Проектирование и автоматизированный расчёт ректификационной колонны непрерывного действия для разделения бинарной смеси ацетон – этан

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное  учреждение

высшего профессионального образования

«Комсомольский-на-Амуре государственный

технический университет»

 

Кафедра «Химия и химические технологии»

Программа 240100 – «Химическая технология и биотехнология»

 

К ЗАЩИТЕ ДОПУСКАЮ

Заведующий кафедрой

_______________ В.В. Телеш

«___»______________ 2012 г

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К ВЫПУСКНОЙ КВАЛИФИКАЦИОННОЙ РАБОТЕ

 

Проектирование и автоматизированный расчёт

ректификационной колонны непрерывного действия

 для разделения бинарной смеси

ацетон – этанол

 

 

 

 

Н. КОНТР	РУКОВОДИТЕЛЬ
__________ Т.В. Толстова	__________ В.В. Телеш
	СТУДЕНТ группы 8ХБ-2   __________ Д.А. Туркенич
	РЕЦЕНЗЕНТ   __________ А.А. Кулик

 

 

2012

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное  образовательное

учреждение высшего профессионального  образования

 «Комсомольский-на-Амуре государственный

технический университет»

Кафедра химии и химической технологии

УТВЕРЖДАЮ

Заведующий кафедрой

________________ В.В. Телеш

«___»_______________ 2012 г.

Задание:

Дата выдачи задания: 10.02.2012

Вариант №31

На выпускную квалификационную работу

По дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии»

Рассчитать ректификационную колонну  непрерывного действия для разделения бинарной смеси ацетон - метанол.

Исходные данные:

1. Производительность по исходной смеси                              кг/с;
2. Содержание легколетучего компонента (в массовых процентах):

в исходной смеси	;
в дистилляте	;
в кубовом остатке	;

3. Давление в паровом пространстве дефлегматора                 МПа;

4. Тип ректификационной колонны – тарельчатая, с колпачковыми тарелками;

5. Исходная смесь перед подачей в колонну нагревается до температуры кипения насыщенным водяным паром МПа.

Выдано студенту группы 8ХБ-2:                                                        Д.А. Туркенич

Содержание

 

Введение ............................................................................................................5

1 Аналитический обзор ....................................................................................6

2 Технологическая часть ................................................................................14

3 Инженерная часть ……………………………………………….………...16

3.1 Расчёт ректификационной колонны  …………………………………16

   3.2 Расчёт и подбор теплообменной  аппаратуры .....................................44

  3.3 Выбор трубопровода…………………..................................................71

Заключение .....................................................................................................78

Список использованных источников ...........................................................79

Приложение А  График линии равновесия ...................................................80

Приложение Б График построения ступеней изменения концентрации при  различных флегмовых числах …………………..….…......81

Приложение В График определения  рабочего флегмового числа ….…..87

Приложение Г График построения рабочих ступеней изменения концентрации при оптимальном флегмовом числе ......................88

Приложение Д t – x – y диаграмма ...............................................................89

Приложение Е График определения  чисел единиц переноса ....................90

Приложение Ж Автоматизированный расчёт ректификационной колонны                                                                 непрерывного действия для разделения бинарной смеси метанол-вода …………………………………...…………91

 

 

 

 

 

В ряде производств химической, нефтяной, пищевой и других отраслей промышленности в результате различных технологических процессов получают смеси жидкостей, которые необходимо разделять на компоненты.

Для разделения смесей жидкостей и  сжиженных газов в промышленности применяют следующие способы: простую перегонку, перегонку с водяным паром, перегонку с инертным газом молекулярную перегонку и ректификацию.

Одним из наиболее распространённых методов  разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или большего количества компонентов, является перегонка.

В широком смысле перегонка представляет собой процесс, включающий частичное  испарение разделяемой смеси  и последующую конденсацию образующихся паров, осуществляемые однократно или многократно. Разделение перегонкой основано на различной летучести компонентов смеси при одной и той же температуре. Поэтому при перегонке все компоненты смеси переходят в парообразное состояние в количествах, пропорциональных их фугитивности.

Простая перегонка представляет собой  процесс однократного частичного испарения жидкой смеси и конденсации образующихся паров. Простая перегонка применима только для разделения смесей, летучести компонентов которой существенно различны. Обычно её используют лишь для предварительного грубого разделения жидких смесей, а также для очистки сложных смесей от нежелательных примесей, смол и т.п.

При перегонке с водяным паром  достигается понижение температуры  кипения за счёт введения в смесь  дополнительного компонента (носителя) - самого водяного пара. Этот способ обычно используется в случае разделения или  очистки от примесей смесей, веществ, кипящих при температурах выше 100 ^¡С.

 

 

При перегонке  смесей, вместо водяного пара, иногда используют инертные газы, например, азот, двуокись углерода и др. Перегонка в токе неконденсирующегося инертного газа позволяет более значительно снизить температуру испарения разделяемой смеси, чем при перегонке в токе водяного пара.

Молекулярная перегонка используется для извлечения дорогостоящих компонентов  из смесей, где они содержатся в  небольших количествах.

Ректификация представляет собой  процесс многократного частичного испарения жидкости и конденсации паров. Процесс осуществляется путём контакта потоков пара и жидкости, имеющих различную температуру.

 

Достаточно высокая степень  разделения однородных жидких смесей на компоненты может быть достигнута ректификацией. Сущность процессов, из которых складывается ректификация, и получаемые при этом результаты можно проследить с помощью t-x-y-диаграммы (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 – Изображение процесса разделения бинарной

смеси путём ректификации

 

Нагрев исходную смесь состава до температуры кипения, получим находящийся в равновесии с жидкостью пар (точка b). Отбор и конденсация этого пара дают жидкость состава , обогащенную низкокипящим компонентом (x₂ > x₁). Нагрев эту жидкость до температуры кипения t₂, получим пар (точка d), конденсация которого даёт жидкость с ещё большим содержанием низкокипящего компонента, имеющую состав x₃, и т.д. Проводя таким образом последовательно ряд процессов испарения жидкости и конденсации паров, можно получить в итоге жидкость (дистиллят), представляющую собой практически чистый низкокипящий компонент.

 

 

 

Аналогично, исходя из паровой фазы, соответствующей составу жидкости x₄, путём проведения ряда последовательных процессов конденсации и испарения можно получить жидкость (остаток), состоящую почти целиком из высококипящего компонента.

В простейшем виде процесс многократного  испарения можно осуществлять в многоступенчатой установке, в первой ступени которой испаряется исходная смесь. На вторую ступень поступает на испарение жидкость, оставшаяся после отделения паров в первой ступени, а в третьей ступени испаряется жидкость, поступившая 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 экономичное, полное и чёткое разделение смесей на компоненты достигается в процессах ректификации, проводимых обычно в более компактных аппаратах – ректификационных колоннах.

Процесс ректификации осуществляется путём многократного контакта между  неравновесными жидкой и паровой фазами, движущимися относительно друг друга.

Процессы ректификации осуществляются периодически или непрервыно при различном давлении.

Периодически действующие ректификационные установки применяют, как правило, для разделения жидких смесей в тех  случаях, когда использование непрерывно-действующих установок нецелесообразно. Обычно это характерно для технологических процессов, в которых количества подлежащих разделению смесей невелики и требуется определённое время для накопления этих продуктов перед разделением или в условиях часто меняющегося состава исходной смеси.

Процесс периодически действующей  установки изображен на схеме (рисунок 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 непрерывного действия

 

Исходную смесь загружают в  куб-кипятильник 1, снабженный подогревателем 2. Смесь подогревается до кипения и её пары поступают под нижнюю тарелку ректификационной колонны 3. Поднимаясь по колонне, пары обогащаются низкокипящим компонентом, которым обедняется стекающая вниз флегма, поступающая из дефлегматора 4 на верхнюю тарелку колонны. Пары из колонны направляются в дефлегматор, где они полностью или частично конденсируются. В случае полной конденсации жидкость разделяется с помощью делителя 5 на флегму и дистиллят. Конечный продукт (дистиллят) охлаждают в холодильнике 6 направляют в сборники 7.

Процессы периодической ректификации могут проводиться:

1) при постоянном флегмовом числе. При периодической ректификации содержание низкокипящего компонента в смеси, кипящей в кубе, уменьшается во времени. Поэтому при возврате постоянного количества флегмы в колонну дистиллят также постепенно обедняется низкокипящим компонентом. В результате дистиллят получают в виде различных по составу фракций, отбираемых в отдельные сборники.

2) при постоянном составе дистиллята. Проведение процесса с получением дистиллята постоянного состава возможно путём постепенного увеличения во времени количества возвращаемой в колонну флегмы или при работе с постепенно возрастающим флегмовым числом. Осуществление процесса таким способом связано с автоматическим регулированием количества флегмы, возвращаемой в колонну, или количества пара, поступающего из кипятильника, то усложняет установку.

Большим недостатком ректификационных колонн периодического действия является ухудшения качества готового продукта по мере протекания процесса, а также потери тепла при периодической загрузке и разгрузке куба.

Ректификационные колонны непрерывного действия состоят из нижней (исчерпывающей) части, в которой происходит удаление низкокипящего компонента из стекающей вниз жидкости, и верхней (укрепляющей) части, где происходит обогащение поднимающихся паров низкокипящего компонента. Работа установки изображена на схеме (рисунок 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 или насадки. Снизу вверх по колонне движутся пары, поступающие в нижнюю часть аппарата из кипятильника 4, который является выносным, либо размещается непосредственно под колонной. Таким образом, с помощью кипятильника создаётся восходящий поток пара. Пары проходят  через слой жидкости на нижней тарелке.

Испарение жидкости на тарелке происходит за счёт тепла конденсации пара. Из пара конденсируется и переходит в жидкость преимущественно высококипящий компонент, содержание которого в поступающем на тарелку паре выше равновесного с составом жидкости на тарелке.

На второй тарелке жидкость содержит больше низкокипящего компонента, чем  на первой, и соответственно кипит  при более низкой температуре. Соприкасаясь с ней, пар частично конденсируется, обогащается низкокипящим компонентом  и удаляется на вышерасположенную тарелку.