Проектирование Ректификационной тарельчатой колонны непрерывного Действия для разделения бинарной смеси пропан-бутан

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕО ПРОФЕССИОНАЛЬНОО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

Кафедра «Машины и аппараты химических производств»

 

 

 

 

 

 

ПРОЕКТИРОВАНИЕ

РЕКТИФИКАЦИОННОЙ ТАРЕЛЬЧАТОЙ КОЛОННЫ НЕПРЕРЫВНОГО

ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ БИНАРНОЙ СМЕСИ ПРОПАН-БУТАН

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

 

к курсовому проекту по дисциплине

«Технологические машины и аппараты общего назначения»

 

 

 

 

 

 

 

 

Студент     6гр.5курс__         ________     __Туктаров Р.Ч                                         .                

(подпись)                                    (Ф.И.О.)         (дата)

 

 

 

 

Руководитель _________       _________                Иваняков С.В.              ________

Проекта                                 (подпись)                                          (Ф.И.О.)                                               (дата)

 

 

 

 

 

Самара 2013

 

РЕФЕРАТ

 

Курсовая работа заключается в разработке ректификационной колонны непрерывного действия для разделения бинарной смеси состава: пропан -бутан.

В работе представлены результаты расчетов:

- технологического (давления процесса, температуры по колонне -питания, верха, куба, материальный баланс, флегмовое число, число тарелок, тепловой баланс);

-гидравлическое сопротивление тарелок ( диаметр колонны, диаметры штуцеров, сопротивление тарелок, межтарельчатый унос) толщина обечайки, ветровая нагрузка).

-механического (толщина обечайки, ветровая нагрузка)

 

Пояснительная записка содержит:

 

Стр                             - 50

Рисунков                   - 3

Таблиц                       - 3

Библиографический список -20

 

Графическая часть:

 

Чертеж колонны общего вида (формат А1)-1

Тарелка (формат А1)                                      -1

 

 

 

 

 

 

                                                           СОДЕРЖАНИЕ

 

1 Литературный анализ……………………………………………………………….5

2 Технологический расчет……………………………………………………………12

2.1 Составление материального баланса колонны……………………………12

2.2 Определение давления и температурного режима колонны…………….15

2.3 Построение диаграммы равновесия жидкость-пар в координатах х-у….19

2.4. Определение оптимального флегмового числа…………………………..20

2.5 Построение рабочей линии процесса и определение числа

теоретических тарелок………………………………………………………………..20

2.6 Определение расхода пара и флегмы в колонне…………………………..22

2.7 Тепловой баланс колонны…………………………………………………..24

3 Гидравлический расчет……………………………………………………………..25

3.1 Определение диаметра колонны……………………………………………26

3.2 Гидравлическое сопротивление тарелки и межтарельчатый унос……….28

3.3 Определение среднего к.п.д. тарелки………………………………………32

3.4 Определение высоты колонны и диаметров штуцеров…………………...33

3.5 Определение толщины изоляции…………………………………………..35

4 Механический расчет……………………………………………………………….38

4.1 Расчет толщины обечайки…………………………………………………..38

4.2 Расчет толщины днищ……………………………………………………....39

4.3 Проверка на возможность проведения гидроиспытаний………………... 39

4.4  Расчет на прочность и укрепления штуцеров………………………….....40

4.5 Ветровая нагрузка на аппарат………………………………………............41

5 Заключение………………………………………………………………………….49

6 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..………………………………50

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Постановка задачи: разработать ректификационную колонну непрерывного действия для разделения бинарной смеси пропан-бутан.

Исходные данные:

производительность по сырью - 18500 кг/ч

 

Содержание легколетучего компонента, % массовый:

-в исходной смеси 54%   

-в дистилляте          99%

-в кубовом остатке   1,6%

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Литературный анализ

 

Процесс ректификации служит для разделения летучих жидких веществ (компонентов смеси) на их составные части.

Ректификацию проводят в колонных аппаратах, при этом осуществляется многократный контакт между потоками жидкости и пара.

Если жидкость состоит из двух взаиморастворимых компонентов (бинарная смесь), кипящих при различных температурах, то ее можно разделить взаимодействием паров и жидкости, постепенно обогащая пар одним  компонентом, а жидкость другим. Компонент, кипящий при более низкой температуре, называется низкокипящим или высоколетучим (сокращенно НКК), а компонент кипящий при более высокой температуре, называется высококипящим или низколетучим (сокращенно ВКК).

При испарении смеси образуются пары. В которых содержание НКК будет более высоким, чем в кипящей жидкости. Если пары сконденсировать в жидкость, а затем снова испарить, в парах еще больше увеличится содержание НКК. Последовательно повторяя процессы испарения и конденсации, можно достичь желаемой чистоты НКК в парах, так и ВКК в жидкости. Это и есть процесс ректификации.

Жидкость, полученная в результате конденсации паров, называется дистиллятом, а жидкость не, испарившаяся, обогащенная высококипящим компонентом. называется кубовым остатком.

Существует два принципиально разных метода перегонки - простая перегонка (дистилляция) и сложная (ректификация).

Простая перегонка представляет собой процесс однократного частичного испарения жидкой смеси и конденсации образующихся паров. Простая перегонка применима только в тех случаях, когда разделяемые компоненты имеют существенно различную летучесть. Значительно полное разделение жидких смесей достигается ректификацией.

Ректификацию проводят в колонных аппаратах, осуществляя многократный контакт между потоками жидкостной и паровой фаз. Движущая сила ректификации- разность между фактическими и равновесными концентрациями компонентов в паровой фазе, отвечающими составу жидкой фазы. Парожидкостная смесь стремится к равновесию, в результате чего пар обогащается низкокипящими, а жидкость -высококипящими компонентами.

Процесс ректификации по аппаратурному оформлению и условиям проведения достаточно многообразен. Наибольшее распространение получили ректификационные колонны: тарельчатые (клапанные, ситчатые, колпачковые и т.д) и насадочные.

В зависимости от характеристики исходного сырья процесс ректификации можно проводить под атмосферным давлением, избыточным и под вакуумом.   Процесс ректификации проводится в ректификационных колоннах при взаимодействии на тарелках двух встречных потоков: газового - снизу вверх и жидкостного -сверху вниз. В среднюю часть колонны (зона питания) вводится сырье. Выше ввода сырья находится концентрационная зона колонны, а ниже -отгонная зона. С верха концентрационной части колонны получают продукт необходимой чистоты - ректификат, а с нижней части отгонной зоны -остаток. Для работы ректификационной колонны необходимо, чтобы с тарелки на тарелку непрерывно стекала орошающая жидкость- флегма. Она образуется за счет возвращения в колонну части готового продукта. Изменением подачи флегмы регулируете температура верха колонны, тем самым определяется качество получаемого дистиллата.

Принцип работы ректификационной колонны.

Для заданного разделения смесей используются ректификационные аппараты, представляющие собой ряд ступеней контакта, соединенных в противоточный разделительный каскад.

Наиболее простое конструктивное оформление противоточного каскада в ректификационных аппаратах достигается при движении жидкости от одной ступени контакта к другой под действием силы тяжести. В этом случае контактные устройства (тарелки) располагаются одно под другим и разделительный аппарат выполняется в виде вертикальной тарельчатой колонны. При ступенчатом осуществлении процесса ректификации в колонных аппаратах контакт пара и жидкости на тарелках может происходить в противотоке, в перекрестном токе, в прямотоке или смешанном токе фаз. В зависимости от технологической схемы установки используются простые или сложные.

Простая ректификационная колонна имеет один сырьевой поток, два продуктовых, один теплоотвод и один теплосъем по концам аппарата. При ректификации бинарной смеси сырье подается в середину колонны. Дистиллят, обогащенный легколетучим компонентом, отбирается с верха колонны, а остаток, обогащенный тяжелолетучим компонентом - снизу колонны.

Пары в колонне двигаются снизу вверх. Пары в колонну поступают из кипятильника. Кипятильник как правило устанавливается вне колонны. Испарение жидкости на тарелке происходит за счет тепла конденсации пара. Из пара конденсируется и переходит в жидкость высококипящий компонент, содержание которого в поступающем на тарелку паре выше равновесного с составом жидкости на тарелке.

Пар, выходящий из кипятильника, почти чистый ВКК, по мере движения вверх он все более обогащается НКК и покидает колонну ( верхнюю часть) почти в виде чистого НКК, который практически полностью переходит в паровую фазу по пути движения от нижней тарелки (кипятильника) до верхней ( дефлегматора).

Пары, покидающие колонну, поступают на конденсацию в дефлегматор. Полученный дистиллят (жидкость) поступает в разделительную емкость, откуда выходит двумя потоками: один поток возвращается в колонну на орошение, другой поток выводится как продукт.

Флегма, поступающая в колонну, представляет собой чистый низкокипящий компонент. Однако, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, обогащается высококипящим компонентом, который конденсируется из пара. Когда жидкость достигает нижней тарелки- это практически чистый ВК.

Кипятильник обогревается теплоносителем. Для уменьшения тепловой нагрузки на кипятильник, сырье, поступающее в колонну подогревается. В качестве теплоносителя можно использовать тепло отводимое с кубовой жидкостью. В этом случае подогреватель принято называть рекуперативным теплообменником.

Для четкой работы колонна оснащена необходимыми контрольно-измерительными приборами:

-регулирование температуры куба колонны осуществляется расходом в кипятильнике;

-регулирование давления верха колонны ведут по температуре конденсации паров, поступающих в дефлегматор. Это достигается регулированием расхода хладоагента, подаваемого в дефлегматор (с коррекцией температуре).

-расход флегмы регулируется в зависимости от состава и количества подаваемого сырья.

-контролируется перепад давления по колонне.

Флегмовое число

Флегмовым числом R называется отношение количества жидкости - флегмы, возвращаемой для орошения на верхнюю тарелку колонны к количеству жидкости, отбираемого в сборник в качестве готового продукта т.е. к производительности колонны по дистиллату. Флегмовое число вместе с числом тарелок являются основными параметрами, определяющими заданное разделение в процессе ректификации. При увеличении флегмового числа необходимое число тарелок уменьшается и наоборот. Предельные значение флегмового числа (R_min и R_max =∞) определяют следующие характерные условия разделения.

Минимальное флегмовое число отвечает такому расходу орошения при котором требуется бесконечное число тарелок для получения заданного разделения компонентов.

При бесконечном флегмовом числе требуется минимальное количество тарелок

Таким образом, предельными условиями разделения при расчете процесса ректификации являются, с одной стороны, минимальное флегмовое число при бесконечном числе тарелок, с другой - минимальное число тарелок при бесконечном флегмовом числе.

Реальные условия ведения процесса разделения отвечают промежуточному значению флегмового числа при соответствующем числе тарелок.

R>R _min или  β>1 при N > N _min

(β - коэффициент избытка флегмы, N - число тарелок)

Устройство ректификационных аппаратов

Самые распространенные ректификационные аппараты в промышленности это тарельчатые и насадочные колонны.

Они отличаются друг от друга внутренним устройством, назначение которого обеспечить максимальную поверхность контакта пара с жидкостью. Тарельчатые колонны бывают с различными тарелками: колпачковыми, ситчатыми, решетчатыми провального типа.

Колонны с колпачковыми тарелками наиболее распространены.Колпачки могут быть круглыми (капсульные),туннельными (желобчатые) и клапанными. Паровые патрубки колпачков развальцовываются или привариваются к тарелке. Зубчатые прорези или отверстия внизу цилиндрической части колпачка способствуют разделению парового потока и увеличивают поверхность контакта пара с жидкость на тарелке. Тарелки на кольцевых опорах крепятся к корпусу аппарата. Уплотнения между тарелками и корпусом аппарата могут быть в виде плоских прокладок, гидрозатвора или сальника между отбортованной тарелкой и корпусом аппарата.