесия

 

t,0C	x	y	t,0C	x	y
78,3	0	0	70,8	0,5	0,626
77,2	0,05	0,074	69,4	0,6	0,723
76,5	0,1	0,143	68,2	0,7	0,798
75	0,2	0,271	66,9	0,8	0,866
73,6	0,3	0,396	65,9	0,9	0,932
72,2	0,4	0,515	64,9	1,0	1,0

Технологический расчет

Определяю скорость пара и диаметр колонны:

Средние концентрации жидкости

а) в верхней части колонны

 

 

б) в нижней части колонны

 

 

Средние концентрации пара нахожу по уравнениям рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части колонны

 

 

б) нижней (исчерпывающей) части колонны

 

 

Средние температуры пара определяю по диаграмме t - хy (Рис. 4)

 

Рис. 4 Диаграмма t, х-y

 

а) при y’_cp=0.745, t=69⁰C

б) при y’’_cp=0.277, t=75⁰C

Средние мольные массы и плотности пара:

 

 

Средняя плотность пара в колонне:

 

 

Плотность метанола при 69⁰С =747.300 кг/м³

Плотность этанола при 75⁰С =740.000 кг/м³

Средняя плотность жидкости в колонне:

ρ_Ж=(747.3+740)/2=743.650 кг/м³

Определяю скорость пара:

Т.к. плотности жидкости намного больше плотности пара, применяю формулу для расчета рекомендуемой скорости пара

 

 

По данным каталога-справочника «Колонные аппараты» принимаю расстояние между тарелками h=300 мм. Для ситчатых тарелок по графику (1, рис. 7.2) нахожу С=0,032

 

 

Объемный расход проходящего через колонну пара при средней температуре в колонне t_ср=(68.7+74.7)/2=71.7⁰С

 

Где M_D=0.964*32.042+0.036*46.069=32.537 кг/кмоль - мольная масса дистиллята

Диаметр колонны:

 

 

Выбираю по каталогу-справочнику «Колонные аппараты» для колонн с ситчатыми тарелками D=3,6 м.

Тогда скорость пара будет

 

Тепловой расчет

 

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе:

 

 

Здесь

 

 

r_М и r_Э - удельные теплоты конденсации метанола и этанола при 74,7⁰С Расход теплоты получаемой в кубе-испарителе от греющего пара

 

Здесь тепловые потери Q_пот приняты в размере 3% от затрачиваемой теплоты, удельные теплоемкости смеси взяты при соответствующих температурах.

Расход теплоты в подогревателе исходной смеси

 

 

Расход теплоты отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята:

 

 

Расход греющего пара, имеющего давление р_абс=3 кгс/см² и влажность 5%:

В кубе-испарителе

 

 

Где r_г.п.=1606*10³ Дж/кг - удельная теплота конденсации греющего пара

В подогревателе исходной смеси

 

Всего 14.454 кг/с

Расход охлаждающей воды при нагреве её на 20⁰С

а) в водяном холодильнике дистиллята

 

 

б) в дефлегматоре

г) в водяном холодильнике кубового остатка

Всего 0.243794 м³/с или 877.658 м³/ч.

 

Гидравлический расчет

 

Принимаю следующие размеры ситчатой тарелки:

Диаметр отверстий d₀=4 мм, высота сливной перегородки h_п=40 мм.

Свободное сечение тарелки (суммарная площадь) отверстий 8% от общей площади тарелки. Площадь, занимаемая двумя сегментными переливными стаканами составляет 20% от общей площади тарелки.

Рассчитываю гидравлическое сопротивление тарелки в верхней и нижней части колонны по уравнению

 

 

а) Верхняя часть колонны:

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки

Сопротивление обусловленное силами поверхностного натяжения

 

Где σ =0,0186 Н/м (2, Прил.V) - поверхностное натяжение метанола при температуре в верхней части колонны 69⁰С, d₀=0,004 м - диаметр отверстий тарелки

Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке

 

 

Высота парожидкостного слоя

 

 

Величину Δh - высоту слоя над сливной перегородкой рассчитываю по формуле

 

 

Где V_Ж - объемный расход жидкости, м³/с; П=6,75 м - периметр сливной перегородки (4, стр. 216), k=ρ_ПЖ/ρ_Ж - отношение плотности парожидкостного слоя (пены) к плотности жидкости, принимаемое приближенно равным 0.5

 

 

Где М_ср =0,716*32,042+0,284*46,069=35,292 - средняя мольная масса жидкости, кг/моль

Нахожу Δh:

Высота парожидкостного слоя на тарелке:

 

h_ПЖ= h_П+Δh=0.016+0.04=0.056 м

 

Сопротивление парожидкостного слоя:

 

 

Общее гидравлическое сопротивление

 

 

б) Нижняя часть колонны

 

 

Где σ =(19*0,38+18,6*0,62)/1000=0,0187 Н/м (2, Прил.V) - поверхностное натяжение смеси при температуре питания 65⁰С

 

 

(М_F=0,38*32,042+0,62*46,069=40,739 кг/кмоль)

h_ПЖ= h_П+Δh=0.020+0.040=0.060 м

 

Проверим, соблюдается ли при расстоянии между тарелками h=0.3 м необходимое для тарелок условие

 

 

Наибольшее сопротивление в нижней части колонны

Следовательно условие соблюдается

Проверяю равномерность работы тарелок - рассчитаю минимальную скорость пара в отверстиях ω_0мин, достаточную для того, чтобы ситчатая тарелка работала всеми отверстиями.

 

 

Тарелки будут работать всеми отверстиями

Список использованной литературы

ректификация смесь паровой этанол

1. Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу ПАХТ, Л, Химия. 1978 г.

2. Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии. М, Химия, 1991 г.

.   Романков П.Г. Процессы и аппараты химической промышленности Л, Химия. 1989 г.

.   Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии, М.; Химия, 1991 г.

Введение

 

Ректификация - разделение жидких однородных смесей на составляющие вещества или группы составляющих веществ в результате взаимодействия паровой смеси и жидкой смеси. Это массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаев в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными используемыми в процессе абсорбции.

Возможность разделения жидкой смеси на составляющие её компоненты ректификацией обусловлена тем, что состав пара, образующегося над жидкой смесью, отличается от состава жидкой смеси в условиях равновесного состояния пара и жидкости.

 

Технологическая часть

Назначение и характеристика процесса

Сущность процесса ректификации рассмотрена на примере разделения двухкомпонентной смеси по заданию на курсовую работу, где требуется рассчитать ректификационную установку для разделения смеси «этиловый спирт-метиловый спирт».

Ректификационная установка даёт наиболее полное разделение смесей жидкостей, целиком или частично растворимых друг в друге. Процесс заключается в многократном взаимодействии паров с жидкостью - флегмой, полученной при частичной конденсации паров. В ректификационном аппарате снизу вверх движутся пары, а сверху подается жидкость, представляющая собой почти чистый НКК. При соприкосновении поднимающихся паров со стекающей жидкостью происходит частичная конденсация паров и частичное испарение жидкости. При этом из паров конденсируется преимущественно ВКК, а из жидкости испаряется преимущественно НКК. Таким образом, стекающая жидкость обогащается ВКК, а поднимающиеся пары обогащаются НКК, в результате чего выходящие из аппарата пары представляют собой почти чистый НКК. Эти пары поступают в конденсатор, называемый дефлегматором, и конденсируются. Часть конденсата, возвращаемая на орошение аппарата, называется флегмой, другая часть отводится в качестве дистиллята.

Как и во всех массобменных процессах эффективность ректификации зависит от поверхности контакта фаз. Для увеличения поверхности массобмена используют различные контактные устройства насадочного или барботажного типа. Наиболее распространенными ректификационными установками являются барботажные колонны с различными типами тарелок: колпачковыми, ситчатыми, провальными и т.п.

В данной курсовой работе рассмотрены основы процесса ректификации, классификация ректификационных колонн по конструкции внутреннего устройства, по периодичности действия и по способу организации движения потоков контактирующих фаз. Кроме того, представлены основные требования по выбору того или иного типа колонны. Согласно заданию на курсовую работу, в котором указаны компоненты бинарной смеси: этанол-вода, выбрана колонна с ситчатыми тарелками, и проведен её расчет по исходным данным, указанным в задании. Выполнен материальный и тепловой балансы, определены основные размеры аппарата и подобраны нормализованные конструктивные элементы.

ректификация смесь паровой этанол