Кафедра процессов и аппаратов химической технологии
Дисциплина: «Процессы и аппараты химических и нефтехимических производств»
Тема курсового проекта:
Расчет и проектирование тарельчатой ректификационной колонны непрерывного действия
Руководитель проекта Маряхин Н.Н.
Студент группы № 4293-51 Комаров М.А.
Нормоконтролёр Маряхин Н.Н.
Содержание
1. Аналитический обзор
2. Технологический обзор
3. Расчётная часть
3.1 Расчёт ректификационной колонны
3.2 Расчет и подбор теплообменной аппаратуры
3.3 Выбор трубопровода
Заключение
1. Аналитический обзор
В ряде производств нефтяной, пищевой, химической и других отраслей промышленности в результате технологических процессов получают смеси жидкостей, которые необходимо разделять на компоненты.
Для разделения смесей жидкостей и сжиженных газов в промышленности применяют следующие способы: перегонку с водяным паром, простую перегонку, молекулярную перегонку, перегонку с инертным газом и ректификацию.
Одним из наиболее распространённых методов разделения жидких однородных смесей, которые состоят из двух или большего количества компонентов, считается перегонка.
B широком смысле перегонка представляет собой процесс, который включает частичное испарение разделяемой смеси и последующую конденсацию образовавшихся паров, осуществляемые однократно, либо многократно. Разделение перегонкой основанo на различной летучести компонентов смеси при одной и той же температуре. Отсюда следует что при перегонке все компоненты смеси переходят в парообразное состояние в количествах, пропорциональных их фугитивности.
Простая перегонка является процессом однократного частичного испарения жидкой смеси и конденсации образовавшихся паров. Простая перегонка применяется только для разделения смесей, летучести компонентов которой существенно отличаются. Обычно её используют лишь для предварительного грубoго разделения жидких смесей и для очистки сложных смесей от нежелательных примесей, смол и т.п.
При перегонке с водяным паром достигается снижение температуры кипения за счёт введения в смесь водяного пара.
Данный метод используется в случае разделения или очистки от примесей смесей, кипящих при температурах больше 100 ЎС.
При перегонке смесей, вместо водяного пара, иногда используют инертные газы, например, двуокись углерода, азот и др. Перегонка в токе неконденсирующегося инертного газа позволяет значительно снизить температуру испарения разделяемой смеси, чем при перегонке в токе водяного пара.
Молекулярная перегонка используется для извлечения дорогостоящих компонентов из смесей, где их содержание достигает в небольших количеств. Ректификация представляет собой процесс многократного частичного испарения жидкости и конденсации паров. Процесс осуществляется путём контакта потоков жидкости и пара, которые имеют различную температуру.
Достаточно высокая степень разделения однородных жидких смесей на компоненты может быть достигнута ректификацией. Сущность этого процесса и получаемые результаты можно проследить с помощью t-x-y- диаграммы, представленной на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1 Изображение процесса разделения бинарной смеси путём ректификации
Нагревая исходную смесь x1 до температуры кипения, получим пар, который находится в равновесии с жидкостью. С помощью отбора и конденсации пара получаем жидкость состава x2, которая обогащена низкокипящим компонентом (x2>x1). Нагревая данную жидкость до температуры кипения t2, получим соответственно пар, конденсация которого даёт жидкость с большим содержанием низкокипящего компонента, который имеет состав x3, и т.д. Проводя, таким образом, последовательный ряд процессов испарения жидкости и конденсации паров, в итоге получаем дистиллят, который представляет собой чистый низкокипящий компонент.
Исходя из паровой фазы, которая соответствует составу жидкости x4,
аналогичным путем проводят ряд конденсации и испарений.
Таким образом, получаем остаток, который состоит из высококипящего компонента.
В простом виде процесс многократного испарения можно сделать в многоступенчатой установке, в первой ступени которой будет испаряться исходная смесь. На вторую ступень поступает на испарение жидкость, оставшаяся после отделения паров в первой ступени, а в третьей ступени испаряется жидкость, которая поступила из второй ступени и т.д. Аналогично может быть организован процесс многократной конденсации, при котором на каждую следующую ступень поступают для конденсации пары, оставшиеся после отделения от них жидкости (конденсата) в предыдущей ступени.
Значительно более четкое, полное и экономичное разделение смесей на компоненты достигается в процессах ректификации, проводимых обычно в ректификационных колоннах.
Процесс ректификации осуществляется путём многократного контакта между неравновесной жидкой и паровой фазами, движущимися относительно друг друга.
При различном давлении процесс ректификации протекает непрерывно и периодически.
Ректификационные колонны периодического действия применяют, для разделения жидких смесей в тех случаях, когда применение непрерывно действующих установок неуместно. Как правило, это свойственно для технологических процессов, в которых количества подходящих разделению смесей незначительно и требуется некоторое время для накопления данных продуктов перед разделением или в условиях регулярно меняющегося состава исходной смеси.
Процесс периодически действующей установки изображен на схеме, представленной на рисунке 1.2.
1 - куб-кипятильник; 2 - подогреватель; 3 - ректификационная колонна; 4 - дефлегматор; 5 - делитель потока; 6 - холодильник; 7 - сборники
Рисунок 1.2 Схема ректификационной установки периодического действия
Исходную смесь загружают в куб-кипятильник 1, оснащенный подогревателем 2. Смесь нагревается до кипения и её пары доходят под нижнюю тарелку ректификационной колонны 3. Поднимаясь по колонне, пары обогащаются низкокипящим компонентом, которым обедняется стекающая вниз флегма, которая поступает из дефлегматора 4 на верхнюю тарелку колонны. Пары из колонны поступают в дефлегматор, где они полностью, либо частично конденсируются. В случае полной конденсации жидкость делится с помощью делителя 5 на флегму и дистиллят. Дистиллят охлаждают в холодильнике 6 и направляют в сборники 7.
Процессы периодической ректификации могут проводиться:
при постоянном флегмовом числе. При периодической ректификации содержимое низкокипящего компонента в смеси, кипящей в кубе, сокращается во времени. Поэтому при возобновлении постоянного количества флегмы в колонну дистиллят тоже постепенно обедняется низкокипящим компонентом. В результате фракцию получают в виде различных по составу фракций, отбираемых в отдельные сборники.
2) при постоянном составе дистиллята. Проведение процесса с получением дистиллята постоянного состава вероятно путём постепенного увеличения во времени количества возвращаемой в колонну флегмы или при работе с постепенно возрастающим флегмовым числом. Таким способом выполнение процесса связано с автоматическим регулированием количества флегмы, возвращаемой в колонну, или количества пара, который поступает из кипятильника, что усложняет установку.
Большим минусом ректификационных колонн периодического действия служит ухудшения качества готового продукта по мере протекания процесса, как и потери тепла при периодической загрузке и разгрузке куба.
Ректификационные колонны непрерывного действия состоят из нижней части, в которой происходит удаление низкокипящего компонента из стекающей к низу жидкости, и верхней части, где происходит обогащение поднимающихся паров низкокипящего компонента. Работа установки изображена на схеме, представленной на рисунке 1.3.
1 - емкость для исходной смеси; 2 - подогреватель; 3 - колонна; 4 - кипятильник; 5 - дефлегматор; 6 - делитель флегмы; 7 - холодильник; 8 - сборник дистиллята; 9 - сборник кубового остатка
Рисунок 1.3 Схема ректификационной установки непрерывного действия
Ректификационная колонна 3 имеет цилиндрический корпус, внутри которого установлены контактные устройства в виде тарелок. Снизу вверх по колонне движутся пары, которые поступают в нижнюю часть аппарата из кипятильника 4, который служит выносным или размещается прямо под колонной. С помощью кипятильника создаётся восходящий поток пара. Пары проходят через слой жидкости на нижней тарелке.
За счет тепла конденсации пара получается испарение жидкости на тарелке. Из пара конденсируется и переходит в жидкость больше высококипящий компонент, содержимое которого в поступающем на тарелку паре больше равновесного с составом жидкости на тарелке.
На второй тарелке жидкость содержит много низкокипящего компонента, чем на первой, и должно кипеть при более низкой температуре. Соприкасаясь близко с ней, пар конденсируется неполностью, обогащается низкокипящим компонентом и удаляется на вышерасположенную тарелку.
Пар, который представляет собой на выходе из кипятильника примерно чистый высококипящий компонент, по мере движения вверх все больше обогащается низкокипящим компонентом и покидает верхнюю тарелку колонны в виде примерно чистого низкокипящего компонента, который практически полностью переходит в паровую фазу на пути пара от кипятильника до верха колонны.
Пары конденсируются в дефлегматоре 5, охлаждаемой водой, и получаемая жидкость разделяется в делителе 6 на дистиллят и флегму, которая направляется на верхнюю тарелку колонны. Отсюда следует, что при помощи дефлегматора в колонне создается нисходящий поток жидкости.
Жидкость, которая поступает на орошение колонны, представляет собой почти чистый низкокипящий компонент. Впрочем, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, жидкость всё больше обогащается высококипящим компонентом, конденсирующимся из пара.
Когда жидкость поступает в нижнюю тарелку, она становится чистым низкокипящим компонентом и поступает в кипятильник, обогреваемый глухим паром или другим теплоносителем.
На некотором расстоянии от верха колонны к жидкости из дефлегматора присоединяется исходная смесь, которая поступает на питающую тарелку колонны. Для того, чтобы уменьшить тепловую нагрузку кипятильника, исходную смесь обычно заранее нагревают в подогревателе 2 до температуры кипения жидкости на питающей тарелке.
Питающая тарелка делит колонну на две части, которые имеют различные назначения.
В дефлегматоре 5 могут быть сконденсированы либо все пары, поступающие из колонны, либо только часть их соответствующая количеству возвращаемой в колонну флегмы. В первом случае часть конденсата, остающаяся после отделения флегмы, представляет собой дистиллят или верхний продукт, который после охлаждения в холодильнике 7 направляется в сборники дистиллята 8. Во втором случае несконденсированные в дефлегматоре пары одновременно конденсируются и охлаждаются в холодильнике 7, который при таком варианте работы служит конденсатором- холодильником.
Жидкость, которая выходит из низа колонны, также делится на две части. Одна часть направляется в кипятильник, а другая - это остаток после охлаждения водой в холодильнике 7 направляется в сборник 9.
Плюсами непрерывной ректификации являются однородность получаемого продукта, легкость автоматизации, высокая производительность.
В промышленности применяются разнообразные конструкции тарельчатых аппаратов. По способу слива жидкости с тарелок их можно разделить на колонны с тарелками со сливными устройствами (ситчатые, колпачковые, клапанные) и с тарелками без сливных устройств.
Колонна с ситчатыми тарелками, изображенная на рисунке 1.4, представляет собой вертикальный цилиндрический корпус 1 с горизонтальными тарелками 2, в которых по всей поверхности равномерно просверлено большое число отверстий с диаметром 1-5 мм. Для регулирования уровня жидкости на тарелке и ее слива используются переливные трубки 3, нижние концы которых погружены в стаканы 4.
1 - корпус; 2 - тарелка; 3 - переливная труба; 4 - стакан
Рисунок 1.4 Колонна с ситчатыми тарелками
Ситчатые тарелки отличаются простотой устройства, легкостью монтажа, ремонта и осмотра. Гидравлическое сопротивление тарелок этого типа сравнительно невелико. Ситчатые тарелки устойчиво работают в довольно широком интервале скоростей газа, причем в определенном диапазоне нагрузок по газу и жидкости эти тарелки обладают высокой эффективностью.
Однако, ситчатые тарелки весьма чувствительны к загрязнениям и осадкам, которые забивают отверстия. В случае внезапного прекращения поступления газа с ситчатых тарелок сливается вся жидкость, а для возобновления процесса требуется вновь запустить колонну.
Ректификация - это массообменный процесс, осуществляющийся в большинстве случаев в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами, аналогичными используемым в процессе абсорбции. Поэтому методы подхода к расчёту и проектированию ректификационных и абсорбционных установок имеют много общего. Тем не менее ряд особенностей процесса ректификации (различное соотношение нагрузок по жидкости и пару в верхней и нижней частях колонны, переменные по высоте колонны физические свойства фаз и коэффициент распределения, совместное протекание процессов массо- и теплопереноса) осложняет его расчёт.