міністерство  освіти і науки  україни 

Національний  технічний університет  україни

“київський  політехнічний ІНститут” 

Хіміко - технологічний факультет 

Кафедра машин та апаратів хімічних і нафтопереробних  виробництв 
 
 

КУРСова робота

з дисципліни: Процеси та апарати хімічних виробництв

на тему:

Проектування  ректифікаційної  колони для розділення СS₂ – CCl₄  
 
 

Виконала студентка групи ХА-71 ______________   В. А. Терещенко 

                                                                               (підпис, дата)

Керівник  проекту, д.т.н., професор ________________ О. Н. Півень

                                                                                      (підпис, дата)

Київ 2010 

міністерство освіти і науки україни

Національний  технічний університет  україни

“київський  політехнічний ІНститут” 

Хіміко - технологічний факультет 

Кафедра машин та апаратів хімічних і нафтопереробних  виробництв 
 
 
 
 

Пояснювальна  записка

до курсової роботи

з дисципліни: Процеси та апарати хімічних виробництв

на тему: Проектування ректифікаційної колони для розділення СS₂ – CCl₄  
 

Виконала студентка групи ХА-71 ______________   В. А. Терещенко  

                                                                               (підпис, дата)

Керівник  проекту, д.т.н., професор ________________ О. Н. Півень

                                                                                     (підпис, дата)

Київ 2010

міністерство  освіти і науки  україни 

Національний  технічний університет  україни

“київський  політехнічний ІНститут” 

Хіміко - технологічний факультет

Кафедра машин та апаратів хімічних і нафтопереробних  виробництв

       Завдання

до  курсової роботи

студентці Терещенко Вікторії Анатоліївній

1. Тема проекту: Колона ректифікаційна
2. Термін здачі студентом закінченої роботи:                    2010р.
3. Вихідні дані до роботи: Спроектувати колону для розділення СS₂ – CCl₄ продуктивністю – 6 т/год. Склад початкової суміші: НК-45%, ВК - 55%. Склад кубового залишку: ВК - 96%, НК-4%. Склад дистиллятора: НК - 98%, ВК-2%. Конструкція колони – насадкова. Температура початкової суміші – 30 ^оС, температура продуктів – 20 ^оС.
4. Перелік питань, які мають бути розроблені: 1) Вступ, 2) Призначення та область застосування ректифікаційної колони, 3) Технічна характеристика, 4) Опис і обґрунтування вибраної конструкції, 5) Розрахунки, що підтверджують працездатність та надійність конструкції, 6) Рекомендації, що до монтажу та експлуатації, 7)Висновки.
5. Перелік графічного (ілюстрованого) матеріалу:

                 Креслення ректифікаційної колони та головних її виглядів 

6.   Дата видачі завдання: „___”___________ 200__р.

Завдання  прийняла до виконання студентка ХА-71 ___________ 

В. А. Терещенко                                                                                             (підпис, дата) 
 

Керівник  дипломного проекту, д.т.н., професор ________________             

 О.  Н. Півень

                                                                                                                                                               (підпис, дата) 
 
 

     затверджую

     Керівник  курсової роботи

_______________ д.т.н., професор О.Н. Півень

                                                         „____”____________ 200___ р. 

       Календарний план-графік

       виконання курсової роботи

студенткою Тарасюк Віталією Анатоліївною 

Студентка групи ХА-71 ______________   В. А. Терещенко                                                                            (підпис, дата)

Зміст

Вступ   3

1 Призначення  та область використання розроблюваного виробу   5

2 Технічна характеристика   8

3 Вибір та обґрунтування вибраної конструкції   9

3.1 Огляд апаратурного оформлення даного і аналогічних технологічних

 процесів   9

3.2 Опис  і  обгрунтування  конструкції  апарату, його  основних  вузлів

 і деталей   9

3.3 Вибір матеріалів для виготовлення основних вузлів деталей апарату  10

3.4 Відповідність конструкції, що розробляється вимогам техніки безпеки

і промислової  санітарії  10

4 Розрахунки, що підтверджують працездатність  та надійність конструкції  11

4.1 Матеріальний баланс колони й визначення флегмового числа  11

4.2  Витрати рідини в колоні  17

4.3 Витрати пари в колоні  17

4.4 Визначення температурного режиму колони  18

4.5 Визначення теплофізичних властивостей рідини                                    18

4.6 Визначення теплофізичних властивостей пари             19

4.7 Визначення діаметрів колони                20

4.8 Визначення висоти колони та розрахунок висоти насадок           23 

4.9 Розрахунок гідравлічних опорів                         29

4.10 Тепловий розрахунок ректифікаційної установки            30

4.11 Гідравлічний розрахунок та вибір насосів              33

4.12 Розрахунок товщини обичайки                        33

4.13 Розрахунок товщини днищ                34

4.14 Розрахунок фланцевих з’єднань               35

4.15 Розрахунок штуцерів                          36

4.16 Розрахунок опор установки                37

5 Рекомендації, що до монтажу та експлуатації   38

Висновок   40

Перелік посилань    41

     Вступ

     Ректифікація  широко розповсюджена у багатьох галузях промисловості й призначена для розділення рідких сумішей на практично чисті компоненти або  фракції, які відрізняються за температурою кипіння. У хімічній і нафтопереробних технологіях цей процес використовується для розділення нафтопродуктів, зріджених газів, сумішей і повітря, у виробництві спиртів, капролактаму, полівінілхлориду тощо.

     Фізична сутність ректифікації полягає у двосторонньому масотеплообмінні між нерівноважними протитечіями парової й рідкої фази.

     Склад пари в процесі ректифікації визначається різною легкістю компонентів за тієї ж самої температури. Виходячи з  цього розрізняють легколеткі  (або низькокиплячі) та важколеткі (висококиплячі) компоненти. Низькокиплячий компонент (НКК) має найбільший тиск пари за даної температури порівняно з тиском пари будь-якого іншого компоненту суміші та, відповідно, найменшу температуру кипіння при однаковому для всіх компонентів тиску. Компонент, що має найменший тиск пари (найвищу температуру кипіння) , має назву висококиплячого компонента (ВКК).

     Під час контакту парової й рідкої сумішей , внаслідок того, що температура  парової суміші вища за температуру  кипіння НКК, але нижча за температуру кипіння ВКК, відбувається випаровування НКК з рідкої суміші й конденсація ВКК з парової суміші. Через багаторазове повторення масообміну , пара збагачується НКК, а рідина – ВКК. Таким чином, початкова рідка суміш розділяється на дві частини: дистилят – суміш, збагачену НКК і кубовий залишок – суміш, збагачена ВКК.

     Ректифікація  може здійснюватися періодично або  безперервно. В установках безперервної дії продукти розділення безперервно  відводяться з колони. Основними  умовами безперервного процесу є сталий склад початкової суміші та утворюваних рівноважних фаз, а також незмінність витрат початкової суміші й продуктів розділення.

     Основним  елементом ректифікаційної установки  є колона. Різноманітність властивостей речовин, що розділяються, зумовили велику кількість різновидів колон, які різняться за конструкцією внутрішньої будови. Їх призначенням є забезпечення взаємодії рідини й пари шляхом створення найбільш сприятливих умов контакту між ними.

     Контакт між рідиною та парою відбувається внаслідок:

• поверхневого контакту на насадках;
• барботування пари крізь шар рідини на тарілці;
• пропускання пару крізь простір, заповнений бризками рідини;
• контакту на поверхні рідини, що стікає тонкою плівкою.

     Процес  ректифікації реалізують за умов атмосферного тиску, а також коли тиск є більшим або меншим за атмосферний. Розділення сумішей, що мають температуру кипіння від 30 до 150 ⁰С, доцільно здійснювати за атмосферного тиску.

            Підвищений тиск використовується для розділення сумішей, що перебувають у газоподібному стані за більш низького тиску. Під вакуумом ректифікацію проводять, коли розділенню підлягають висококиплячі рідкі суміші.

      1. Призначення та область використання розроблюваного виробу

     Насадкові колони – це циліндричні апарати  з контактними елементами у вигляді тих чи інших за формою й розмірами тіл, потрібних для збільшення поверхні контакту фаз і зміни гідродинаміки потоків останніх.

     Принципову  схему ректифікаційної установки  представлено на рисунку 1.1. Вихідну суміш з проміжної ємності 1 відцентровим насосом 2 подають до теплообмінника 3, де вона підігрівається до температури кипіння. Нагріта суміш поступає на розділення в ректифікаційну колону 5 на тарілку живлення, де склад рідини дорівнює складу початкової суміші х_F 

     1 - ємність для вихідної суміші; 2 - насос; 3 - теплообмінник-підігрівач;

     4 – кип’ятильник; 5 - ректифікаційна колона; 6 - дефлегматор;

     7 - холодильник дистиляту;  8 - ємність  для збирання дистиляту;

     9 – насос; 10 - холодильник кубової рідини; 11 - ємність для кубової ідини.

     Рисунок 1.1 Принципова схема ректифікаційної установки 

     Збігаючи  вниз по колоні, рідина взаємодіє з  спрямованим вверх паром, утвореним  в результаті кипіння кубової  рідини у кип’ятильнику 4. Початковий склад пари приблизно рівний складу кубового залишку х_W, тобто з’єднаний легколетучим компонентом. Для більш повного збагачення верхню частину колони зрошують відповідно до заданого флегмового числа рідиною (флегмою) складу х_Р, отриманою в дефлегматорі 6 шляхом конденсації пари, що виходить з колони. Частина конденсату виводиться з дефлегматору у вигляді готового продукту розділення – дистиляту, який охолоджується в теплообміннику 7 і направляється у проміжну ємність 8.

     З кубової частини колони насосом 9 безперервно виводиться кубова рідина – продукт, збагачений важколетучим компонентом який охолоджується в теплообміннику 10 і спрямовується в ємність 11.

     Таким чином у ректифікаційній колоні здійснюється безперервний процес розділення вихідної бінарної суміші на дистилят (з високим вмістом легколетучого компоненту) і кубовий залишок (збагачений важколетучим компонентом).

     Розрахунок  ректифікаційної колони зводиться  до визначення її основних геометричних розмірів – діаметра і висоти. Обидві ці величини в значній мірі визначаються гідродинамічним режимом роботи колони, який, в свою чергу, залежить від швидкості та фізичних властивостей фаз, а також від типу та розмірів насадок.

     При виборі типу насадок для масообмінних апаратів керуються рядом міркувань. Найбільш вірний вибір оптимального типу та розміру насадки може бути зроблений на основі техніко-економічного аналізу загальних витрат на розділ в конкретному технологічному процесі.

     Приблизний  вибір розміру насадочних тіл  можливо здійснювати виходячи з  наступних міркувань. Чим більший  розмір елемента насадки, тим більший її вільний об’єм та, відповідно, вища продуктивність.

     Однак, в наслідок меншої питомої поверхні ефективність крупних насадок дещо нижча. Тому насадку більшого розміру  застосовують коли необхідна висока продуктивність та відносно невелика степінь чистоти продуктів розділу.  

     В ректифікаційних колонах, які працюють при атмосферному тиску, для розділення агресивних рідин, а також в тих  випадках коли непотрібне постійна чистка апарату. Зазвичай використовують керамічні  кільця Рашига. Для даного випадку приймаємо насадку із керамічних щільноспечених кілець з фарфорової маси Рашига розміром 50×50×5 мм. Питома поверхня насадки м²/м³, вільний об’єм м³/м³.

     Насадочні колони можуть працювати в різних гідродинамічних режимах: плівковому, підвисання та емульсування. В колонах великої продуктивності з крупною насадкою здійснення процесу в режимі емульсування приводить до різного зменшення ефективності розділу, що пояснюється значним збільшенням зворотнього перемішування рідини та значної нерівноважності швидкості парів по перерізу апарату. Ведення процесу в режимі підвисання ускладнене в наслідок вузького інтервалу зміни швидкостей пару, в якому цей режим існує. Тому вибираємо плівковий режим роботи колони.

     Для знаходження швидкостей потоків  необхідно знайти навантаження за парою  та рідиною. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Технічна  характеристика
1. Апарат призначений для розділення суміші сірковуглець – чотирихлористий вуглець
2. Продуктивність за вихідною сумішшю 6000 кг/год з масовою часткою низькокиплячого компонента X_F 45%, залишок у кубі X_D 4%, у дистиляті 98%
3. Тиск у ректифікаційній колоні атмосферний
4. Тип ректифікаційної колони - насадкова
5. Середовище в апараті агресивне, токсичне
6. Тип насадок – керамічні кільця (кільця Рашига)

     3.    Вибір та обґрунтування вибраної конструкції

     3.1 Огляд апаратурного оформлення даного і аналогічних технологічних процесів 

     Колони  безперервної дії складаються з  нижньої (вичерпної) частини, в якій відбувається вилучення легколеткого компоненту зі стікаючої вниз рідини, і верхньої частини зміцнюючої, призначення якої - збагачення парів легколеткого компоненту. Схема установки безперервної ректифікації відрізняється від періодичної тим, що живлення колони початковою сумішшю певного складу відбувається безупинно з постійною швидкістю; готовий продукт постійної якості також безупинно відводиться.

     Розміри і конструкції куба, дефлегматора і кінцевого холодильника залежать від продуктивності установки, фізичних властивостей суміші, що переганяється, і режиму процесу.

     Дефлегматор звичайно являє собою кожухотрубний  теплообмінник. В дефлегматорі відбувається конденсація всіх парів, що вийшли з  колони. В кінцевому холодильнику дистилят охолоджується до заданої  температури.

     Ректифікаційні апарати постачають приладами для регулювання і контролю режиму роботи і нерідко апаратами для утилізації тепла. 

     3.2. Опис і обгрунтування конструкції  апарату, його основних вузлів  і деталей

     Процес  здійснюють в ректифікаційному апараті, що включає ректифікаційну колону, дефлегматор, холодильник-конденсатор, підігрівач вхідної суміші, збірки дистиляту і кубового залишку. Основним апаратом установки є ректифікаційна колона, в даному випадку насадочна колона.

     Пари  з попереднього шару кілець потрапляють в їх парові патрубки і барботують через шар рідини, в яку частково занурені кільця. Кільця мають отвори або зубчасті прорізи, що розчленують пар на дрібні струмки для збільшення поверхні контакту його з рідиною. Основною областю масообміну є шар піни і бризг, що створюється в результаті барботажу пари. 

     3.3. Вибір матеріалів для виготовлення основних вузлів деталей апарату

     Зважаючи на фізико - хімічні властивості речовини, що обробляється (чотирихлористий вуглець агресивний, пар), для виготовлення деталей, що контактують з сірковуглецем, вибирають високолеговану, корозійно - стійку сталь Х18Н10Т ГОСТ 5632 - 72.

     Для інших металевих деталей - вуглецеву  сталь звичайної якості Ст3 ГОСТ 380 – 94.  

     3.4. Відповідність конструкції, що  розробляється вимогам техніки безпеки і промислової санітарії

     Промислова  санітарія - це система організаційних, гігієнічних і санітарно-технічних  заходів і засобів, що запобігають  впливу на робітників шкідливих виробничих чинників (ГОСТ 2293 - 93).

     Організація і психологія виконання робіт повинні забезпечувати для співробітників на всіх стадіях виробничого процесу і відповідати умовам ГОСТ 12.3. 038 - 85 -ССБТ. Процеси виробничі- Загальні вимоги безпеки, ГОСТ 12.1. 004 - 91 -ССБТ. Шкідливі речовини. Класифікація і загальні вимоги безпеки- СНИП ІІІ - 4 - 80 -Техніка безпеки в будівництвіта ін.

     При виконанні робіт повинна бути забезпечена безпека для співробітників при виникненні таких небезпечних  і шкідливих виробничих чинників:

• Запиленість та загазованість повітря;
• Рівень шуму та вібрації на робочому місці;
• Недоліки освітлення;
• Відхилення від оптимальних норм температури, відносної вологості та швидкості руху повітря в робочій зоні;
• Електробезпека машин, що застосовуються і обладнання

4. Розрахунки, що підтверджують  працездатність та надійність конструкції

     Метою розрахунку є визначення геометричних розмірів насадкової колони та її гідравлічного  опору.

     Поставлена  мета досягається через визначення:

• продуктивності колони за дистилятом і кубовим залишком;
• робочих швидкостей пари ВКК;
• теоретичної й дійсної кількостей одиниць переносу.

           4.1 Матеріальний баланс колони й визначення флегмового числа

     Метою розрахунку є складання матеріального  балансу колони та розрахунок флегмового числа.

     За  експериментальними значеннями концентрації сірковуглецю в % мас. та молярних долях (таблиця 4.1) будуємо діаграму рівноваги (рисунок 4.1) та діаграму х, у – t (рисунок 4.2). Аналізуємо вихідні дані.

     Рисунок 4.1 Крива рівноваги 
 
 

     Таблиця 4.1 - Рівноважна молярна частка НКК у рідині й парі і температури кипіння  t_s^oC, бінарної суміші „ сірковуглець – чотирихлористий вуглець ” , коли тиск р = 0,1013 МПа.