Введение

Ректификация широко распространена во многих отраслях промышленности и применятся для получения разнообразных продуктов в практически чистом виде путем разделения их жидких смесей, а также для получения чистых газов из сжиженных смесей.

Получение чистых компонентов может быть осуществлено с помощью ректификации – процесса 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 метиловый спирт (C₂H₅OH) – вода (H₂O). Поскольку температура кипения воды (t_К = 100°С) выше температуры кипения метилового спирта (t_К = 64,7°С), то в данной смеси высококипящим компонентом является вода, а низкокипящим - метиловый 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 уст,новки4 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. Роторные колонны достаточно сложны в исполнении, ограничены по своим конструктивным размерам и, кроме того, их использование влечет за собой высокие эксплуатационные расходы на привод ротора. Исходя из этого, использование в проектируемой установке роторной колонны нецелесообразно. Насадочные колонны очень просты в исполнении, но при наиболее эффективном режиме их работы орошающая жидкость задерживается в объеме колонны в максимальном количестве, образуя в проходах насадки газожидкостную смесь – плотную пену. Такой режим отличается тем, что небольшое увеличение скорости газа (пара) приводит к «захлебыванию» колонны вследствие преобладания сил трения над силами тяжести. 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. Альтернативой ситчатым тарелкам могут служить колпачковые тарелки, но они отличаются более сложным исполнением, неудобном при монтировке и ремонте, однако они отличаются стабильностью работы. Но при ранее оговоренном условии постоянства режима работы установки в использовании колпачковых колонн нет необходимости. 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.

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.

Исходную смесь подают в то место ректификационной колонны 3, в котором она соприкасается со встречным потоком 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.

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.