Курсовая работа по дисциплине ОПД.09 Процессы и аппараты Расчет ректификационной колонны (стр. 1 )

Департамент образования Вологодской области

Бюджетное профессиональное образовательное учреждение Вологодской области «Череповецкий химико-технологический колледж»

Специальность 18.02.03

«Химическая технология

неорганических веществ»

               

КУРСОВАЯ  РАБОТА

по дисциплине ОПД.09 Процессы и аппараты

Расчет ректификационной колонны

Выполнил студент группы 31/2014

  ___________

                                (подпись, дата)

Руководитель

  ___________

                                (подпись, дата)

2017 г.

Содержание

стр.
Введение	4
1 Общая часть	5
1.1 Аналитический обзор литературы	5
1.2 Физико - химические свойства исходных веществ	9
2 Специальная часть	10
2.1 Описание технологической схемы установки	10
2.2 Расчет материального баланса колонны	11
2.3 Определение скорости пара и диаметра колонны	14
2.4 Гидравлический расчет тарелок	19
2.5 Определение числа тарелок и высоты колонны	25
2.6 Тепловой расчет установки	27
Заключение	32
Список используемых источников	33
Приложение	34

Введение

Ректификация – это процесс разделения жидких смесей, который сводится к одновременно протекающим и многократно повторяемым процессам частичного испарения и конденсации разделяемой смеси на поверхности контакта фаз. Этот процесс основан на различной летучести составляющих смесь компонентов, т. е. на различных температурах кипения компонентов при одинаковом давлении.

Процесс проводится обычно в колонных аппаратах, состоящих из собственно колонны, где осуществляется противоточное контактирование пара и жидкости, и устройств, в которых происходит испарение жидкости и конденсация пара. Классическая колонна представляет собой вертикальный цилиндр с контактными устройствами внутри.

В настоящее время ректификацию все шире применяют в самых различных областях химической технологии, где выделение компонентов в чистом виде имеет весьма важное значение (в производствах органического синтеза, изотопов, полимеров, полупроводников и различных других веществ высокой чистоты).

       Целью курсовой работы является расчет непрерывно действующей ректификационной колонны с колпачковыми тарелками, для разделения под атмосферным давлением жидкой смеси, содержащей метиловый и этиловый спирты.

       Задачи данной работы:

Рассчитать материальный баланс колоны; Определить скорость пара и диаметр колонны; Выполнить гидравлический расчет тарелок; Определить число тарелок и высоты колонны; Выполнить тепловой расчет установки.

1 Общая часть

Аналитический  обзор литературы

Во многих химических производствах необходимо производить выделение чистых веществ из смесей жидкостей.

Простейшими способами перегонки жидких смесей являются, частичное испарение жидкости и конденсация полученных паров с отводом конденсата (простая перегонка) и частичная  конденсация паров перегоняемой смеси с отводом конденсата (простая конденсация). Каждый из этих процессов в отдельности не приводит к получению достаточно чистых продуктов, но, осуществляя оба этих процесса одновременно и многократно в противоточных колоннах, можно достичь разделения жидкой смеси на чистые, составляющие смесь компоненты. Такой процесс разделения жидких смесей при помощи одновременно и многократно повторяемых частичных испарений и конденсаций называют ректификацией [2].

Ректификация осуществляется путем контакта потоков пара и жидкости, имеющих различную температуру, и проводится обычно в колонных аппаратах, состоящих из колонны, где осуществляется противоточное контактирование пара и жидкости, и устройств, в которых происходит испарение жидкости и конденсация пара — куба и дефлегматора.

Пары перегоняемой жидкости в ректификационной колонне протекают снизу вверх, а навстречу парам сверху вниз протекает жидкость, подаваемая в верхний элемент колонны. Между жидкой и паровой фазами возникает массообмен, вследствие которого,  пары по мере их продвижения по колонне, обогащаются легколетучим компонентом, а жидкость – менее летучим компонентом.  В конечном итоге пар, выходящий из верхней части колонны, представляет собой более или менее чистый легколетучий компонент, конденсация которого дает готовый продукт – дистиллят, а из нижней части колонны вытекает сравнительно чистый менее летучий компонент, так называемый кубовый остаток, который, так же как и дистиллят, может быть конечным продуктом перегонки [3].

       Жидкость, поступающую на орошение колонны, называют флегмой; ее получают путем конденсации паров, поднимающейся из верхней части колонны, в специальных конденсаторах – дефлегматорах [2].

       Степень разделения жидкой смеси на составляющие ее компоненты и чистота, получаемых дистиллята и кубового остатка зависят от того, насколько развита поверхность фазового контакта, а последнее определяется количеством орошаемой жидкости – флегмы и конструктивным оформлением аппарата.

В промышленности применяют тарельчатые, насадочные, пленочные трубчатые и центробежные пленочные аппараты. Они различаются в основном конструкцией внутреннего устройства аппарата, назначение которого – обеспечение взаимодействия жидкости и пара.

Преимущественно, процесс ректификации осуществляется периодическим или непрерывным способом, в тарельчатых или насадочных колонных аппаратах [7.1].

В ректификационных колоннах в качестве контактных устройств, применяются тарелки и насадки, которые дали название химическому термину.

В тарельчатых колоннах – контакт между жидкостью и газовой фазой осуществляется за счет многократного барботажа газа (или пара) через слой жидкости, а в насадочных – за счет стекания жидкости по элементам насадки.

В обоих случаях жидкость стекает вниз под действием силы тяжести, а газовая фаза движется навстречу снизу вверх [2].

Наиболее универсальны колонны с колпачковыми тарелками, но при разделении незагрязненных жидкостей в установках с постоянной нагрузкой, хорошо зарекомендовали себя аппараты с ситчатыми тарелками, отличающимися простотой конструкции, легкостью в обслуживании, а также эффективностью.

Колпачковые тарелки устойчиво работают при значительных изменениях нагрузок по газу и жидкости, менее чувствительны к загрязнениям и имеют более широкий устойчивый интервал работы.

К их недостаткам следует отнести сложность устройства и высокую стоимость, относительно высокое гидравлическое сопротивление, трудность очистки.

Преимущественное использование тарельчатых колонн в процессах перегонки объясняется их значительно большей производительностью по сравнению с насадочными.

Конструкции тарельчатых колонн весьма разнообразны. Это объясняется чрезвычайно большим ассортиментом перерабатываемого сырья, широким диапазоном производительности и различным гидравлическим режимом колонн [7.1].

Тарельчатые колонны состоят из ряда горизонтально расположенных перегородок – тарелок, имеющих большое число отверстий и переливные трубки, верхние концы которых выступают на 30 – 50  мм выше тарелки, а нижние находятся в жидкости на нижележащей тарелке, что обеспечивает поддержание на тарелках определенного постоянного уровня жидкости. На нижнюю тарелку поступает пар из куба колонны, а сверху подается флегма.

Теоретически каждая тарелка представляет собой ступень изменения концентрации; состав пара при выходе с тарелки равен равновесному составу жидкости при входе ее на тарелку и, следовательно теоретически число тарелок равно числу ступеней изменения для каждого данного случая перегонки [2].

В химической и нефтеперерабатывающей промышленности применяют тарельчатые колонны различных размеров от небольших диаметром 300 – 400 мм до крупнотоннажных высокопроизводительных установок с колоннами диаметром 5 – 12 м. Высота колонны зависит от числа тарелок и расстояния между ними. Чем меньше расстояние, тем ниже колонна. Однако при  уменьшении расстояния между тарелками увеличивается унос брызг и возникает опасность переброса жидкости с нижних тарелок на верхние, что существенно уменьшает КПД установки. Поэтому обычно расстояние между тарелками 250 – 300 мм.

       В зависимости от температур кипения разделяемых жидкостей процесс ректификации может протекать при атмосферном давлении, а также при давлениях выше и ниже атмосферного. Под вакуумом ректификацию проводят, когда разделению подлежат высококипящие жидкие смеси. Повышенное давление применяют для разделения смесей, находящихся в газообразном состоянии при более низком давлении. Атмосферное давление принимают при разделении смесей, имеющих температуру кипения от 30 до 150°С.

Ректификацию можно осуществлять непрерывно или периодически. При непрерывной ректификации разделяемая смесь непрерывно подается в среднюю часть колонны, дистиллят отбирается из дефлегматора, а обедненный легколетучим компонентом остаток отводится из куба колонны, флегма поступает на орошение в верхнюю часть колонны. При периодической ректификации в нижнюю часть (куб) колонны, снабженной нагревательным устройством, загружают исходную смесь; образующийся пар поднимается верх и конденсируется в дефлегматоре (холодильнике), часть конденсата (флегмы) возвращается на орошение в верхнюю часть колонны, а оставшаяся жидкость отбирается.