Расчёт ректификационной колонны, работающей в режиме подвисания и предназначенной для разделения бинарной смеси изопропиловый спирт-вода

Расчёт ректификационной колонны, работающей в режиме подвисания и предназначенной для разделения бинарной смеси изопропиловый спирт-вода

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(национальный исследовательский университет)

Факультет «Химический»

Кафедра «Химическая технология»

Направление «Химическая технология и биотехнология»

Проект ректификационной установки (вариант 5)

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ

по дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии»

Челябинск 2013

АННОТАЦИЯ

В курсовом проекте представлен подробный расчёт ректификационной колонны, работающей в режиме подвисания и предназначенной для разделения бинарной смеси изопропиловый спирт-вода. Рассчитан материальный и тепловой баланс. Обоснован выбор оборудования. Выполнен чертёж ректификационной колонны.

Изучен принцип работы ректификационных колонн. Классическая колонна представляет собой вертикальный цилиндр с контактными устройствами внутри. Ректификация - это тепломассообменный процесс, в результате которого конденсация составляющих пара происходит раздельно.

ВВЕДЕНИЕ

Для разделения смеси жидкостей обычно прибегают к перегонке. Процесс перегонки был известен еще в древности. Он получил значительное развитие в средние века, когда научились получать этиловый спирт из продуктов брожения крахмала и сахаросодержащих материалов.

Разделение путем перегонки основано на различной температуре кипения отдельных веществ, входящих в состав смеси. Так, если смесь состоит из двух компонентов, то при испарении компонент с более низкой температурой кипения переходит в пары, а компонент с более высокой температурой кипения остается в жидком состоянии. Полученные пары конденсируются, образуя так называемый дистиллят; не испаренная жидкость называется остатком. Таким образом, в результате перегонки низкокипящий компонент переходит в дистиллят, а высококипящий - в остаток.

Описанный процесс, называемый простой перегонкой, не дает, однако, возможности произвести полное разделение компонентов смеси и получить их в чистом виде. Для достижения наиболее полного разделения компонентов применяют более сложный вид перегонки - ректификацию. Ректификация заключается в противоточном взаимодействии паров, образующихся при перегонке, с жидкостью, получающейся при конденсации паров.

Оба компонента являются летучими и потому оба переходят в пары, хотя и в различной степени. Поэтому образующиеся при перегонке пары не представляют собой чистого низкокипящего компонента. Поскольку он вследствие большей летучести испаряется в большей степени, то пары обогащены им по сравнению с содержанием его в исходной смеси. Таким образом, в дистилляте содержание компонента с более низкой температурой кипения выше, чем в исходной смеси, а в остатке, наоборот, содержание его ниже, чем в исходной смеси. В описанном явлении и заключается основное отличие перегонки от выпаривания. При выпаривании, как указывалось, один из компонентов (растворенное вещество) нелетуч, и в пары переходит только летучий компонент (растворитель).

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.). Однако при разделении чувствительных к повышенным температурам веществ, при извлечении ценных продуктов или вредных примесей из сильно разбавленных растворов, разделении смесей близкокипящих компонентов в ряде случаев может оказаться более целесообразным применение экстракции.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ И ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

.1 Описание технологической схемы

Представим себе аппарат, в котором снизу вверх движутся пары, а сверху (навстречу парам) подается жидкость, представляющая собой почти чистый низкокипящий компонент. При соприкосновении поднимающихся паров со стекающей жидкостью происходит частичная конденсация паров и частичное испарение жидкости. При этом из паров конденсируется преимущественно высококипящие компоненты, а из жидкости испаряется преимущественно низкокипящие компоненты. Таким образом, стекающая жидкость обогащается высококипящими компонентами, а поднимающиеся пары обогащаются низкокипящими компонентами, в результате чего выходящие из аппарата пары представляют собой почти чистый низкокипящий компонент. Эти пары поступают в конденсатор (дефлегматор), где и конденсируются. Часть конденсата, возвращаемая на орошение аппарата, называется флегмой, другая часть - отводится в качестве дистиллята.

Периодически действующие ректификационные установки применяют, как правило, для разделения жидких смесей в тех случаях, когда использование непрерывно действующих установок нецелесообразно. Обычно это характерно для технологических процессов, в которых количества подлежащих разделению смесей невелики и требуется определенное время для накопления этих продуктов перед разделением или в условиях часто меняющегося состава исходной смеси. Последний случай специфичен для гибких технологических процессов, в которых спектр получаемых продуктов весьма разнообразен.

Периодическую ректификацию проводят на установках с практически схожей технологической схемой. Исходную смесь из сборника центробежным насосом периодически загружают в куб колонны, снабженный подогревателем, в который подается теплоноситель, например насыщенный водяной пар. Исходную смесь доводят до кипения. Образующиеся пары поднимаются по колонне, в которой происходит противоточное взаимодействие этих паров с жидкостью(флегмой), поступающей из дефлегматора. Часть конденсата после распределительного стакана возвращается в колонну в виде флегмы, другая часть - дистиллят через холодильник собирается в сборнике, откуда насосом подается на склад. Процесс ректификации заканчивают обычно после того, как будет, достигнут заданный средний состав дистиллята. Кубовый остаток, охлаждаясь в холодильнике, стекает в сборник кубового остатка и насосом перекачивается на склад.

Периодическая ректификация может осуществляться двумя способами: при постоянном составе дистиллята и при постоянном флегмовом числе. В первом случае количество флегмы по мере уменьшения содержания легколетучего компонента в кубе должно постепенно возрастать. В промышленных условиях установки для проведения такого процесса необходимо оснащать управляющими автоматизированными системами, способными осуществлять непрерывное и строго программированное изменение питания колонны флегмой и подачи теплоносителя в испаритель (куб колонны). Изменение основных расходных параметров можно проводить, например, по данным о качественном составе легколетучего компонента либо в кубовой жидкости, либо в дистилляте.

Рисунок 1 - Принципиальная схема ректификационной установки: 1 - емкость для исходной смеси; 2,9 - насосы; 3 - теплообменник-подогреватель; 4 - кипятильник; 5 - ректификационная колонна; 6 - дефлегматор; 7 - холодильник дистиллята; 8 - емкость для сбора дистиллята; 10 - холодильник кубовой жидкости; 11 - емкость для кубовой жидкости

1.2 Принцип работы ректификационного аппарата

ректификационный аппарат флегмовый число

Обычно ректификационный аппарат состоит из двух частей: верхней и нижней, каждая из которых представляет собой организованную поверхность контакта фаз между паром и жидкостью.

В нижней части исходная смесь взаимодействует с паром, начальный состав которого равен составу кубового остатка. Вследствие этого из смеси извлекается НКК.

В верхней ступени пар начального состава соответствующий составу исходной смеси, взаимодействует с жидкостью, начальный состав которой равен составу дистиллята. Вследствие этого пар обогащается НКК до требуемого предела, а ВКК извлекается из паровой фазы.

Пар для питания ректификационной колонны получается многократным испарением жидкости, имеющей тот же состав, что и кубовый остаток, а жидкость - многократной конденсацией пара, имеющего состав, одинаковый с составом дистиллята.

Полученный в конденсаторе дистиллят делится на две части. Одна часть направляется обратно в колонну - флегма, другая является отбираемым продуктом - дистиллят. Отношение количества возвращенного в колонну дистиллята (флегмы) к количеству дистиллята, отобранного в виде продукта - называется флегмовым числом R.

В ректификационном аппарате снизу вверх движутся пары, а сверху подается жидкость, представляющая собой почти чистый НКК. При соприкосновении поднимающихся паров со стекающей жидкостью происходит частичная конденсация паров и частичное испарение жидкости. При этом из паров конденсируется преимущественно ВКК, а из жидкости испаряется преимущественно НКК. Таким образом, стекающая жидкость обогащается ВКК, а поднимающиеся пары обогащаются НКК, в результате чего выходящие из аппарата пары представляют собой почти чистый НКК. Эти пары поступают в конденсатор, называемый дефлегматором, и конденсируются. Часть конденсата, возвращаемая на орошение аппарата, называется флегмой, другая часть отводится в качестве дистиллята.

Как и для всех массобменных процессов эффективность ректификации зависит от поверхности контакта фаз. Для увеличения поверхности массобмена используют различные контактные устройства насадочного или барботажного типа.

1.3 Конструкция аппарата

Для проведения процессов ректификации применяются аппараты разнообразных конструкций. В ректификационных установках используют главным образом аппараты двух типов: насадочные и тарельчатые ректификационные колонны. Кроме того, для ректификации под вакуумом применяют пленочные и роторные колонны различных конструкций.

Насадочные, барботажные, а также некоторые пленочные колонны по конструкции внутренних устройств (тарелок, насадочных тел и т. д.) аналогичны абсорбционным колоннам. Ректификационные колонны снабжены теплообменными устройствами - кипятильником (кубом) и дефлегматором. Кроме того, для уменьшения потерь тепла в окружающую среду ректификационные аппараты покрывают тепловой изоляцией.

Кипятильник или куб, предназначен для превращения в пар части жидкости, стекающей из колонны, и подвода пара в ее нижнюю часть (под насадку или нижнюю тарелку). Кипятильники имеют поверхность нагрева в виде змеевика или представляют собой кожухотрубчатый теплообменник, встроенный в нижнюю часть колонны. Более удобны для ремонта и замены выносные кипятильники, которые устанавливают ниже колонны с тем, чтобы обеспечить естественную циркуляцию жидкости.

В периодически действующих колоннах куб является не только испарителем, но и емкостью для исходной смеси. Поэтому объем куба должен быть в 1,3 - 1,6 раза больше его единовременной загрузки (на одну операцию). Обогрев кипятильников наиболее часто производится водяным насыщенным паром.

В насадочных колоннах используются насадки различных типов, но в промышленности наиболее распространены колонны с насадкой из колец Рашига. Меньшее гидравлическое сопротивление насадочных колонн по сравнению с барботажными особенно важно при ректификации под вакуумом. Даже при значительном вакууме в верхней части колонны вследствие большого гидравлического сопротивления ее разрежение в кипятильнике может оказаться недостаточным для требуемого снижения температуры кипения исходной смеси.

Для уменьшения гидравлического сопротивления вакуумных колонн в них применяют насадки с возможно большим свободным объемом.

В самой ректификационной колонне не требуется отводить тепло, как в абсорберах. Поэтому трудность отвода тепла из насадочных колонн является скорее достоинством, чем недостатком насадочных колонн в условиях процесса ректификации.

Однако и при ректификации следует считаться с тем, что равномерное распределение жидкости по насадке в колоннах большого диаметра затруднено. В связи с этим диаметр промышленных насадочных ректификационных колонн обычно не превышает 0,8 - 1 м.

Как уже отмечалось, в насадочных колоннах поверхностью контакта фаз является смоченная поверхность насадки. Поэтому насадка должна иметь возможно большую поверхность в единице объема. Вместе с тем для того, чтобы насадка работала эффективно, она должна удовлетворять следующим требованиям: хорошо смачиваться орошающей жидкостью, т.е. материал насадки по отношению к орошающей жидкости должен быть лиофильным; оказывать малое гидравлическое сопротивление газовому потоку, т.е. иметь, возможно, большее значение свободного объема или сечения насадки; создавать возможность для высоких нагрузок аппарата по жидкости и газу; для этого насадка должна также иметь большие значения свободного объема; иметь малую плотность; равномерно распределять орошающую жидкость; быть стойкой к агрессивным средам; обладать высокой механической прочностью; иметь невысокую стоимость.

Очевидно, что насадок, которые бы полностью удовлетворяли всем указанным требованиям, не существует, так как соответствие одним требованиям нарушает соответствие другим (например, увеличение удельной поверхности, а насадки влечет за собой повышение гидравлического сопротивления, а также снижение предельно допустимых скоростей газа и т.д.).

Поэтому в промышленности используют большое число разнообразных по форме и размерам насадок, изготовленных из различных материалов (металла, керамики, пластических масс и др.), которые удовлетворяют основным требованиям при проведении того или иного процесса ректификации.

В качестве насадки наиболее широко применяют тонкостенные кольца Рашига, имеющие высоту, равную диаметру, который изменяется в пределах 15-150 мм. Кольца малых размеров засыпают в колонну навалом. Большие кольца (от 50х50 мм и выше) укладывают правильными рядами, сдвинутыми друг относительно друга. Такой способ заполнения аппарата насадкой называют загрузкой в укладку, а загруженную таким способом насадку - регулярной. Регулярная насадка имеет ряд преимуществ перед нерегулярной, навалом засыпанной в колонну: обладает меньшим гидравлическим сопротивлением, допускает большие скорости газа. Однако регулярная насадка требует более сложных по устройству оросителей, чем насадка, засыпанная навалом.

Хордовую насадку обычно применяют в колоннах большого диаметра. Несмотря на простоту ее изготовления, хордовая насадка вследствие небольших удельной поверхности и свободного сечения вытесняется более сложными и дорогостоящими видами фасонных насадок.

При выборе размеров насадки необходимо учитывать, что с увеличением размеров ее элементов увеличивается допустимая скорость газа, а гидравлическое сопротивление насадочной колонны снижается. Общая стоимость колонны с крупной насадкой будет ниже за счет снижения диаметра колонны, несмотря на то, что высота насадки несколько увеличится по сравнению с таковой в колонне, заполненной насадкой меньших размеров. Если необходимо провести глубокое разделение газовой смеси, требующее большого числа единиц переноса, то в этом случае рациональнее использовать мелкую насадку.

При выборе размера насадки необходимо соблюдать условие, при котором отношение диаметра D колонны к эквивалентному диаметру dэкв насадки меньше или равно 10.

1.4 Классификация ректификационных установок по периодичности действия

Все ректификационные установки, независимо от типа и конструкции колонн, классифицируют на установки периодического и непрерывного действия.

В ректификационных установках периодического действия начальную смесь заливают в перегонный куб, где поддерживается непрерывное кипение с образованием паров. Пар поступает на укрепление в колонну, орошаемую частью дистиллята. Другая часть дистиллята из дефлегматора или концевого холодильника, охлажденная до определенной температуры, через контрольный фонарь поступает в сборник готового продукта.

В колоннах периодического действия ректификацию проводят до тех пор, пока жидкость в кубе не достигает заданного состава. Затем обогрев куба прекращают, остаток сливают в сборник, а в куб вновь загружают на перегонку начальную смесь. Установки периодической ректификации успешно применяют для разделения небольших количеств смесей. Большим недостатком ректификационных установок периодического действия является ухудшение качества готового продукта (дистиллята) по мере протекания процесса, а также потери тепла при периодической разгрузке и загрузке куба. Эти недостатки устраняются при непрерывной ректификации.

Колонны непрерывного действия состоят из нижней (исчерпывающей) части, в которой происходит удаление легколетучего компонента из стекающей вниз жидкости, и верхней (укрепляющей) части, назначение которой - обогащение поднимающихся паров легколетучего компонента. Схема установки непрерывной ректификации отличается от периодической тем, что питание колонны начальной смесью определенного состава происходит непрерывно с постоянной скоростью; готовый продукт постоянного качества также непрерывно отводится.

1.5 Эксплуатация ректификационных установок

В работающей ректификационной колонне число тарелок или высота насадки - постоянные величины. Основными условиями достижения требуемой степени разделения компонентов при ректификации являются: подвод соответствующего количества тепла в куб колонны и подача на ее орошение необходимого количества флегмы. Оба эти условия неразрывно связаны друг с другом. Изменяя подвод тепла в кубе и подачу флегмы, можно регулировать работу колонны.

Обычно степень разделения компонентов контролируется по температурам в нижней и верхней частях колонны. Температура внизу колонны должна соответствовать температуре кипения остатка, температура наверху колонны - температуре кипения дистиллята. Наряду с этим применяют и другие методы контроля (определение плотности, определение показателя преломления, химический анализ и др.).

Если, например, содержание высококипящего компонента в дистилляте велико (температура наверху колонны выше нормы), необходимо увеличить подачу флегмы в колонну. При этом, однако, прежнего количества подводимого тепла в кубе будет недостаточно и избыток флегмы не испарится в кубе, а перейдет в остаток, в котором, таким образом, повысится содержание низкокипящего компонента. Поэтому одновременно с увеличением подачи флегмы надо увеличить подвод тепла, чтобы температура внизу колонны не стала ниже нормы.

Подачу флегмы регулируют изменением отбора дистиллята: при частичной конденсации путем регулирования количества подаваемой в дефлегматор воды, при полной конденсации при помощи вентиля на линии отбора дистиллята. Подвод тепла в кубе регулируется изменением подачи греющего пара. Регулирование процесса ректификации производится также путем изменения количества и состава подаваемой смеси. При изменении количества смеси меняется производительность установки и соответственно должны быть отрегулированы подвод тепла в кубе и подача флегмы. Существенное влияние оказывает изменение состава смеси. Если, например, содержание низкокипящего компонента в смеси уменьшилось, то уменьшится и его содержание в дистилляте; следовательно, температура вверху колонны повысится. Для сохранения требуемого состава дистиллята надо уменьшить его отбор.

Отбор остатка регулируется обычно так, чтобы уровень жидкости в кубе был постоянным. Если, вследствие увеличения подачи смеси или увеличения содержания в ней высококипящего компонента, уровень жидкости в кубе повышается, следует увеличить отбор остатка.

При периодической ректификации регулирование процесса производят путем увеличения флегмового числа с таким расчетом, чтобы состав дистиллята не изменялся. При этом по мере протекания процесса понижается скорость перегонки, т. е уменьшается количество отбираемого дистиллята. Количество тепла, подводимого в единицу времени, и количество образующихся паров остаются почти неизменными.

2. ДАННЫЕ ПО РАВНОВЕСИЮ СМЕСИ

Исходные данные: Разработать проект ректификационной установки непрерывного действия с насадочной ректификационной колонной, работающей в режиме подвисания и предназначенной для разделения бинарной смеси изопропиловый спирт - вода. Смесь изопропиловый спирт - вода поступает на ректификацию в количестве F=4500 кг/ч, содержание изопропилового спирта в смеси aF=35 масс. %, в дистилляте ар=70,0 мас. %, в кубовом остатке aw=1,6 масс. %. Начальная температура смеси до подогрева её в теплообменнике tH=20. В колонну смесь вводится при температуре ее кипения tF, а в дефлегматоре происходит полная конденсация поступающих в него паров. Продукты разделения охлаждаются в холодильнике до tK=30. Начальная температура воды, подаваемой на охлаждение tB=20. Данные приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Равновесные составы жидкости (х) и пара (у) в мол.% и температуры кипения (t) в  смеси изопропиловый спирт - вода при 760 мм.рт.ст.

3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

3.1 Материальный баланс

Определить количество дистиллята и остатка.

Решение: По уравнениям материального баланса:

 и  имеем:

3.2 Минимальное флегмовое число

Определим минимальное флегмовое число.

Выражая при помощи уравнения:

=  ,

где а - содержание изопропилового, масс. %,ИПС, MВОДА - молекулярные массы изопропилового спирта и воды соответственно, кг/моль.

Составы исходной смеси xF, дистиллята xp; и остатка xW в молярных долях, получаем: M(C3H7OH) =60,1 г/моль; M(H2O)=18,02 г/моль.

XF =  = 0,1384;=  = 0,6988;= = 0,0189.

Минимальное флегмовое число можно найти без графического построения по формуле:

Rmin= =  = 0,475;

где ордината точки В’ равна yF= 0,5184 (рисунок 2).

3.3 Рабочее флегмовое число

Принимаем коэффициент избытка флегмы 1,4, тогда рабочее флегмовое число составит:

Отрезок, отсекаемый рабочей линией укрепляющей колонны на оси ординат диаграммы равновесия (рисунок 2), определяем по формуле:

=  =  = 0,42.

3.4 Средние массовые расходы по жидкости и пару

Количество поднимающихся паров находим по формуле:

Количество стекающей жидкости в укрепляющей колонне равно количеству флегмы и составит:

Количество стекающей жидкости в исчерпывающей колонне:

(0,475) - определяется по рабочей линии состав пара в точке В.

Средний молярный состав пара в верхней части колонны:

и в нижней части колонны:

=  0,3589.

Средний молярный состав пара в колонне:

ср.=  = 0,4729.

По t-x-y диаграмме (рисунок 3) этому составу соответствует температура пара 80,5. Средняя плотность пара при этих условиях и абсолютном давлении P=0,98бар (1ат) по уравнению состояния составляет:

ρп= =  = 1,275 кг/м3 ,

где R=8314Дж/кмоль·град.- универсальная газовая постоянная.

Объемный расход пара составляет:

п= =  = 2857,443 м3/ч=0,8 м3/с

Плотность жидкости в верхней части колонны при среднем содержании изопропилового спирта:

хср.=  =  = 0,418.

Находим по формуле:

где и .

Плотность жидкости в нижней части колонны при

хср.= =  = 0,079;

Средняя плотность жидкости в колонне:

.

Объемный расход жидкости в верхней части колонны составляет:

ж.= =  = 1,68 м3/ч=0,000465 м3/сек.

Объемный расход жидкости в нижней части колонны составляет:

ж.=  =  = 6,04 м3/ч=0,0017 м3/сек.

3.5 Тепловой баланс. Расчет удельных теплоемкостей и теплотиспарения смеси

По диаграмме t-x-y (рисунок 3) находим температуру кипения исходной смеси (нк=2760 дж/кг·град;нк=747,8·103 дж/кг;

Свк= 4190 дж/кг·град;вк= 2340 дж/кг·град.

Расчет ведем на весовые количества:

Для дистиллята (флегмы) при ap=0,70 масс. %:

Сф=2760·0,70+4190·(1-0,70) дж/кг·град;ф=747,8·103·0,70+2340·103·(1-0,70)=1225,46·103 дж/кг.

Для остатка при aw=0,016 масс. %:
=2760·0,016+4190·(1-0,016)4167,12 дж/кг·град.

Для исходной смеси при aF=0,35 масс. %:

=2760·0,35+4190·(1-0,35)=3689,5 дж/кг·град.

3.6 Расход тепла для ректификационной смеси изопропанол-вода

Определяем расход тепла на испарение флегмы:

ф=P·Rrф=0,61·0,658·1225,46·103=491875,13 Вт.

Находим расход тепла на испарение дистиллята:

д.=P·(rф+Сф·tp-CF·tF)=0,61·(1225,46·103+3189·80,4-3689,5·96,6)=

=686524,44 Вт.

Вычисляем расход тепла на нагревание остатка:

ост.=W·(Cw·tw-CFtF)=0,64 · (4190 · 99,7 - 3689,5 · 96,6) = 39255,87 Вт.

Общий расход тепла в кубе (без учета потерь в окружающую среду) составляет:

=491875,13+686524,44+39255,87=1217655,44 Вт.

С учетом 5% потерь общий расход тепла:

=1,05·1217655,44  1278538,21 Вт.

3.7 Тепловая нагрузка дефлегматора

Тепловую нагрузку дефлегматора определяем по формуле:

деф.=P·(R+1)·rф=0,61·(0,658+1)·1225,46·103=1239405,74 Вт.

По найденным Q и Qдеф. Можно обычными способами расчета определить расход пара в кубе и воды в дефлегматоре.

4. РАСЧЕТ НАСАДОЧНОЙ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ

Расчет ректификационной колонны сводится к определению ее основных геометрических параметров - диаметра и высоты. Оба параметра в значительной мере определяются гидродинамическим режимом работы колонны, который, в свою очередь, зависит от скоростей и физических свойств фаз, а также от типа и размеров насадок. При выборе типа насадок для массообменных аппаратов руководствуются рядом соображений. При проведении процессов вакуумной ректификации с целью снижения гидравлического сопротивления выбирают специальные виды насадок, обладающих большим объемом. Наиболее правильно выбор оптимального типа и размера насадки может быть осуществлен на основе технико-экономического анализа общих затрат на разделение в конкретном технологическом процессе. Ориентировочный выбор размера насадочных тел можно осуществить исходя из следующих соображений. Чем больше размер элемента насадки, тем больше ее свободный объем и, следовательно, выше производимость. Однако вследствие меньшей удельной поверхности эффективность крупных насадок несколько ниже. Поэтому насадку большего размера применяют, когда требуются высокая производительность и сравнительно невысокая степень чистоты продуктов разделения. В ректификационных колоннах, работающих при атмосферном давлении для разделения агрессивных жидкостей, а также в тех случаях, когда не требуется частая чистка аппарата, обычно применяют керамические кольца Рашига. Насадочные колонны могут работать в различных гидродинамических режимах: пленочном, подвисания и эмульгирования. В колоннах большой производительности с крупной насадкой осуществление процесса в режиме эмульгирования приводит к резкому уменьшению эффективности разделения, что объясняет существенным возрастанием обратного перемешивания жидкости и значительной неравномерностью скорости паров по сечению аппарата. Введение процесса в режиме подвисания затруднено вследствие узкого интервала изменения скоростей пара, в котором этот режим существует. Для определения скоростей потоков необходимо определить нагрузки по пару и жидкости.

4.1 Определение оптимальной скорости пара

В качестве насадки возьмем керамические кольца 15.

Удельная поверхность f=330 м2/м3.

Свободный объем ε=0,7.

экв.=.

;

;

.=1,01 кг/сек=3643,24 кг/ч;=1,62 кг/сек=5945,87 кг/ч.

Определяем критерий Архимеда по следующей формуле:

Ar= = 2,6·104

Скорость газа, соответствующую началу подвисания, определяем по уравнению:

0,43 заменяя в ней соотношение  на равное;

=0,0450,43=0,045·(2,6·104)0,57(0,43=11,974.

Фиктивную скорость газа, соответствующую началу подвисания жидкости, вычисляем по формуле:

=

Аналогично для укрепляющей колонны (при Ф=0,402 кг/сек и остальных величинах тех же, что для исчерпывающей колонны) определено

0,43=0,045∙(2,6∙104)0,57∙()0,43= =21,995;

4.2 Определение диаметра колонны

Площадь сечения исчерпывающей колонны при расходе паров 0,08 м3/сек и скорости пара 0,403 м/сек составляет:

Аналогично для укрепляющей колонны:

= =  = 0,108 м2; D= = 0,4 м.

4.3 Определение высоты единицы переноса

Находим диффузионный критерий Прандтля для пара:

Dп=0,38∙10-4 м2/с

 ==.

Определяем высоту единицы переноса для исчерпывающей колонны:

=28,6r0,65= 28,6∙0,0085∙11,9740,2∙10,730,65=1,87 м.

Аналогично для укрепляющей колонны:

= 28,60,008521,9950,210,730,65=2,11 м.

4.4 Определение числа единиц переноса

Графическим методом определено число единиц переноса: для исчерпывающей колонны n = 2,43 и для укрепляющей колонны n = 6,5:

 =  = 0,5;

 =  = 0,43.

4.5 Определение высоты насадки

Высота насадки для исчерпывающей колонны составляет:

,87 3,54 м.

Для укрепляющей колонны:

,11  м.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате курсового проекта рассчитана и спроектирована ректификационная колонна непрерывного действия, работающая в режиме подвисания для разделения смеси изопропилового спирта и воды.

Тип ректификационной колонны - насадочная.

Диаметр колонны - 0,5 м, высота - 20,28 м.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.      Плановский, А.Н. Процессы и аппараты химической технологии / А.Н. Плановский, В.М. Рамм, С.З. Каган. - М.: Издательство Химия, 1968. - 848 с.

.        Островский, Г.М. Новый справочник химика и технолога. Процессы и аппараты химических технологий. Ч.II. / Г.М. Островский, Ю.С. Шлионский - СПб.: НПО «Профессионал», 2006. - 916 с.

.        Борисов, Г.С. Основные процессы и аппараты химической технологии / Г.С. Борисов и др.- М.:ООО ИД «Альянс», 2008.