Ректификационная колонна

Министерство образования и науки Российской Федерации 
ГОУ ВПО Череповецкий Государственный Университет 
Инженерно-технический институт 
Кафедра химических технологий и оборудования. 

 

 

 

Пояснительная записка

к курсовому  проекту

по дисциплине: «Процессы и аппараты химической технологии»

«Ректификационная колонна»

 
 
 
Выполнила: 
студентка группы 3ХТ-31                                                                 Корепина С. А. 
 
Руководитель: 
доцент, к.х.н.                                                                                       Котенко В.А.

 
                                  Проект защищен  с оценкой__________________________

 
Череповец, 2011г.

Аннотация

В настоящее  время производство становится еще более важными, сложным и дорогостоящим, а технологиям по разделению веществ и их очистке от примесей уделяется все большее внимание. Основным процессом в химической технологии является ректификация. Показателем эффективности ее является состав целевого продукта.

В курсовом проекте рассмотрена тема разделения бинарных смесей с помощью ректификации. Была выбрана наиболее эффективная ректификационная колонна непрерывного действия с колпачковыми тарелками.  Определены цели и задачи курсового проекта,   рассмотрены физико – химические свойства разделяемых веществ (этилацетат-толуол); приведено описание технологической схемы; выполнен расчет материального баланса, флегмового числа, основных размеров колонны (d = 2000 мм, Н = 8000 мм). Рассчитан тепловой баланс колонны и расход тепла. Также представлен расчет дополнительного оборудования: рассчитаны теплообменники, насосы, ёмкости для исходной смеси и продуктов разделения. Произведен расчет аппарата на прочность и рассмотрены точки контроля. В курсовом проекте представлен список используемой  литературы. Основные чертежи: технологическая схема, основной аппарат (ректификационная колонна), дополнительное оборудование (дефлегматор)  представлены на бумаге формата А1.

 Были  использованы следующие программы:  Advanced Grapher 2.2 – программа для построения  графиков, Autodesk AutoCAD 2009 – двух- и трёхмерная система автоматизированного проектирования и черчения.

Наш курсовой проект содержит:

1. 85 страниц;
2. 18 рисунков;
3. 8 таблиц;

 

 

Содержание

Введение………………………………………………………….………… ……...  5

1. Основные теоретические положения процесса бинарного разделения смеси этилацетат-толуол, с помощью колпачковой ректификационной колонны………………………………………………………………….…..7

1.1.Теоретические основы процесса ректификации……………….…......7

1.2. Выбор конструкционного аппарата................................. …………..15

1.3. Физико-химическая характеристика продуктов…………………....16

1.4. Выбор  конструкции материала……………………………….……....18

      2. Технологический схема………………………………………………..…...22

2.1. Материальный баланс колонны………………………………..…...…22

2.2 Рабочее флегмовое число……………………………………..………..22

2.3. Средние массовые расходы по жидкости  и пару……………….......29

      3. Диаметр колонны и скорость пара…………………………………….......32

3.1. Средняя температура верха и низа колонны…....................................32

3.2. Плотности жидкой и паровой фазы …..................................................33

3.3. Максимальная скорость пара и диаметр колонны в верхней части колонны………………..………………………………………………….…35

3.4. Максимальная скорость пара и диаметр колонны в нижней части

колонны……………………..………………………………………..…...…36

3.5. Выбор диаметра колонны……………………………………………...37

3.6. Действительные рабочие скорости паров…………………… ……..38

       4. Высота и полное гидравлическое сопротивление колонны…………….38

4.1. Выбор тарелки……………………………………………………...…...39

4.2. Расчет высота переливного устройства тарелки………………….......40

4.3. Эффективность тарелки в верхней части колонны………………...…43

4.4. Эффективность тарелки в нижней части колонны…………………..44

4.5. Высота колонны………………………………………………..........….47

     5. Определение числа и размера  колпачков…………………………………..48

     6. Расчет гидродинамического сопротивления ……………………… …..…49

7. Тепловой  баланс………………………………………….…………….…......52

8. Расчет  аппарата на прочность……………………………………………..…55

8.1. Расчёт толщины стенки обечайки………………………………………55

8.2. Расчёт толщины днища …………………………………………………55

8.3. Определение толщины тепловой изоляции …………………………....56

    9. Расчёт и выбор вспомогательного оборудования……………………….....58

9.1. Расчёт диаметра трубопроводов………………………………………...58

9. 2. Расчёт теплообменного оборудования…………………………………63

9.1. Расчёт дефлегматора……………………………………………………..63

9.2. Расчёт  водяного холодильника кубового остатка……………………..67

9.3. Расчёт  водяного холодильника дистиллята…………...………………..69

9.4. Расчёт  куба-испарителя…………...……………………………………..70

9.5. Расчёт подогревателя исходной смеси……………………………….....71

   10. Объём и размеры ёмкостей для исходной смеси и продуктов

          разделения……………………………………………………………………73

10.1. .Расчёт ёмкости для исходной смеси………………………………..…73

10. 2. Расчёт ёмкости для дистиллята…………………………………….….73

10.3. Расчёт ёмкости для кубового остатка……………………………….…74

  11. Напор и марка насосов…………….……………………………………….…74

11.1. Расчёт и выбор насоса для подачи исходной смеси………………..…74

11.2. Выбор запасного насоса для подачи исходной смеси…….……….…78

11.3. Расчёт и выбор насоса, стоящего на выходе кубового остатка из ёмкости ………………………………………………………………………..78

11.4. Расчёт и выбор насоса, стоящего на выходе дистиллята из ёмкости3……………………………………………………………………….79

Заключение  ……………………………………………………………………..…..81

Библиографический список……………………………………………………..…83

Введение

Современная промышленность требует все больше чистых и особо чистых материалов. Поэтому производство становится еще более важными, сложным и дорогостоящими, а технологиям по разделению веществ и их очистке от примесей уделяется все большее внимание.     

Наиболее распространенной промышленной технологией разделения является ректификация. Основы современной промышленной ректификации в настоящем ее виде были заложены около 40-50 лет назад [26].

Под ректификацией  понимается частичное или полное разделение гомогенных жидких смесей на компоненты в результате различия их летучести и противоточного взаимодействия жидкости, получаемой при конденсации паров, и пара, образующегося при перегонке.

Так, смесь состоит из двух компонентов, при испарении компонент с наиболее низкой температурой кипения (низкокипящий компонент) переходит в пары, а компонент с наиболее высокой температурой кипения (высококипящий компонент) остается в жидком состоянии [3]. 
 В настоящее время в химической и нефтехимической промышленности для проведения ректификации применяют насадочные и тарельчатые колонны.  Тарельчатым аппаратам обусловлена высокая производительность и широкий диапазон нагрузок по пару и жидкости. Существует большое разнообразие контактных тарелок (колпачковые, ситчатые, клапанные, решетчатые) [20].

По способу проведения ректификацию разделяют на периодическую и  непрерывную.

При непрерывной - 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.

Ректификация потребляет огромное количество энергии и во многих случаях потребляет до 50 % всей энергии от потребления всего предприятия. Поэтому значительные усилия тысяч исследователей и разработчиков во всем мире во второй половине 20 века были сосредоточены именно в этой области [26].

В связи  с этим используем наиболее эффективную ректификационную колонну непрерывного действия.

Среди российских авторов занимающихся процессом  ректификации можно выделить:  Ю. И. Дытнерский, К. Ф.  Павлов, П. Г. Романков, А. А. Носков, И. А.  Александров, П. В.  Лебедев, И. Л.  Иоффе .

Объектом  курсовой работы является процесс ректификации.

Предметом курсовой работы является разделение бинарной смеси этилацетат - толуол, с помощью тарельчатой ректификационной колонны с колпачковыми насадками.

Цель  данной курсовой работы проектирование колпачковой ректификационной колоны непрерывного действия для разделения смеси этилацетат – толуол.

Для осуществления  данной цели необходимо выполнить следующие  задачи:

1. Изучить теоретические основы процесса ректификации;
2. Рассмотреть особенности  колпачковой ректификационной колонны неперывного действия;
3. Найти методику расчета ректификационной колонны;
4. Изучить физико-химическую характеристику продуктов ректификации этилацетата и толуола;
5. Провести расчет колпачковой ректификационной колонны непрерывного действия;

6. Спроектировать колпачковую ректификационную колонну для разделения бинарной смеси этилацетат – толуол.

Для решения  поставленных задач необходимо использовать общетеоретические методы научного познания (анализ, синтез, обобщение, систематизацию, классификацию), метод моделирования и метод обработки данных.

Базой проектирования служит расчетные данные задания на курсовой проект.

 

1. Основные теоретические положения процесса бинарного разделения смеси этилацетат-толуол, с помощью колпачковой ректификационной колонны

 

1. Теоретические основы процесса ректификации

Ректификация  – это процесс разделения бинарных или многокомпонентных паровых, а также жидких смесей на практически  чистые компоненты или их смеси, обогащенные  легколетучими или тяжелолетучими компонентами; процесс осуществляется в результате контакта неравновесных  потоков пара и жидкости.

Характерной особенностью процесса ректификации являются следующие условия образования  неравновесных потоков пара и  жидкости, вступающих в контакт: при  разделении паровых смесей неравновесный  поток жидкости (жидкостное орошение).

Процесс ректификации осуществляют в ректификационной установке, дефлегматор, холодильник-конденсатор, подогреватель исходной смеси, сборники дистиллята и кубового остатка. Дефлегматор, холодильник, конденсатор и подогреватель представляют собой обычные теплообменники. Основным аппаратом установки является ректификационная колонна, в которой пары перегоняемой жидкости поднимаются снизу, а навстречу парам сверху стекает жидкость, подаваемая в верхнюю часть аппарата в виде флегмы. В большинстве случаев конечными продуктами являются дистиллят (сконденсированные в дефлегматоре пары легколетучего компонента, выходящие из верхней части колонны) и кубовый остаток (менее летучий компонент в жидком виде, вытекающий из нижней части колонны).

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. Повышенные давления применяют  для разделения смесей, находящихся  в газообразном состоянии при  более низком давлении. Степень разделения смеси жидкостей на составляющие компоненты и чистота получаемых дистиллята и кубового остатка зависят  от того, насколько развита поверхность  фазового контакта, а следовательно, от количества орошающей жидкости (жидкостное орошение) образуется путем полной или частичной конденсации уходящего после контакта потока пара, в то время как при разделении жидких смесей неравновесный поток образуется путем частичного испарения уходящей после контакта жидкости [1].

В промышленности применяют колпачковые, ситчатые, насадочные, пленочные трубчатые колонны  и центробежные пленочные ректификаторы. Они различаются в основном конструкцией внутреннего устройства аппарата, назначение которого — обеспечение взаимодействия жидкости и пара. Это взаимодействие происходит при барботировании пара через слой жидкости на тарелках (колпачковых  или ситчатых) либо при поверхностном  контакте пара и жидкости на насадке  или поверхности жидкости, стекающей  тонкой пленкой.