Рассчитать и спроектировать ректификационную установку непрерывного действия для разделения бинарной смеси вода-уксусная кислота Курсовая работа (проект)

Процессы ректификации осуществляются периодически и непрерывно при различных давлениях: при атмосферном давлении, под вакуумом (для разделения смесей высококипящих веществ), а также под давлением больше атмосферного (для разделения смесей, являющихся газообразными при нормальных температурах).

Рассмотрим, как реализуются указанные выше условия в ректификационных колоннах непрерывного действия, которые наиболее часто применяются в промышленности.

Приведём лишь принципиальную схему непрерывно действующей ректификационной установки. Схему ректификационной установки изобразим на рисунке 1.1

Для непрерывного проведения процесса ректификации необходимо, чтобы поступающая на разделение смесь соприкасалась со встречным потоком пара с

несколько большей концентрацией высококипящего компонента, чем в жидкой смеси. Поэтому исходную смесь подают в то место ректификационной колонны 3, которое соответствует этому условию. Место ввода исходной смеси называют тарелкой питания, или питательной тарелкой.

Положение тарелки питания специально рассчитывается. Тарелка питания делит колонну на две части: верхнюю - укрепляющую и нижнюю – исчерпывающую. В укрепляющей части колонны происходит обогащение поднимающихся паров низкокипящим компонентом, а в исчерпывающей части – удаление этого компонента. Поток пара, поднимающегося по колонне, поддерживается испарением части кубовой жидкости в кипятильнике 4, а поток жидкости, текущей по колонне сверху вниз – возвратом части флегмы, образующей при конденсации выходящих из колонны паров в дефлегматоре 5. Отметим, что отношение количества киломолей флегмы Ф, приходящейся на 1 кмоль обтекаемого дистиллята D, называют флегмовым числом.

К достоинствам непрерывной ректификации относятся: высокая производительность, однородность получаемого продукта, лёгкость автоматизации, возможность рекуперации теплоты.

Во многих производствах химической, нефтяной и смежных с ними областях промышленности в результате технологических процессов получаются смеси жидкостей и газов, которые надо разделить на составные индивидуальные компоненты.

Для разделения смесей на чистые составляющие компоненты широкое применение нашёл метод ректификации. Сущность процесса ректификации представляет собой процесс многократного частичного испарения жидкости и конденсации паров. Процесс осуществляется путем контакта потоков пара и жидкости, имеющих различную температуру кипения, в установках, где происходит нагрев, испарение смеси, а затем многократный тепло- и массообмен между жидкой и паровой фазами. При каждом контакте из жидкости испаряется преимущественно легколетучий, или низкокипящий, компонент (НК), которым обогащаются пары, а из паров конденсируется преимущественно труднолетучий, или высококипящий, компонент (ВК), переходящий в жидкость. Такой двухсторонний обмен компонентами, повторяемый многократно, позволяет получить в конечном счете пары, представляющие собой почти чистый НК. Эти пары после конденсации в отдельном аппарате образуют дистиллят (ректификат) и флегму – жидкость, возвращаемую для орошения колонны и взаимодействия с поднимающимися парами. Пары получают путем частичного испарения снизу колонны остатка, являющегося почти чистым ВК.

В простейшем виде процесс многократного испарения можно осуществить в многоступенчатой установке, в первой ступени которой испаряется исходная смесь. На вторую ступень поступает на испарение жидкость, оставшаяся после отделения паров в первой ступени, в третьей ступени испаряется жидкость, поступившая из второй ступени (после отбора из последней паров) 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.

При достаточно большом числе ступеней таким путем можно получить жидкую или паровую фазу с достаточно высокой концентрацией компонента, которым она обогащается. Однако выход этой фазы будет мал по отношению к ее количеству в исходной смеси. Кроме того, описанные установки отличаются громоздкостью и большими потерями тепла в окружающую среду.

Значительно более экономичное, полное и четкое разделение смесей на компоненты достигается в процессах ректификации, проводимых обычно в более компактных аппаратах — ректификационных колоннах.

Кожухотрубчатые теплообменники относятся к числу наиболее часто применяемых поверхностных теплообменников. Кожухотрубчатый двухходовой теплообменник, состоит из корпуса или кожуха, и приваренных к нему трубных решёток. В трубных решётках закреплён пучок труб. К трубным решёткам крепятся крышки.

В кожухотрубчатом теплообменнике одна из обменивающихся теплом сред движется внутри труб (в трубном пространстве), а другая в межтрубном пространстве. Среды обычно направляют противотоком друг к другу.

В многоходовых теплообменниках с помощью поперечных перегородок, установленных в крышках теплообменника, трубы разделены на секции, или ходы по которым движется жидкость. Обычно разбивку на секции производят таким образом, чтобы во всех секциях находилось примерно одинаковое число

труб.

Вследствие меньшей площади суммарного поперечного сечения труб, скорость жидкости в трубном пространстве многоходового теплообменника возрастает в число раз равное числу ходов. Для увеличения скорости и удлинения пути движения среды в межтрубном пространстве служат сегментные перегородки. В горизонтальных теплообменниках эти перегородки являются одновременно промежуточными опорами для пучка труб.

Двухтрубчатые теплообменники, называемые также теплообменниками типа «труба в трубе», состоят из нескольких последовательно соединённых трубчатых элементов, образованных двумя концентрически расположенными трубами. Один теплоноситель движется по внутренним трубам, а другой – по кольцевому зазору между внутренними и наружными трубами. Внутренние трубы соединяются калачами, а наружные – патрубками.

Рассчитать и подобрать нормализованный кожухотрубчатый теплообменник для теплообмена между водой и органическим раствором. Горячий раствор в количестве G1 = 0,78 кг/с охлаждается от температуры 101,9°С до 35°С. Начальная температура холодного теплоносителя 20°С, конечная температура 40°С. Тепловая нагрузка, в соответствии с подразделом 3.6, 187160 Вт. Средняя движущая сила:

Рассчитать и подобрать нормализованный вид конструкции кожухотрубчатого испарителя ректификационной колонны с G = 2,45 кг/с паров кубового остатка при температуре кипения 107,8°С.

В качестве теплоносителя используем насыщенный водяной пар давлением р=0,4 мПа, температурой конденсации 115°С.

В курсовой работе разработана тарельчатая ректификационная установка непрерывного действия для разделения бинарной смеси вода-уксусная кислота. Процесс проводится в вертикальной ректификационной установке. Диаметр колонны 2400мм. Используются ситчатые тарелки.

Для конденсации паров и подачи орошения в колону используется одноходовой кожухотрубчатый теплообменник – дефлегматор с поверхностью теплопередачи 60,0 м2, диаметром кожуха D=600 мм, с 316 трубами размером 20х2 и длиной L=3 м.

В качестве кубового испарителя выбрал теплообменник со следующими характеристиками: D=1200 мм, n=1544, размер труб 20х2 и поверхностью теплопередачи 582 м2 и длиной L= 6 м.

Для подачи смеси из закрытой емкости в теплообменник-подогреватель используем центробежный насос марки Х20/31, мощностью N=3 кВт, обеспечивающий напор Н =7 м.