Проект ректификационной колонны метанол-вода

Введение

Ректификация бинарных систем является процессом разделения растворов на один или два практически чистых компонента путем осуществляемого в ректификационной колонне многократного двустороннего массообмена между движущимися противотоком парами и жидкостью.

Хотя в промышленной практике сравнительно редко встречаются случаи разделения двухкомпонентных систем, теория ректификации бинарных смесей имеет большое познавательное значение, ибо позволяет со всей отчетливостью выявить приемы и методы исследования процесса, происходящего в ректификационном аппарате, и представить результаты такого изучения на весьма наглядных расчетных диаграммах. Используя графические приемы, удается наиболее просто представить принципы расчета различных режимов работы колонны, носящие общий характер и равно приложимые и к более трудным случаям, когда разделению подвергается уже не бинарная, а значительно более сложная многокомпонентная система.

Взаимодействие фаз при ректификации представляет собой диффузию низкокипящего компонента из жидкости в пар и высококипящего компонента из пара в жидкость, обусловленную разностью концентраций компонентов в массообменивающихся потоках паров и жидкости. Основным условием эффективного обмена веществом между фазами является их как можно более интенсивный контакт.

На тарелках ректификационной колонны, которые могут иметь самую различную конструкцию, осуществляется интенсивное взаимодействие между восходящим паровым и нисходящим жидким потоками. В предельном случае работы тарелки энергообмен между соприкасающимися парами и жидкостью приводит к выравниванию их температур, в результате обмена веществом устанавливаются равновесные значения составов фаз, и процесс их взаимодействия прекращается, так как парожидкая система приходит в равновесное состояние. Пары и жидкость отделяются друг от друга, и процесс продолжается вследствие нового контактирования этих фаз уже на следующей ступени с другими жидкими и паровыми потоками.

В термодинамической теории массообменных процессов разделения при переходе от составов фаз в одном межтарелочном отделении к составам фаз в соседнем за количественную основу принимается гипотеза теоретической тарелки (ступени). Особенность этой теории состоит в том, что она не занимается вопросом о механизме процесса и не исследует диффузионной природы и кинетической картины явления массопередачи на контактной ступени.

Теория массообменных процессов разделения, основанная на концепции теоретической тарелки (ступени), изучает предельные условия проведения процесса и устанавливает эталоны, сравнением с которыми можно получить правильное суждение о работе практического аппарата и о степени его отклонения от наиболее совершенного в данных условиях образца.

В настоящее время перегонка и ректификация широко распространены в химической технологии и применяются для получения разнообразных продуктов в чистом виде, а также для разделения газовых смесей после их сжижения (разделение воздуха на кислород и азот, разделение углеводородных газов и др.).

Обоснование выбора конструкции основних узлов аппарата

В основном распространены тарельчатые колонны, но конструкции и типы тарелок в них самы разнообразные и часто довольно сложные. Преимущественно использование тарельчатых колонн в процессах перегонки объясняется их значительно большей производительностью сравнительно с насадочными. Так, опытные данные показывают, что производительность насадочной колонны диаметром 1,5 м равна производительности тарельчатой, имеющей диаметр 1 м, причем эту разность диаметров не компенсирует даже то, что высота тарельчатой колонны при этом увеличивается.

При выборе типа ректификационной колонны для проектируемого разделения следует иметь в виду, что тарельчатые колонны очень малого диаметра значительно дороже соответствующих насадочных колонн, однако по мере увеличения диаметра стоимость насадочных колонн растет намного быстрее; для приблизительной грубой оценки можно считать, что стоимость насадочной колонны растет пропорционально квадрату диаметра, а колпачковой — диаметру в первой степени. Следовательно, за пределами некоторого граничного значения диаметра использование тарельчатых колонн должно быть более экономичным.

Длительный опыт промышленной эксплуатации насадочных колонн показал целесообразность их использования при диаметрах не больше 0,8 м. При дальнейшем увеличении диаметра насадочной колонны ухудшается равномерное распределение флегмы по насадке, образуются каналы, по которым преимущественно устремляется флегма, и эффективность колонны резко снижается. Насадочные колонны обладают недостаточной гибкостью в работе, выражающейся в необходимости сравнительно больших флегмовых чисел; кроме того, в них трудно поддерживать стабильный режим работы.

Явление барботажа в колонне состоит в контактировании паров и флегмы путем пропускания восходящего парового потока через слой жидкости, движущейся по тарелке.

Наиболее распространены в практике колпачковые тарельчатые колонны, хотя в последнее время получили преимущество ситчатые, клапанные, чешуйчатые и другие более эффективные виды барботажных устройств, главным назначением которых является максимальное развитие поверхности межфазового контакта, способствующее интенсификации массообмена между парами и флегмой. Помимо этого, выбор типа контактного устройства определяется и такими факторами, как экономия материала, стоимость, легкость изготовления, чистки и ремонта, стойкость к коррозии, малое падение напора при прохождении паров, широта диапазона устойчивой работы тарелки.

В нашем случае наиболее подходит колонна с ситчатыми тарелками. Она представляет собой вертикальный цилиндрический корпус с горизонтальными тарелками, в которых равномерно по всей поверхности просверлено значительное число отверстий диаметром 1—5 мм. Для слива жидкости и регулирования ее уровня на тарелке служат переливные трубки, нижние концы которых погружены в стаканы.

Газ проходит сквозь отверстия тарелки и распределяется в жидкости в виде мелких струек и пузырьков. При слишком малой скорости газа жидкость может просачиваться (или «проваливаться») через отверстия тарелки на нижерасположенную, что должно привести к существенному снижению интенсивности массопередачи. Поэтому газ должен двигаться с определенной скоростью и иметь давление, достаточное для того, чтобы преодолеть давление слоя жидкости на тарелке и предотвратить стекание жидкости через отверстия тарелки. Ситчатые тарелки отличаются простотой устройства, легкостью монтажа, осмотра и ремонта. Гидравлическое сопротивление этих тарелок невелико. Ситчатые тарелки устойчиво работают в довольно широком интервале скоростей газа, причем в определенном диапазоне нагрузок по газу и жидкости эти тарелки обладают высокой эффективностью. Вместе с тем ситчатые тарелки чувствительны к загрязнениям и осадкам, которые забивают отверстия тарелок. В случае внезапного прекращения поступления газа или значительного снижения его давления с ситчатых тарелок сливается вся жидкость, и для возобновления процесса требуется вновь запускать колонну.

Не смотря на эти недостатки ситчатые тарелки в большей степени подходят для разделения заданной смеси.

Заключение

В данном курсовом проекте изложены основы теории и расчёт парожидкосного равновесия в системах реальных растворов, элементы учения о межфазовой массопередаче, а именно термодинамическая теория и методы расчёта ректификации бинарных систем.

Спроектирована тарельчатая ректификационная колона непрерывного действия, производительностью 4000 кг/ч, для разделения жидкой смеси метанол-вода. Содержание легколетучего компонента для этой смеси: в исходной смеси 30% (масс.), в дистилляте 96% (масс.), в кубовом остатке 3.5% (масс.). В ходе расчетов были получены следующие основные размеры ректификационной колоны:

диаметр – 1000 мм;

высота тарельчатой части колоны – 5,7 м

полная высота колоны – 8,7 м

По этим данным выполнен чертеж ректификационной колоны.

рект колона 15 тарелок.dwg

Юля спецификация.dwg