Расчет ректификационной установки непрерывного действия с разработкой ректификационной колонн

Министерство сельского хозяйства РФ

ФГБОУ ВПО

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа на тему:

Расчет ректификационной установки непрерывного действия с разработкой ректификационной колонн.

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила:

Проверил

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

Расчетно-пояснительная записка

Введение

1. Основные сведения о процессе ректификации.
2. Технологическая схема ректификационной установки с описанием организации процесса ректификации.
3. Расчет процесса ректификации и определение основных технологических параметров.
4. Расчет и выбор основных конструктивных параметров ректификационной колонны.

Заключение.

Литература.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 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:

 и

где,

 

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

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

- мольная доля компонента «А» в жидкости.

 

 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, то есть

 

 и  ,

где,

  - мольная доля компонента «А» в паровой фазе.

Таким образом, для условия фазового равновесия имеем:

 

 и 

Из предыдущего выражения можно найти мольную долю компонентов в паровой фазе:

 и

На рисунке 1 представлена диаграмма фазового равновесия в системе «жидкость-пар».

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

Для идеальных бинарных растворов зависимость между равновесными составами жидкой и паровой фаз может быть построена по уравнению

 

 

где,

=

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. При положительном отклонении

При отрицательном -

 

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 4.

 

 

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 5. 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», приведённым в приложении 1,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 6. Построение рабочей линии процесса и графическое определение числа тарелок

Для построения рабочей линии необходимо определить флегмовое число R.

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 = δ

Rmin,

где,

δ - коэффициент избытка флегмы, который принимают обычно в пределах

δ - 1,2... 1,4; принимаем δ = 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.

В таком случае

 

.

R =1,4

.

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 у

 

,