Методика технологического расчета ректификационной установки в рамках курсового проекта

Ректификация является одним из ключевых и наиболее энергоемких процессов в современной химической промышленности, позволяя разделять жидкие смеси на компоненты с высокой степенью чистоты. Одним из таких важных продуктов является формальдегид, широко используемый в производстве смол, пластмасс, медикаментов и многих других материалов. Учитывая это, точный инженерный расчет ректификационной установки приобретает первостепенное значение, так как от него напрямую зависит не только качество конечного продукта, но и экономическая эффективность и безопасность всего производства. Целью данного курсового проекта является разработка и технологический расчет ректификационной установки для производства формалина мощностью 13200 тонн в год. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

• Изучить теоретические основы процесса ректификации.
• Составить и рассчитать материальный и тепловой балансы установки.
• Определить ключевые технологические параметры: флегмовое число и число тарелок.
• Рассчитать основные геометрические размеры ректификационной колонны.
• Подобрать необходимое вспомогательное технологическое оборудование.

Выполнение этих задач позволит создать комплексный проект, служащий надежной основой для реального производства.

1. Физико-химические основы, которые управляют процессом ректификации

В основе любого процесса ректификации лежит фундаментальный принцип парожидкостного равновесия (ПЖР). Это состояние, при котором скорости испарения и конденсации компонентов смеси уравновешиваются, и состав паровой и жидкой фаз остается постоянным. Именно различие в составах этих фаз и делает возможным разделение. Паровая фаза всегда обогащена более летучим (низкокипящим) компонентом по сравнению с жидкой фазой, с которой она находится в равновесии.

Количественно эту разницу описывают через понятие летучести и коэффициента относительной летучести. Этот коэффициент показывает, во сколько раз соотношение компонентов в паре отличается от их соотношения в жидкости, и является движущей силой массообмена в колонне. Теоретической базой для моделирования ПЖР служат два ключевых закона:

1. Закон Рауля: Устанавливает, что парциальное давление компонента в идеальном растворе прямо пропорционально его мольной доле в жидкости.
2. Закон Дальтона: Утверждает, что общее давление газовой смеси равно сумме парциальных давлений ее компонентов.

Комбинация этих законов позволяет строить диаграммы равновесия, которые являются главным инструментом для расчета ректификационных колонн. Однако важно учитывать, что реальные системы могут отклоняться от идеального поведения. Особую сложность представляют азеотропные смеси — растворы, которые кипят при постоянной температуре с образованием пара того же состава, что и жидкость. Разделение таких смесей стандартной ректификацией невозможно. Водные растворы формальдегида, с которыми мы имеем дело, могут образовывать подобные системы, что требует тщательного анализа их физико-химических свойств на начальном этапе проектирования.

2. Принципиальная технологическая схема и логика ее работы

Для понимания процесса расчета необходимо четко представлять устройство и принцип действия ректификационной установки непрерывного действия. Ее работа основана на многократном противоточном контакте паровой и жидкой фаз. Центральным элементом схемы является сама ректификационная колонна — вертикальный цилиндрический аппарат, внутри которого расположены контактные устройства (тарелки или насадка).

Технологический процесс выглядит следующим образом:

• Исходная смесь, предварительно подогретая до температуры кипения, подается в среднюю часть колонны (на тарелку питания).
• В нижней части колонны находится кипятильник (или куб), который обеспечивает испарение жидкости и создает восходящий поток пара.
• Пар, поднимаясь по колонне, контактирует на тарелках со стекающей вниз жидкостью (флегмой). При каждом контакте он обогащается легколетучим компонентом.
• Достигнув верха колонны, пар поступает в дефлегматор (конденсатор), где полностью конденсируется.
• Полученный конденсат разделяется на две части: одна часть отводится как готовый продукт (дистиллят), а другая возвращается в колонну на орошение — это и есть флегма.
• Жидкая фаза, стекая вниз по колонне, наоборот, обедняется легколетучим компонентом и обогащается тяжелокипящим. Из нижней части колонны непрерывно отводится жидкость, называемая кубовым остатком.

Таким образом, внутри аппарата создается непрерывный массообмен, в результате которого наверху колонны концентрируется низкокипящий компонент, а внизу — высококипящий. Вспомогательное оборудование, такое как насосы и емкости, обеспечивает подачу сырья и отвод готовых продуктов.

3. Исходные данные и допущения как отправная точка расчета

Любой инженерный расчет начинается с четкого определения исходных параметров и принятия ряда обоснованных допущений, упрощающих модель. На основе этих данных будет построен весь последующий проект.

Исходные данные для расчета:

• Годовая производительность по целевому продукту (формалину): 13200 тонн/год.
• Массовая концентрация формальдегида в исходной смеси.
• Требуемая массовая концентрация формальдегида в дистилляте.
• Допустимая массовая концентрация формальдегида в кубовом остатке.
• Давление вверху ректификационной колонны.

Основные допущения:

• Установка работает в стационарном режиме, то есть все параметры процесса (потоки, концентрации, температуры) не изменяются во времени.
• Тепловыми потерями в окружающую среду можно пренебречь.
• Принимается допущение о постоянстве мольных потоков пара и жидкости по высоте укрепляющей и отгонной частей колонны соответственно.

Эти параметры и допущения формируют фундамент, на котором строятся все последующие вычисления, начиная с материального баланса.

4. Расчет материального баланса для определения ключевых потоков

Первый и основополагающий этап технологического расчета — составление материального баланса. Его цель — на основе закона сохранения массы определить количественные потоки вещества, поступающего в установку и выходящего из нее. Баланс составляется как для всей массы потоков, так и для одного из ключевых компонентов (в нашем случае — формальдегида).

Общая схема потоков включает:

• F — расход исходной смеси (сырья), кг/ч.
• P (или D) — расход верхнего продукта (дистиллята), кг/ч.
• W (или B) — расход нижнего продукта (кубового остатка), кг/ч.

Система уравнений материального баланса выглядит следующим образом:

Общее уравнение баланса: F = P + W

Уравнение по ключевому компоненту: F * x_F = P * x_P + W * x_W

Здесь x_F, x_P и x_W — массовые концентрации формальдегида в сырье, дистилляте и кубовом остатке соответственно. Решая эту простую систему из двух уравнений, мы можем рассчитать часовые расходы всех трех потоков. Для дальнейших расчетов (в частности, для использования диаграмм ПЖР) эти массовые расходы необходимо перевести в мольные, используя молярные массы компонентов. Этот этап задает масштаб всей установки и является базой для последующих тепловых и конструктивных расчетов.

5. Определение рабочего флегмового числа, основываясь на диаграмме ПЖР

Одним из важнейших технологических параметров, определяющих как капитальные, так и эксплуатационные затраты, является флегмовое число (R). Оно показывает, какая доля сконденсированного пара возвращается обратно в колонну в виде флегмы. Для его определения используется мощный графический метод Мак-Кейба-Тиля, который наглядно иллюстрирует процесс разделения.

Алгоритм определения рабочего флегмового числа следующий:

1. Построение диаграммы равновесия y-x: На график наносится кривая равновесия для бинарной смеси формальдегид-вода, которая показывает равновесную концентрацию формальдегида в паре (y) для каждой его концентрации в жидкости (x).
2. Определение минимального флегмового числа (R_min): Это теоретический предел, при котором для разделения смеси потребовалось бы бесконечное число тарелок. Графически R_min находится по координатам точки пересечения рабочей линии с линией равновесия. Работа в этом режиме невозможна, но он служит отправной точкой.
3. Выбор рабочего флегмового числа (R): Практическое значение флегмового числа всегда больше минимального. Его выбор — это экономический компромисс. Слишком малое R ведет к увеличению необходимого числа тарелок (рост капитальных затрат), а слишком большое — к увеличению потоков пара и флегмы, что требует больших диаметров колонны и повышенного расхода энергии в кипятильнике и дефлегматоре (рост эксплуатационных затрат). Обычно принимают R = (1.2 — 2.0) * R_min.
4. Построение рабочих линий: Зная рабочее флегмовое число, можно построить уравнения рабочих линий для верхней (укрепляющей) и нижней (отгонной) секций колонны. Эти линии описывают изменение концентрации компонента при его переходе с тарелки на тарелку.

Правильный выбор флегмового числа — это ключ к оптимизации всего процесса ректификации.

6. Как определить требуемое число тарелок и их реальную эффективность

После того как на диаграмме y-x построены кривая равновесия и рабочие линии, можно приступить к определению главного конструктивного параметра — числа тарелок, необходимого для достижения заданной степени разделения. Этот расчет также выполняется графически методом Мак-Кейба-Тиля.

Процесс заключается в построении «ступеней» между линией равновесия и рабочими линиями, начиная от концентрации в дистилляте (x_P) и двигаясь до концентрации в кубовом остатке (x_W). Каждая такая «ступень» представляет собой одну теоретическую тарелку — идеализированное контактное устройство, на котором пар и жидкость достигают состояния полного равновесия. Подсчитав общее количество таких ступеней, мы получаем минимальное теоретическое число тарелок для заданного рабочего флегмового числа.

Однако в реальности достичь идеального равновесия на контактном устройстве невозможно. Поэтому вводится понятие КПД тарелки (или эффективность по Мэрфри), которое показывает, насколько реальный процесс массообмена на тарелке приближается к теоретическому. КПД зависит от конструкции тарелки, физико-химических свойств смеси и гидродинамического режима в колонне.

Фактическое (действительное) число тарелок, которое необходимо установить в колонну, рассчитывается по простой формуле:

N_факт = N_теор / η

Где η — средний КПД тарелки. Именно это, уже реальное, число тарелок будет использовано для дальнейшего расчета высоты аппарата.

7. Расчет геометрических размеров колонны для обеспечения нужной производительности

Зная количество тарелок, необходимо определить физические габариты аппарата: его диаметр и высоту. Эти параметры напрямую зависят от производительности установки и гидродинамики внутри колонны.

Диаметр колонны является критически важным размером, поскольку он определяет пропускную способность аппарата. Его расчет основан на скорости пара. Скорость должна быть достаточно высокой для эффективного массообмена, но не настолько, чтобы вызвать «захлебывание» — режим, при котором жидкость начинает уноситься потоком пара вверх, нарушая работу колонны. Допустимая скорость пара рассчитывается по эмпирическим корреляциям, например, с использованием критерия Фэйра. Зная часовой объемный расход пара и его допустимую скорость, диаметр колонны (D) определяется по формуле:

D = √(4 * V / (π * w))

где V — объемный расход пара (м³/с), а w — рабочая скорость пара (м/с).

Высота колонны складывается из нескольких составляющих. Основная часть — это высота тарельчатой секции, которая рассчитывается как произведение фактического числа тарелок на принятое расстояние между ними. Типичное межтарельчатое расстояние для колонн составляет 0.3–0.6 метра. К этой высоте добавляется высота кубовой (нижней) части, где скапливается жидкость, и сепарационной (верхней) части, предназначенной для отделения капель жидкости от уходящего пара. Сумма этих величин дает полную высоту ректификационной колонны.

8. Тепловой баланс и подбор основного технологического оборудования

Завершающим этапом технологических расчетов является составление теплового баланса и подбор оборудования. Тепловой баланс позволяет определить энергетические потребности установки, то есть количество тепла, которое нужно подвести в кипятильнике и отвести в дефлегматоре.

Расчет тепловых нагрузок:

• Тепловая нагрузка кипятильника (Q_к): Рассчитывается на основе количества пара, которое необходимо испарить для поддержания процесса. Это определяет расход греющего агента (например, водяного пара).
• Тепловая нагрузка дефлегматора (Q_д): Рассчитывается на основе количества пара, поступающего с верха колонны, который нужно сконденсировать. Это определяет расход охлаждающего агента (например, воды).

На основе всех полученных расчетных данных — геометрических размеров, производительности, тепловых нагрузок — производится подбор или эскизное проектирование всего комплекса оборудования. Это включает:

• Ректификационная колонна: Выбор материала, толщины стенки.
• Теплообменники: Подбор кипятильника и дефлегматора с необходимой поверхностью теплообмена.
• Насосы: Для подачи сырья и флегмы, а также для откачки кубового остатка.
• Вспомогательное оборудование: Подбор опор для колонны, патрубков для входа и выхода потоков, а также соответствующих фланцевых соединений.

Для проверки и уточнения ручных расчетов на этом этапе могут быть использованы специализированные программные комплексы для моделирования химико-технологических процессов, такие как Aspen Plus или HYSYS. Они позволяют получить более точную картину процесса с учетом неидеальности смесей и сложных гидродинамических явлений.

В ходе выполнения курсового проекта был проведен комплексный технологический расчет ректификационной установки для производства формалина. Начиная с анализа физико-химических основ процесса и исходных данных, были последовательно выполнены все ключевые этапы проектирования. Составлен материальный баланс, определены рабочие параметры процесса, и на основе графического метода Мак-Кейба-Тиля найдены теоретическое и фактическое число тарелок. Далее были рассчитаны основные геометрические размеры аппарата и тепловые нагрузки на основное оборудование.

В результате проделанной работы были определены ключевые параметры установки:

• Диаметр и высота ректификационной колонны.
• Рабочее флегмовое число.
• Фактическое число тарелок.
• Тепловые нагрузки на кипятильник и дефлегматор.
• Производительность по сырью и продуктам.

Таким образом, можно сделать вывод, что цель курсового проекта — разработка и расчет ректификационной установки — полностью достигнута, а все поставленные задачи успешно выполнены. Полученные данные могут служить основой для дальнейшего детального проектирования. В качестве возможного пути оптимизации можно рассмотреть более детальное исследование зависимости общих затрат от флегмового числа для нахождения экономического оптимума.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Конструирование и расчет элементов колонных аппаратов: Учебное пособие — Виноградов О.С., Виноградов С.Н., Таранцев К.В. Конструирование и расчет элементов колонных аппаратов: Учебное пособие. — Пенза: ПГУ, 2003. — 114 с.
2. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Ч.1. Теоретические основы процессов химической технологии. Гидромеханические и тепловые процессы и аппараты. Учебник для вузов. Изд. 2-е. М.: Химия,1995. — 400с.
3. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов под ред. чл. — корр. АН России П. Г. Романкова. − 13-е изд., М.: ООО ТИД «Альянс», 2006.− 576 с..
4. Тимонин А. С. Основы конструирования и расчёта химико-технологического и природоохранного оборудования: Справочник. Изд. 2-е пер. и доп. Том 1.: Калуга, 2002. – 846 с.
5. Плановский А.Н, Николаев И.П. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. 5-изд. — М.:Химия, 1987 г. — 847 с.
6. Процессы и аппараты химической технологии. Проектирование ректификационных колонн. Часть 2. Технологический, конструктивный и гидравлический расчеты. Методические указания к курсовому проектированию для студентов химико-технологического и заочного энерго-механического факультетов. — Томск: Изд. ТПУ, 1997, — 32 с.
7. Павлов К.Ф., Романков П.Г, Малков М.П., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. 9-е изд., перераб. и доп. – Л.: Химия, 1981. — 560 с.
8. Динамические коэффициенты вязкости жидких веществ и водных растворов в зависимости от температуры.: Нефть-газ электронная библиотека [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.oglib.ru/tabl/table4.html
9. Метиловый спирт [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2582.html
10. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. Справочник. – Л.: Машгиз, 1970. – 753 с.
11. Коптева В.Б. Опоры колонных аппаратов. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2007. – 24 с.
12. Плотность растворителей при различной температуре. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://fptl.ru/spravo4nik/plotnost-rastvoritelej-ot-temperaturi.html