31

Содержание

Введение 4

1 Физико-химические основы процесса 7

2 Физические свойства веществ, участвующих в процессе 9

3 Технологический расчет 10

4 Материальный баланс 11

4.1 Условные обозначения 11

4.2 Расчетная часть 12

5 Тепловой баланс 14

5.1 Условные обозначения 14

5.2 Расчетная часть 15

6 Конструктивный расчет 18

6.1 Условные обозначения 18

6.2 Расчетная часть 19

7 Расчет штуцеров. Подбор стандартных конструктивных элементов 26

8 Перечень используемой литературы 29

Заключение 30

Введение

Ректификация (от позднелат. rectificatio - выпрямление, исправление), разделение жидких смесей на практически чистые компоненты, отличающиеся т-рами кипения, путем многократных испарения жидкости и конденсации паров. В этом осн. отличие ректификации от дистилляции, при к-рой в результате однократного цикла частичное испарение -конденсация достигается лишь предварительное (грубое) разделение жидких смесей.

Для ректификации обычно используют колонные аппараты (см., напр., Насадочные аппараты, Тарельчатые аппараты), наз. ректификационными колоннами, в к-рых осуществляется многократный контакт между потоками паровой и жидкой фаз. Движущая сила ректификации-разность между фактическими (рабочими) и равновесными концентрациями компонентов в паровой фазе, отвечающими данному составу жидкой фазы. Парожидкостная система стремится к достижению равновесного состояния, в результате чего пар при контакте с жидкостью обогащается легколетучими (низко-кипящими) компонентами (ЛЛК), а жидкость - труднолетучими (высококипящими) компонентами (ТЛК). Поскольку жидкость и пар движутся, как правило, противотоком (пар-вверх, жидкость - вниз), при достаточно большой, высоте колонны в ее верх. части можно получить практически чистый целевой компонент.

В зависимости от т-р кипения разделяемых жидкостей ректификацию проводят под разл. давлением: атмосферным (т. кип. 30-150 °С), выше атмосферного (при разделении жидкостей с низкими т-рами кипения, напр. сжиженных газов), в вакууме (при разделении высококипящих жидкостей для снижения их т-р кипения). Ректификацию можно осуществлять непрерывно или периодически. Для непрерывной ректификации применяют колонны, состоящие из двух ступеней: верхней-укрепляющей (в ней пар укрепляется, т.е. обогащается ЛЛК) и нижней - исчерпывающей (где происходит исчерпывание жидкой смеси, т. е. извлечение ЛЛК и обогащение ее ТЛК). При периодической ректификации в колонне производится только укрепление пара. Различают ректификацию бинарных (двухкомпонентных) и многокомпонентных смесей.

В химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности часто возникает необходимость разделить смеси двух или большего числа жидкостей на отдельные составляющие. Наиболее характерным примером является разделение нефтепродуктов на отдельные фракции, обладающие различными летучестями.

Процесс разделения основан на том, что все жидкости, составляющие смеси, имеют разные летучести или, иначе говоря, - разные температуры кипения при одинаковом внешнем давлении. Следствием такого свойства жидкостей является различное количество паров компонентов над жидкой смесью. Пары над смесью оказываются обогащенными парами более летучих компонентов. Если смесь таких паров отделить от жидкой фазы и полностью сконденсировать, то состав полученного конденсата будет таким же, что и состав паров. Следовательно, новая жидкая смесь окажется в большей степени обогащенной относительно более летучим компонентом по сравнению с исходной жидкой смесью.

Для этого широко применяют ректификацию, которая осуществляется в аппаратах, называемых ректификационными колоннами. Они бывают с непрерывным контактом фаз - насадочные колонны, и со ступенчатым контактом фаз - аппараты тарельчатого типа (с колпачковыми, ситчатыми, клапанными и решетчатыми тарелками).

Основной объем насадочной колонны заполняется беспорядочно насыпанной дисперсной насадкой, т.е. твердым материалом, химически инертным по отношению к обеим фазам и к целевому компоненту (кольца Рашига, Седла Берля, Инталокс и др.). Назначение слоя насадки - создание значительной поверхности контакта жидкой и газовой фаз в результате стекания жидкости по всей поверхности элементов насадки в виде пленки и прохождения газового потока в пустотах между элементами насадки и внутри них. Поверхность контакта фаз приблизительно равна суммарной поверхности насадки.

В тарельчатой колонне жидкая и газовая фазы контактируют только на тарелках, где газ барботирует через слой жидкости. Жидкость перетекает с верхней тарелки на нижнюю по вертикальным перетокам, а газовая фаза проходит снизу вверх через отверстия тарелок и всплывает в слоях жидкости в виде многочисленных пузырьков. Поверхностью контакта фаз является суммарная поверхность всех газовых пузырьков, в слоях жидкости на тарелках.

Подлежащая разделению бинарная смесь начального состава вводится на некоторую промежуточную по высоте колонны тарелку (или промежуточную точку по высоте насадочной колонны). Смесь подается при температуре ее кипения (или близкой к ней). В кубе-испарителе из кипящей в нем кубовой жидкости непрерывно образуется пар. Чтобы поддержать энергоемкий процесс парообразования, в куб необходимо подавать греющий водяной пар, при конденсации которого выделяется необходимая теплота. Образующиеся в кубе-испарителе пары движутся вверх, вступают в контакт с жидкой фазой, обогащаются летучим компонентом. При этом жидкость обедняется им. Пройдя весь путь пар поступает в дефлегматор, где конденсируется, делится на два потока (флегму и дистиллят). Флегма возвращается в колонну, чтобы паровому потоку было из чего извлекать летучий компонент, обедняется более летучим компонентом и приходит в куб-испаритель. Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный процесс разделения подаваемой в колонну исходной смеси на дистиллят и кубовый остаток. Основные достоинства насадочных колонн - способность работать при больших нагрузках по жидкости, на потоках жидкости и пара, содержащих механические примеси, на агрессивных потоках. Эти колоны просты по монтажу и изготовлению, долговечны.

1 Физико-химические основы процесса

Сущность процесса ректификации можно характеризовать как разделение жидкой смеси на дистиллят и остаток в результате противоточно взаимодействия жидкости и пара.

Рассматривая взаимодействие жидкости и пара в ректификационном аппарате, сделаем следующие допущения:

1) Мольные теплоты испарения компонентов одинаковы, поэтому каждый килограмм-моль пара при конденсации испаряет соответственно килограмм-моль жидкости и, следовательно, мольный поток пара, движущегося в аппарате снизу вверх одинаков, в любом сечении аппарата.

2) При конденсации пара в конденсирующем устройстве агрегата не происходит изменения состава пара и, следовательно состав пара, уходящего из ректификационного аппарата, равен составу дистиллята y_p=x_p.

3) При испарении жидкости в нижней части агрегата испарителя не происходит изменения её состава и, следовательно, состав пара, образующегося в испарителе, равен составу остатка, то есть y_w=x_w.

4) Пусть для получения 1 кмоля дистиллята необходимы В кмоль жидкости и возврат в аппарат путем конденсации для взаимодействия с паровым потоком R кмоль.

Данное R назовем флегмовым числом, которое представляет собой отношение количества возвращенного в колонну дистиллята и количеству отобранного дистиллята в виде продукта.

Количество пара, полученного в нижней части ректификационного аппарата, проходящего по колонне и переходящего в конденсатор, называемый дифлегматором, рассчитывается по выражению:

D=R+1 (1.1)

Определение числа единиц переноса в процессе ректификации производится исходя из следующих данных:

F – вход исходной смеси, кг/с

x_f - содержание н.к. компонента в исходной смеси, м.д

x_p - содержание н.к. в дистилляте, м.д

x_w - содержание н.к. в кубовом остатке, м.д

Число единиц переноса – про в тарельчатом аппарате или количество условных тарелок в тарельчатом аппарате. Для построения графика необходимо:

1) Определить содержание н.к. в газовой фазе

2) Определить минимально флегмовое число. Минимально флегмовое число соответствует режиму колонны

R_min= (1.2)

3) Определить рабочее флегмовое число

R= R_min*β , где β – коэффициент избытка флегмы (1.2/2.5) (1.3)

4) Определить отрезок b

b= (1.4)

5) Построить рабочую линию процесса

2 Физические свойства веществ, участвующих в процессе

Рассчитать установку периодического действия для разделения F кг/с бинарной смеси с содержанием x_f в % мольных. Содержание компонента в дистилляте x_p, в % мольных, в кубовом остатке x_w в % мольных. Рабочее давление в колонне атмосферное.

N варианта	Проектируемый аппарат	F кг/ч	Смесь	Xf	Xp	Xw
5	колонна тарельчатая	7200	4-ххлористый углерод-этиловый спирт	32%	60%	4%

Свойства веществ:

Вещество	tкип, 0C	rисп*105 Дж/кг	ρж, кг/м3	Ср*103 Дж/кг*К	ν, м2/с	ρn, кг/м3	μ*10-6 Па*с
СCl4	77	1.93	1595	0.90	0.33	5.17	13.7
C2H5OH	78	10.80	789	3.20	0.57	1.60	10.8