Введение

Ректификация широко распространена во многих отраслях. Это процесс разделения растворов жидкостей на практически чистые компоненты путем испарения за счет возвращения в аппарат части получаемого продукта для осуществления многократного тепломассобмена между парами, движущимися противотоком, и жидкостью.

Состав паров в процессе ректификации определяется различной летучестью компонентов при одной и той же температуре. Исходя из этого, различают низкокипящие (легколетучие) и высококипящие (труднолетучие) компоненты. Низкокипящий компонент имеет наибольшее давление паров при данной температуре по сравнению с давлением паров любого другого компонента смеси и соответственно наименьшую температуру кипения при одинаковом для всех компонентов давлении. Компонент, обладающий наименьшим давлением или наивысшей температурой кипения, называется высококипящим компонентом. Неиспарившаяся в результате ректификации высококипящая жидкость называется остатком, а низкокипящая жидкость, полученная в результате конденсации паров, - дистиллятом или ректификатом.

Ректификационные установки по принципу действия делятся на периодические и непрерывные. В установках периодического действия разделяемую смесь загружают в куб одновременно и ректификацию проводят до получения продуктов заданного конечного состава. В установках непрерывного действия разделяемая сырая смесь поступает в ректификационную колонну и продукты разделения выводятся из нее непрерывно.

Ректификационные установки могут применяться для разделения как бинарных, так и многокомпонентных смесей.

В данном курсовом проекте рассчитывается ректификационная установка для разделения бинарной смеси этиловый спирт (C₂H₅OH) – вода (H₂O). Поскольку температура кипения воды (t_К = 100°С) выше температуры кипения метилового спирта (t_К = 78,3°С), то в данной смеси высококипящим компонентом является вода, а низкокипящим - этиловый спирт. В ходе данного курсового проекта будет произведен выбор тепловой схемы установки, выполнены тепловые и конструктивные расчеты ректификационной колонны и теплообменников, механический расчет и расчет изоляции, произведен выбор дополнительного оборудования. Также в проекте будут рассмотрены тепловой контроль и основные приборы для его осуществления, охрана труда при обслуживании установки, 4 основные правила эксплуатации установки и приведены технико-экономические показатели работы ректификационной установки.

1. Выбор и обоснование тепловой схемы установки

Основными типами аппаратов для проведения процесса ректификации являются тарельчатые, насадочные и роторные колонны. Для данного курсового проекта выбирается тарельчатая колонна, которая совмещает простоту конструктивного исполнения с эффективностью работы. Внутри колонны горизонтально друг над другом располагаются ситчатые тарелки, они просты в исполнении, легко монтируются и ремонтируются, у них сравнительное низкое гидравлическое сопротивление и достаточно высокая эффективность. В данном курсовом проекте режим работы ректификационной колонны принимается постоянным, следовательно, жидкость удерживается на тарелках статическим напором пара, движущегося снизу вверх. Схема конструкции ситчатой тарелки приведена на рисунке 1.1.

1 – основание тарелки; 2 – переливы.

Рисунок 1.1 – Конструкция ситчатой тарелки со схемами газа и жидкости.

Ректификационные колонны снабжаются соответствующей теплообменной аппаратурой: испарителем, подогревателями исходной смеси, конденсатором-дефлегматором, холодильниками дистиллята. Принципиальное значение для тепловой схемы ректификационной колонны имеет расположение дефлегматора и испарителя. В данном курсовом проекте дефлегматор устанавливается выше верха колонны, чтобы флегма стекала в колонну самотеком. Испаритель выносится за пределы колонны, так как в этом случае значительно облегчаются его ремонт и замена. Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рисунке 1.2.

Исходную смесь подают в то место ректификационной колонны 3, в котором она соприкасается со встречным потом пара с несколько большей концентрацией высококипящего компонента, чем в жидкой смеси. Место ввода исходной смеси, нагретой до температуры кипения в подогревателях 2, называется тарелкой питания. Она делит колонну на две части: верхнюю (укрепляющую) и нижнюю (исчерпывающую). В укрепляющей части происходит обогащение поднимающихся паров низкокипящим компонентом, а в исчерпывающей – удаление низкокипящего компонента. Тепло на кипение в колонне подводится к испарителю 4 куба колоны, который вынесен за пределы колонны в качестве самостоятельного теплообменника. В кубе колонны кипит жидкость. Пары ее поднимаются по колонне 3 вверх навстречу жидкости, вводимой в питательную тарелку. Из верхней части колонны богатые низкокипящим компонентом пары входят в конденсатор-дефлегматор 5, конденсируются, отдавая теплоту охлаждающей воде, и в виде парожидкостной смеси поступают в сепаратор 6. Из него часть жидкости, которая называется флегмой, возвращается в колонну. Другая часть, ректификатор, через холодильник 7 поступает сначала в конденсатор, где охлаждается до более низкой температуры, а затем – в сборник дистиллята.

1 – насос исходной смеси; 2 – подогреватели исходной смеси; 3 – ректификационная колонна; 4 – испаритель колонны; 5 – дефлегматор-конденсатор; 6 – сепаратор; 7 – холодильник готового продукта; 8 – насос охлаждающей воды.

Рисунок 1.2 – Тепловая схема ректификационной установки.

Процессы тепло- и массообмена в ректификационной колонне происходят на тарелках. Флегма из сепаратора 6 в колонне вступает в контакт с парами, образующимися в кубе колонны 3. При этом происходит частичная конденсация поднимающихся вверх паров и частичное охлаждение опускающейся жидкости. Таким образом, в процессе ректификации флегма вступает в тепло- и массобмен с парами. За счет теплоты конденсации паров высококипящего компонента из флегмы испаряется низкокипящий компонент, а сама флегма обогащается высококипящим компонентом; пары же, наоборот, поднимаясь, обогащаются низкокипящим компонентом за счет испарений его из флегмы и объединяются с высококипящим компонентом. В результате массообмена производится глубокое разделение бинарной смеси.

Давление в колонне атмосферное. В качестве греющего теплоносителя в испарителе колонны применяется пар, для получения которого устанавливается котел. Конденсат от испарителя колонны, имеющий высокую температуру, используется в качестве греющего теплоносителя во втором подогревателе исходной смеси, в первом подогревателе теплоносителем являются кубовые остатки. Охлажденные кубовые остатки и конденсат из подогревателей исходной смеси идут на собственные нужды предприятия. В качестве низкотемпературного теплоносителя для конденсатора-дефлегматора и холодильника готового продукта используется охлаждающая вода из оборотной системы водоснабжения.