Ректифікаційна колона

/>Реферат
В курсовомупроекті розроблена ректифікаційна колона для отримання етилового спирту. Описанатехнологічна схема установки. Описані існуючи установки для отриманняспирту-ректифікату. Дається характеристика матеріалу для виготовлення основнихчастин колони. Проведено технологічний розрахунок апарату. Виконані кресленнятехнологічної схеми ректифікаційної установки і загального виду ректифікаційноїколони.
Пояснювальназаписка містить аркушів 27; рисунків 7; таблиць 6; список використаних джерел10 найменувань.
Графічна частинамістить 2 креслення формату А1.
/>Вступ
Хімічний комплекс— один з провідних у структурі сучасної економіки. Від його розвитку, як і відрозвитку машинобудування, значною мірою залежить науково-технічний прогрес.Комплекс хімічних виробництв виготовляє продукцію для всіх основних галузейпромисловості, транспорту, сільського господарства, оборони, побутовогообслуговування та інших сфер діяльності. Він істотно впливає на рівень і темпирозвитку економіки в цілому.
Хімічна інафтохімічна промисловість займає важливе місце в сучасному промисловомупотенціалі України. Її частка в ВВП складає 5,5% [1], в загальному товарообігу промислової продукції – 6,4%,експорті промислової продукції – 12,5%. Проте потенційні можливості галузістосовно нарощування обсягів конкурентоспроможного товарного виробництва значновищі. Діючі хімічні і нафтохімічні підприємства здатні (за умови створеннясприятливих умов для розвитку імпортозаміщуючих виробництв) поставляти до 75%хімічної продукції споживчого і промислового призначення, яку споживаєвнутрішній товарний ринок. Однак, сьогодні ця доля складає лише 30%, а протягомостанніх трьох років вона скоротилась на третину. Суттєве скорочення споживанняхімічної продукції відбулось також і в проміжному промисловому споживанні – до8%.
Стимулюваннярозвитку хімічної галузі здатне призвести до ланцюгової реакції длянаростаючого розвитку багатьох споживаючих галузей промисловості череззабезпечення їх сучасними матеріалами і сировиною. Галузь має один з найвищихрейтингів міжгалузевого споживання.
За час кризивідбулись значні структурні зміни в попиті. Традиційно місткі споживачіхімічної продукції значно знизили її споживання через падіння обсягіввиробництва, низької покупної спроможності, що стало наслідком дефіцитуоборотних коштів і недоступності кредитних ресурсів. Так, хімічна промисловістьпротягом останніх 10 років знизила частку проміжного споживання на 5,5%,машинобудування — на 7,3%, легка промисловість – на 4,5%, вся промисловість –на 8%, що свідчить про посилення ролі непромислового споживання з одночаснимпослабленням ролі пріоритетних галузей-споживачів, зокрема, легкоїпромисловості і машинобудування. Сприяти підвищенню попиту останніх на хімічнупродукцію повинна державна підтримка розвитку пріоритетних галузей економіки.
Україна маєвеликі потенційні можливості для розвитку хімічної промисловості. На початку90-х років вона налічувала понад 80 великих підприємств. Особливістю галузі єте, що в структурі постачання сировини, матеріалів і напівфабрикатів близько60— 70% їх обсягу становили поставки за зв'язками по кооперації зпідприємствами республік колишнього Радянського Союзу. У цих же регіонахреалізовувалася значна частка виробленої продукції галузі.
Крім потужнихпідприємств, галузь характеризується наявністю суттєвого наукового потенціалу —великої кількості науково-дослідних і проектно-конструкторських організацій,серед яких і такі, що вели важливі розробки науково-технічних проблем хімічноїтехнології в колишньому Радянському Союзі.
Процес перегонкибув відомий ще в стародавності. Він одержав значний розвиток у середністоліття, коли навчилися одержувати етиловий спирт із продуктів бродіннякрохмалю й сахаровмісних матеріалів.
У цей часперегонка й ректифікація широко поширені в хімічній технології й застосовуютьсядля одержання різноманітних продуктів у чистому виді.
1.Літературний огляд1.1 Основні положення перегонки
Перегонка– метод поділу рідких однорідних сумішей, що складаються із двох або більшогочисла летучих компонентів.
У широкому змісті перегонка являє собою процес, щовключає частковий випар поділюваної суміші й наступну конденсацію пар, щоутворяться, здійснювані однократно або багаторазово. У результаті конденсаціїодержують рідину, склад якої відрізняється від складу вихідної суміші.
Поділ перегонкою засновано на різній летючостікомпонентів суміші при одній і тій же температурі. Тому при перегонці всекомпоненти суміші переходять у пароподібний стан у кількостях, пропорційних їхфугитивності (летючості).
У найпростішому випадку вихідна суміш є бінарної, тобтоскладається тільки із двох компонентів. Одержувана при її перегонці парамістить відносно більшу кількість легколетучого, або низькокиплячого,компонента (НК), чим вихідна суміш. Отже, у процесі перегонки рідка фазазбіднюється, а парова фаза збагачується НК. Рідина, що не випарувалася, природно,має склад, більш багатий важколетучим, або висококиплячим компонентом (ВК).
Ця рідина називається залишком, а рідина, отримана врезультаті конденсації пар, – дистилятом, або ректифікатом.
Ступінь збагачення парової фази НК за інших рівних умовзалежить від виду перегонки. Існують два принципово відмінних види перегонки:1) проста перегонка (дистиляція) і 2) ректифікація.
Проста перегонка являє собою процес однократногочасткового випару рідкої суміші й конденсації пар, що утворяться. Проста перегонказастосовна тільки для поділу сумішей, летючості компонентів якої істотно різні.
Значно більш повний поділ рідких сумішей на компонентидосягається шляхом ректифікації. Ректифікація – процес поділу гомогеннихсумішей летучих рідин шляхом двостороннього масо- і теплообміну міжнерівновагими рідкою й паровою фазами, що мають різну температуру й рухаютьсявідносно один одного. Поділ здійснюється звичайно в колонних апаратах прибагаторазовому або безперервному контакті фаз. При кожному контакті з рідини випаровуєтьсяпереважно НК, яким збагачуються пари, а з парової фази конденсується переважноВК, що переходить у рідину. Обмін компонентами між фазами дозволяє одержати востаточному підсумку пари, що представляють собою майже чистий НК. Ці пари, щовиходять із верхньої частини колони, після їхньої конденсації в окремомуапарату дають ректифікат (верхній продукт) і флегму – рідину, що повертаєтьсядля зрошення колони й взаємодії з парами, що піднімаються на колоні. Знизуколони відділяється рідина, що представляє собою майже чистий ВК, – залишок(нижній продукт). Частина залишку випаровують у нижній частині колони дляодержання висхідного потоку пари.1.2 Основні закони перегонки
Для двох взаємно розчинних рідин правило фаз може бутизаписане так:
S = K – f + 2 = 2 – 2 + 2 = 2,
де S — число ступенів волі; f — число фаз; K —число компонентів.
Таким чином, правило фаз указує на те, що із трьохпараметрів (температури t, тиску р і концентрації C), щовизначають стан системи, довільно можуть бути обрані два. Так, якщо задатисятемпературою й тиском, то склад системи (концентрація) буде певним як длярідкої, так і для парової фази.
Перший закон Д. П. Коновалова сформульований у такийспосіб: «Пара, що перебуває в рівновазі з розчином, завжди містить у надлишкутой компонент, додаток якого до розчину знижує температуру кипіння». Інакшекажучи, пара збагачується тим компонентом, додаток якого до рідини підвищуєзагальний тиск пар над нею.
Цей закон визначає якісний склад парової фази.Розглянемо для приклада систему етиловий спирт-вода. Додаток до рідкої фазиспирту викликає в цій системі зниження температури кипіння. Отже, при кипінніпарова фаза буде збагачуватися парами спирту.
В основу класифікації бінарних сумішей летучихкомпонентів покладена функціональна залежність загального тиску пар бінарноїсистеми від складу рідкої фази. Залежно від розчинності компонентів друг удругу крива приймає той або інший вид.
/>
Рис. 1. Залежність тиску пар бінарної системи від складурідкої фази
p1 і p2 — тиски пар чистих компонентів
Для розчинів, крива тиску яких має максимум або мінімум,існує деякий склад рідкої суміші, при якому пари, що виділяються, мають той жесклад, що й рідка фаза. Така суміш називається нероздільнокиплячої абоазеотропної. Положення цієї суміші на графіку р-х установлюється другим закономД. П. Коновалова: «В екстремумах тисків пари (або точок кипіння) сумішейсостави рідкої й парової фаз збігаються».
Цей закон установлює, що якщо на кривий склад-тиск єкрапка перегину (лінія 3 і 5 на рис. 1), те в цій крапці концентраціїкомпонентів в обох фазах будуть однакові. До цієї групи нероздільнокиплячихсумішей ставляться суміші етилового спирту й води, етилового спирту й бензолу йін.1.3 Криві рівноваги
Використовуючи досвідчені дані, можна побудувати графікзалежності состава парової фази від состава рідкої фази (рис. 2). Криварівноваги, зображена на рис. 2, будується в координатах y-х (%мол.) або в координатах b-а (% мас.). Відповідно до першого закону Д. П.Коновалова крива для системи етиловий спирт — вода проходить вище діагоналі.Отже, пара буде збагачений спиртом у порівнянні з рідкою фазою. Однак криваперетинає діагональ в одній точці у відповідності із другим законом Д. П. Коновалова.Ця точка показує склад нероздільнокиплячої суміші і є азеотропною крапкою. Принормальному тиску нероздільнокипляча суміш системи етиловий спирт — водамістить 95,57% мас. спирту при температурі кипіння 78,15° С; при цьому ж тискутемпература кипіння етилового спирту дорівнює 78,3, а води — 100° С.
/>
Рис. 2. Крива рівноваги
Закони М. С.Вревського
Графік, зображений на рис. 2, побудований дляізобаричних умов. При зміні тиску в системі змінюється й положення кривоїрівноваги.
Закони, що управляють зміною рівноваги при зміні тиску всистемі, установлені учнем Д. П. Коновалова М. С. Вревським. М. С. Вревськийсформулював два закони.
1. При підвищенні температури кипіння (тиску) розчину двохрідин у парах зростає відносний зміст цього компонента, випар якого вимагаєбільшої витрати енергії.
2. При підвищенні температури (тиску) кипіння розчинів,пружність пари яких має максимум, у нероздільнокиплячої суміші зростаєвідносний вміст того компонента, випар якого вимагає більшої витрати енергії.
При підвищенні температури кипіння розчинів, пружністьпари яких має мінімум, у нероздільнокиплячої суміші наростає відносний вмісттого компонента, випар якого вимагає меншої витрати енергії.
Закони М. С. Вревського вказують на те, що зі зменшеннямтиску при низьких концентраціях спирту в рідині (до 21% мол.) збільшуєтьсязміст води в парах, а при більше високих концентраціях спирту в рідинізбільшується зміст спирту в парах.
Що стосується азеотропної крапки, то зменшення тиску всистемі веде до збільшення змісту спирту в нераздільнокиплячої суміші. Придеякому мінімумі тиску азеотропна крапка для цієї суміші зникає й перегонкаможе дати абсолютний (безводний) спирт.
/>

Поняття про дефлегмацію
При утворенні пари з рідкої бінарної суміші паризбагачуються нижчекиплячим компонентом. Розглянемо зворотний процес —конденсацію пар, що містять два компоненти. Як це видно з діаграми рівноваги(див. рис. 2), пара, що містить b % нижчекиплячого компонента, перебуває врівновазі з рідиною, що містить а % нижчекиплячого компонента. Тому причастковій конденсації цієї пари парова фаза, що залишилася, збагачуєтьсянижчекиплячим компонентом. Така часткова конденсація, що супроводжується зміноюсостава фаз, називається дефлегмацією. Отже, дефлегмацією називаєтьсяконденсація парової суміші, що супроводжується збагаченням парової фази, щозалишилася, нижчекиплячим компонентом. Рідка фаза, що при цьому утворюється,називається флегмою. Процес дефлегмації може бути використаний також для поділусуміші летучих компонентів.Класифікація процесів перегонки
/>
Рис. 3. Простий кубовий апарат:
1 – куб; 2 – холодильник; 3 – топлення
На рис. 3 представлений апарат для простої перегонки –одиночний куб. Якщо поверхня куба ретельно ізольована, то можна вважати, що навнутрішній поверхні його пари не конденсуються. У такому випадку можна вважати,що апарат працює без дефлегмації, і утворяться в кубі 1 пари віддаляються вхолодильник 2, де конденсуються, утворюючи дистилят D. Робочий цикл такогоодиночного куба складається з наступних операцій: наповнення, нагрівання вмістукуба (навалювання) до кипіння, сгонка, спуск залишку й підготовка до наступногонаповнення. У процесі перегонки процентний вміст нижчекиплячого компонента вкубі безперервно змінюється. Пари, що утворяться, містять відносно більшенижчекиплячого, чим рідка фаза; тому в міру перегонки концентраціянижчекиплячого компонента в рідині, що залишилася в кубі, зменшується.Внаслідок цього в міру перегонки зменшується зміст нижчекиплячого в парах, щоутворяться. Тому, що відбираються послідовно порції, дистиляту нерівноціннівідносно змісту нижчекиплячого компонента.
/>
Рис. 4. Прості кубові апарати з дефлегмаційнимипристроями:
а – із шоломом; б – з тарілками
Тому що дефлегмація збільшує зміцнювальний ефектапарата, те кубові апарати постачають пристосуваннями для посиленнядефлегмації. Найпростішим пристосуванням є шолом, установлюваний над кубом іохолоджуваний повітрям. Пізніше з'явилися куби, постачені дефлегматорами.
На рис. 4 представлені кубові апарати з дефлегмаційнимипристроями. Завдяки процесу дефлегмації зміцнювальний ефект такого апарата вищезміцнювального ефекту апарата без дефлегмації. Дистилят, отриманий у такомуапарату, містить більше нижчекиплячого компонента, чим дистилят, отриманий вапарату без дефлегмаційного пристрою.
Проста перегонкапід вакуумом. Перегонка з водяною парою
Якщо необхідно провести перегонку при низькійтемпературі в кубі, прибігають до використання вакууму. Конденсатор (холодильник)з'єднують із вакуум-насосом, що відсмоктує гази, що не конденсуються. При цьомувідбувається зрушення фазової рівноваги відповідно до закону Вревського.
Температуру перегонки можна також знизити, якщоперегонку робити в присутності інертного компонента. Таким компонентомнайчастіше є водяна пара. Тому така перегонка називається перегонкою з водяноюпарою.
Схеми ректифікаційних установок
Безперервнодіючі ректифікаційні установки. Ректифікаційна колона 1 має циліндричнийкорпус, усередині якого встановлені контактні пристрої у вигляді тарілок абонасадки. Знизу нагору по колоні рухаються пари, що надходять у нижню частинуапарата з кип'ятильника 2, що перебуває поза колоною. За допомогоюкип'ятильника створюється висхідний потік пари. Пари проходять через шар рідинина нижній тарілці, що будемо вважати першої, ведучи нумерацію тарілок умовнознизу нагору.
Нехай концентрація рідини на першій тарілці дорівнює х1(по низкокиплячому компоненті), а її температура t1. У результаті взаємодії міжрідиною й парою, що має більше високу температуру, рідину часткововипаровується, причому в пару переходить переважно НК. Тому на наступну (другу)тарілку надходить пара зі змістом НК y1 > x1.
/>
Рис. 1. Схема безперервно діючої ректифікаційноїустановки:
1 — ректифікаційна колона (а — зміцнювальна частина; б —вичерпна частина); 2 — кип'ятильник; 3 — дефлегматор; 4 — дільник флегми; 5 —підігрівник вихідної суміші; 6 — холодильник дистиляту (або холодильник-конденсатор;7 — холодильник залишку (або нижнього продукту); 8, 9 — збірники; 10 — насоси.
спирт ректифікат колона перегонка
Випар рідини на тарілці відбувається за рахунок теплаконденсації пари. З пари конденсується й переходить у рідину переважно ВК,зміст якого у вступнику на тарілку парі вище рівноважного із составом рідини натарілці. При рівності теплот випару компонентів бінарної суміші для випару 1моль НК необхідно сконденсувати 1 моль ВК, тобто фази на тарілці обмінюютьсяэквимолекулярными кількостями компонентів.
На другій тарілці рідина має склад х2, містить більшеНК, чим на першій (х2 > x1), і відповідно кипить прибільше низькій температурі (t2 х2, і т.д.
У такий спосіб пар, що представляє собою на виході зкип'ятильника майже чистий ВК, у міру руху нагору усе більше збагачуєтьсянизкокипящим компонентом і залишає верхню тарілку колони у вигляді майжечистого НК, що практично повністю переходить у парову фазу на шляху пари відкип'ятильника до верху колони.
Пари конденсуються в дефлегматорі 3, охолоджуваномуводою, і одержувана рідина розділяється в дільнику 4 на дистилят і флегму, щонаправляється на верхню тарілку колони. Отже, за допомогою дефлегматора вколоні створюється спадний потік рідини.
Рідина, що надходить на зрошення колони (флегма), являє собою майжечистий НК. Однак, стікаючи по колоні й взаємодіючи з пором, рідина усе більшезбагачується ВК, що конденсується з пари.
Коли рідина досягає нижньої тарілки, вона стає практичночистим ВК і надходить у кип'ятильник, що обігрівається глухим пором або іншийтеплоносій.
На деякій відстані від верху колони до рідини здефлегматора приєднується вихідна суміш, що надходить на так звану живильнутарілку колони. Для того щоб зменшити теплове навантаження кип'ятильника,вихідну суміш попередньо нагрівають у підігрівнику 5 до температури кипіннярідини на живильній тарілці.
Живильна тарілка як би ділить колону на дві частини, щомають різне призначення. У верхній частині 1а (від живильної до верхньоїтарілки) повинне бути забезпечене можливо більше зміцнення пар, тобтозбагачення їх НК для того, щоб у дефлегматор направлялися пари, близькі, посоставі до чистого НК. Тому дана частина колони називається зміцнювальною. Унижній частині 1б (від живильної до нижньої тарілки) необхідно в максимальномуступені видалити з рідини НК, тобто вичерпати рідину для того, щоб укип'ятильник стікала рідина, близька по составі до чистого ВК. Відповідно цячастина колони називається вичерпною.
У дефлегматорі 3 можуть бути сконденсовані або всі пари,що надходять із колони, або тільки частина їх, що відповідає кількості флегми,що повертається в колону. У першому випадку частина конденсату, що залишаєтьсяпісля відділення флегми, являє собою дистилят (ректифікат), або, верхнійпродукт, що після охолодження в холодильнику 6 направляється в збірникдистиляту 9. У другому випадку несконденсовані в дефлегматорі пари одночасноконденсуються й прохолоджуються в холодильнику 6, що при такому варіанті роботислужить конденсатором-холодильником дистиляту.
Рідина, що виходить із низу колони (близька по составіВК), також ділиться на дві частини. Одна частина, як вказувалося, направляєтьсяв кип'ятильник, а інша — залишок (нижній продукт) після охолодження водою вхолодильнику 7 направляється в збірник 8.
Періодично діючі установки. У виробництвах невеликогомасштабу використовуються ректифікаційні установки періодичної дії (рис. 2).Вихідну суміш завантажують у куб 1, постачений нагрівальним пристроєм. Сумішпідігрівається до кипіння і її пари надходять під нижню тарілку ректифікаційноїколони 2. Піднімаючись по колоні, пари збагачуються HK i яким збіднюєтьсястікаюча долілиць флегма, що надходить із дефлегматора 3 на верхню тарілкуколони. Пари з колони направляються в дефлегматор 3, де вони повністю абочастково конденсуються, У випадку повної конденсації рідина розділяється задопомогою дільника 4 на флегму й дистилят. Кінцевий продукт (дистилят)прохолоджують у холодильнику 5 і направляють у збірники 6.
/>
Рис. 2. Схема періодично діючої ректифікаційноїустановки:
1 — куб; 2 — ректифікаційна колона; 3 — дефлегматор; 4 —дільник флегми; 5 — холодильники; 6 — збірники дистиляту.
Після того як досягнутий заданий склад залишку в кубі(про це судять по температурі кипіння рідини в ньому) залишок зливають,завантажують куб вихідною сумішшю й операцію повторюють.
Зіставляючи періодично діючу колону (рис. 2) з ректифікаційною колоноюбезперервної дії (рис. 1), можна помітити, що перша працює, подібно верхньоїчастини безперервно-діючої колони, як колона для зміцнення пар, а куб відіграєроль вичерпної частини.
Основним елементомректифікаційної колони є контактні пристрої.
Конструкціяконтактного пристрою повинна забезпечувати як можна більшу величину масообмінуна ньому. Це досягається в першу чергу шляхом створення розвитої поверхніконтакту фаз і такої гідродинамічної обстановки, при якій коефіцієнтмасопередачі буде по можливості найбільшим.
У тарілчастихректифікаційних колонах поверхня контакту фаз утворюється в процесі рухувзаємодіючих потоків на тарілках. З тарілки на тарілку рідина перетікає черезпереливні пристрої (стакани). Для того щоб на поверхні тарілки втримувавсяпевний шар рідини, переливні склянки виступають над тарілкою на деяку висоту.Нижні кінці їх занурені в переливні чаші, розташовані на нижчележачих тарілках,що створює гідравлічний затвор для проходу пари через переливний стакан.
На рис. 4 представлена ситчаста тарілка із двомациліндричними зливальними склянками. Ситчасті тарілки застосовують як длячистих рідин, так і для рідин, що містять суспензії. Для перші отвори маютьдіаметр 2 – 3 мм, для других – 7 – 8 мм.
У колонах великого діаметра при плині рідини на тарілкахстворюється значна різниця між рівнями рідини при вході й виході її з тарілки.Внаслідок цього можливий нерівномірний прохід пари через отвори в різнихкрапках колони. Щоб усунути це явище, тарілки встановлюють із нахилом убікплину рідини; при цьому створюється однаковий рівень її на тарілці.
Істотнийнедолік ситчастих тарілок у тім, що рідина на них утримується тільки за рахуноктиску пари. Тому при падінні тиску в колоні рідина провалюється через отворитарілок.

/>Рис. 4. Ситчаста тарілка Рис. 5. Одноковпачкова тарілка Рис. 6. Тарілка подвійної дії
Основним достоїнством ситчастих тарілок є простотаїхньої конструкції.
Ковпачкові тарілки мають різні пристрої. Основні типиковпачкових тарілок, застосовуваних у харчових виробництвах, представлені нарис. 5, 6.
На рис. 5 і 6 показані тарілки, звичайно застосовуванідля перегонки рідин, що містять зважені частки. Тарілка, зображена на рис. 6,відрізняється тим, що в ній пара барботує у рідину із двох сторін: з-під краївковпака й з-під країв коміра. Тому рідина, що тече по вузькому кільцевомупроході, вступає в тісний контакт із пором. Така тарілка називається тарілкоюподвійного кип'ятіння.
Поряд з тарілковими ректифікаційними колонами в хімічнихвиробництвах застосовують насадочні колони. У них контакт між парою й рідиноюзабезпечується насадкою.
Плівкові колони. Контакт між парою й рідиноювідбувається на поверхні стікаючої рідкої плівки. Пари, збагачені в результатіобміну із флегмою нижчекиплячим компонентом, віддаляються з апарата у верхнійчастині колони й надходять у холодильник.
Безперервно діючаректифікація застосовна тільки на великих заводах, для яких вона представляєряд економічних вигід. У нашій країні переважають великі спиртові заводи, ітому в нас застосовується переважно метод безперервно діючої ректифікації, якарозглянута в даному проекті.
/>/>2.Технологічна схема ректифікації
Принциповасхема ректифікаційної установки представлена на рис. 2.
/>
Рис.2. Принципова схема ректифікаційної установки:
1— ємність для вихідної суміші; 2, 9 — насоси; 3 — теплообмінник-підігрівник; 4— кип'ятильник; 5 — ректифікаційна колона; 6 — дефлегматор; 7 — холодильникдистиляту; 8 — ємність для збору дистиляту; 10 — холодильник кубової рідини; 11— ємність для кубової рідини.
Вихіднасуміш із проміжної ємності 1 відцентровим насосом 2 подається в теплообмінник3, де підігрівається до температури кипіння. Нагріта суміш надходить на поділ уректифікаційну колону 5 на тарілку харчування, де склад рідини дорівнює складувихідної суміші xf.
Стікаючивниз по колоні, рідина взаємодіє з парою, що піднімається нагору, якаутворюється при кипінні кубової рідини в кип'ятильнику 4. Початковий склад париприблизно дорівнює складу кубового залишку хw, тобто збіднений легколеткимкомпонентом. У результаті масообміну з рідиною пар збагачується легколетким компонентом.Для більш повного збагачення верхню частину колони зрошують відповідно дозаданого флегмовим числом рідиною (флегмою) складу хр, що виходить іздефлегматора 6 шляхом конденсації пари, що виходить з колони. Частинаконденсату виводиться з дефлегматора у виді готового продукту поділу —дистиляту, що охолоджується в теплообміннику 7, і направляється в проміжнуємність 8.
Зкубової частини колони насосом 9 безупинно виводиться кубова рідина — продукт,збагачений важколетким компонентом, що охолоджується в теплообміннику 10 інаправляється в ємність 11.
Такимчином, у ректифікаційній колоні здійснюється безупинний нерівновагий процесподілу вихідної бінарної суміші на дистилят з високим змістом легколеткогокомпонента і кубовий залишок, збагачений важколетким компонентом.
/>3. Вибірконструкційного матеріалу апарата
Для конструювання апаратів харчової промисловості, що працюють під тискомзгідно [2, с. 234] можна використовувати сталь 12Х18Н10Т, характеристикаякої приведена нижче.
Таблиця 1
Характеристикасталі 12Х18Н10ТМарка: 12Х18Н10Т Замінник: 08Х18Г8Н2Т, 10Х14Г14Н4Т, 12Х17Г9АН4, 08Х22Н6Т, 08Х17Т, 15Х25Т, 12Х18Н9Т Класифікація: Сталь корозійно-стійка звичайна Застосування: деталі, що працюють до 600 °С. Зварені апарати й посудини, що працюють у розведених розчинах азотних, оцтових, фосфорної кислот, розчинах лугів і солей і інші деталі, що працюють під тиском при температурі від —196 до +600 °С, а при наявності агресивних середовищ до +350 °С.
Таблиця2
Хімічнийсклад в % сталі 12Х18Н10ТC Si Mn Ni S P Cr Cu -  до 0.12  до 0.8  до 2 9-11  до 0.02  до 0.035 17-19  до 0.3 (5 С-0.8) Ti, остальное Fe
Таблиця3
Механічні властивості при Т=20oСсталі 12Х18Н10ТСортамент Розмір Напр. sв sT d5 y KCU Термообр. - мм - МПа МПа % % кДж / м2 - Поковки до 1000 510 196 35 40 Закалка 1050-1100oC, вода,

Таблиця4
Физичні властивості сталі 12Х18Н10ТT E 10-5 a106 l r C R 109 Град МПа 1/Град Вт/(м·град) кг/м3 Дж/(кг·град) Ом·м 20 1.98   15 7900   725 100 1.94 16.6 16   462 792 200 1.89 17.0 18   496 861 300 1.81 17.2 19   517 920 400 1.74 17.5 21   538 976 500 1.66 17.9 23   550 1028 600 1.57 18.2 25   563 1075 700 1.47 18.6 27   575 1115 800   18.9 26   596   900   19.3        
Технологічнівластивості сталі 12Х18Н10ТЗварюваність: без обмежень Флоконечутливість: не чутлива
/>4. Розрахунокапарату/>4.1 Розрахунок основних розмірів колони
Для проведеннярозрахунків використовуються завдання на проектування, а також довідкові дані,які зведемо в таблицю 5.
Таблиця 5
Вихідні даніПоказник Одиниця вимірювання Значення Вміст спирту у вихідній суміші % об. 8,5 Вміст спирту в дистиляті % об. 88,0 Вміст спирту в кубовому залишку % об. 0,015 Температура вихідної суміші °C 75 Тиск гріючої пари кПа 196 Тип тарілок Ковпачкові
Відстань між тарілками:
в укріпній частині
у вичерпній частині мм
150
200 Матеріал – нержавіюча сталь 12Х18Н10Т
Розрахунок колони зводиться до визначення її основних розмірів: діаметру,висоти, а також діаметрів штуцерів подачі основних компонентів.
Згідно з табл. 9 [4, с. 195] концентрація спирту в суміші: xоб. = 8,5 % об'ємних, що відповідає xмас. = 6,8 % мас.; вміст спирту вдистиляті xоб. = 88 %, або xмас. = 83,11 % мас., вміст спирту в барді xб. = 0,015 %, або xмас. = 0,012 % мас.
Продуктивність колони по живленню:
G = 3 т/год = 3000 кг/год = 3000 / 3600 =0,833 кг/с.
Позначимо кількість одержуваного дистиляту через D (в кг/с) і кількістьодержуваного залишку через R (у кг/с), запишемо рівняння матеріальних балансівпроцесу:
а) по речовині:
D + R = G,                                                (1)
б) по спирту:
G ∙ xM = D ∙ xD + R ∙ xR,                                           (2)
де xМ, xD, xR – вміст спирту в ректифікаційці,дистиляті і барді відповідно, % мас.
Вирішимо рівняння (1) і (2) відносно D і R.
З рівняння (1):
R = G – D.
Підставляючи у рівняння (2), отримаємо:
/> кг/с.
R = 0,833 – 0,068 = 0,765 кг/с.
Виразимо масові концентрації спирту в ректифікаційці, дистиляті й барді вмольних частках:
у спиртовій суміші:
xмол. = /> мол. д.
у дистиляті:

xD = /> мол. д.
у барді:
xR = /> мол. д.
Визначимо відносну мольну витрату живлення по формулі:
/>,                                                       (3)
де xМ, xD, xR – вміст спирту в суміші, дистиляті ібарді відповідно, мол. д.
/>.
Визначимо флегмове число. Мінімальне флегмове число визначається поформулі [3, с. 516]:
/>,                                         (4)
де yM – вміст спирту в парі,рівноважному з рідиною зі складом xM. Визначимо по табл. [4, с. 195] при xM = 2,8 %мол., yM = 23,9 % мол.
/>.
Робоче флегмове число приймаємо:
v = 1,4 ∙vmin = 1,4 × 1,99 = 2,79.
Запишемо рівняння робочих ліній [3, с. 516]:
а) верхньої (концентруючої) частини колони:
/>;                                      (5)
б) нижньої частини колони (виснаження):
/>.                                           (6)
Підставляючи отримані дані визначимо:
/>.
/>.
Визначимо середні концентрації рідини в мольних частках у колоні:
а) у верхній частині:
/>=0,5 ∙ (xM + xD) = 0,5 × (0,028 + 0,659) = 0,344;
б) у нижній частині:
/>=0,5 ∙ (xM + xR) = 0,5 × (0,028 + 0,000047) = 0,014.

Визначимо середні концентрації пари в мольних частках по рівнянняхробочих ліній:
а) у верхній частині:
/>;
б) в нижній частині:
/>.
Визначимосереднітемператури пари в колоні по [3]:
а) при />= 0,427 = 42,7% мол.; />= 87,5°C.
б) при />= 0,097 = 9,7 % мол.; />= 97,3°C.
Середня температура по колоні:
/> °C.
Визначимо середні молярні маси й густину пари:
а) у нижній частині колони:
/> кг/моль;
/>.                                          (7)
/> кг/м3.
б) у верхній частині колони:
/> г/моль.
/> кг/м3.
Середня молярна маса у колоні:
/> г/моль.
Середня густина пари в колоні:
/> кг/м3.
Об'єм пари, що рухається в колоні, визначимо по формулі:
/>,                                    (8)
Таким чином, отримаємо:
/> м3/с.
Швидкість пари (м/с) в колоні знаходимо по формулі Стабнікова:
/>,                                           (9)
де h – відстань між тарілками,мм; z – глибина барботажного шару,мм.
Приймаючи h =170 мм;z = 35, отримаємо:
/> м/с.
Діаметр колони визначають по формулі:
/>,                                               (10)
Підставляючи отримані дані, знаходимо:
/> м.
Приймаємо 1,0 м.
Витрати пари на колону визначимо по формулі:
/>         (13)
де М – кількість вихідної суміші, що надходить на колону, кг/с; cM і tM – її теплоємність [у Дж/(кг × K)] і температура (у °C); Р – витрата пари на колону, кг/с;i, iD і if – ентальпії пари, щогріє, пари дистиляту й флегми, Дж/кг; F – кількість флегми, що надходить уколону, кг/с (F = v × D); v –робоче флегмове число; сf і tf – теплоємність і температура флегми; D – кількість одержуваногодистиляту, кг/c; R – кількість одержуваногозалишку, кг/c; cR і tR – теплоємність і температуразалишку; Qвт – втрати теплоти відстінок ізольованої колони в навколишнє середовище, Дж/с.
Згідно таблиць [2], [3], знаходимо iD =1350 кДж/кг; i = 2706 кДж/кг; cf » cD = 3,55кДж/(кг×K); cR = 4,19 кДж/(кг × K); tбр = 75°C; tб = 103°С; tf = 87° С й tк = 119°С.
При прийнятих втратах теплоти Qвт = 10 кДж/с витрати пари складуть:
/>=0,174 кг/с.
Величина парового потоку в колоні:
/> кг/с.
Рідкий потік у колоні складається з потоку вихідної спирто-водної суміші,потоку флегми:
F = v × D = 2,79 × 0,068 = 0,19 кг/с;
а також конденсату пари Gк на догрів суміші від tп = 75°С до tк = 93°С:
/>
де cбр – середня питоматеплоємність водно-спиртової суміші, Дж/(кг × К).
/>кг/с.
Таким чином, величина всього рідкого потоку складе:
L = Gбр + F + Gк = 0,833+ 0,19 + 0,025 = 1,048 кг/с.
Відношення парового потоку до рідкого:
G / L = 0,176 / 1,048 =0,168.
Число теоретичних тарілок у вичерпній частині колони для концентрацій від 0,2 до 0,0047 %мол. визначимопо формулі Сореля-Харіна:
/>,                           (14)
де xn – вміст спирту в рідині на n-тарілці, % мол; K – коефіцієнт випару.
Такимчином, при K = 13, отримаємо:
/>.
Для концентрацій 0,2 – 65,9 мол. % число теоретичних тарілок визначимографічним шляхом. Для цього у масштабі 1 % мол. – 5 мм, будуємо лінію рівноваги, наносимо робочі лінії й будуємо ступені процесу.

/>
Рис. 7а. До розрахунку числа теоретичних тарілок
/>
Рис. 7б. До розрахунку числа теоретичних тарілок
З виконаної побудови видно, що в укріпній частині (рис. 7а) числотеоретичних тарілок nу = 4 і увичерпній частині (рис. 7б) nв = 6.
Середня концентрація спирту в рідині в колоні (33,4 + 1,4) / 2 = 17,4 %мол. = 35,55 % мас. Середня температура рідини tсер = 92 °С, в’язкість μ = 0,4мПа ×с. Тоді відносна летючість компонентів складе:
/>,                                           (15)
де pсп і pв – пружність парів етилового спиртуі води, кПа
З [2] визначаємо pсп = 172 кПа і pв = 85,6 кПа. Таким чином:
/>.
Згідно рис. значенню α × μ = 2 × 0,4 = 0,8 відповідаєсередній ККД тарілок η = 0,5. Тоді дійсне число тарілок у колоні буде:
-          вукріпній частині nу = 4 / 0,5 = 8;
-          увичерпній частині nв = (4 + 6)/ 0,5 = 20.
Загальне число тарілок у колоні n = 8 + 20 = 28.
Висоту колони можна визначити по формулі:
H = (n – 1) × h + 2 · h + 3 · h,                             (16)
де 2 h – висота від верхньоїтарілки до кришки колони, мм; 3 h – висота виварної камери колони, мм.
При відстані між тарілками h = 170 мм в укріпній частині й h = 280 мм у нижній частині колони загальна висота колони складе:
H = (8 – 1) × 170 + (20 –1) × 280 + 2 × 170 + 3 × 280 = 7690 мм.
Розрахунок конденсатора
Теплове навантаження на дефлегматор і конденсатор складе:

Qд.к. = D × (1 + v) × rD × xвт,                             (17)
де D – кількість дистиляту, кг/с;v – робоче флегмове число; rD – питома теплота пароутворення, Дж/кг; xвт – коефіцієнт, що враховує втратитепла.
По табл. [2] знаходимо rD = 1101000 Дж/кг. Таким чином, отримаємо:
Qд.к. = 0,068 × (1 + 2,79) × 1101000 × 0,97 = 275237,23 Вт.
Із цієї кількості теплоти охолодною водою віднімається в дефлегматорі:
Qд. = F × rf = v × D × rf = 2,79 × 0,068 × 1101000 = 208881,72 Вт,
а теплове навантаження на конденсатор складе:
Qк. = Qд.к. – Qд. = 275237,23 – 208881,72 = 66355,51 Вт.
Витрати води наконденсатор визначимо по формулі:
/>
де cв – середня питома теплоємність води,Дж/(кг·°С); tвп, tвк – початкова і кінцева температураводи, °С.
При середнійтемпературі води (70 + 20) / 2 = 45°С середня питома теплоємність св = 4199Дж/(кг·°С); густина води, ρв = 990,21 кг/м3; динамічна в’язкість води μ= 0,6 · 10-3 Па·с; коефіцієнттеплопровідності λ = 0,641 Вт/(м2 · К).
Таким чином,отримаємо:
/> кг/с.
Приймаємотеплообмінник типу «труба в трубі» з трубами 38×3,5 мм і 57×4 мм. Вода проходить у міжтрубному просторі.
Визначимошвидкість води:
/>,
де Dв – внутрішній діаметр зовнішньоїтруби, м; dз – зовнішній діаметрвнутрішньої труби, м.
/> м/с.
КритерійРейнольдса для води:
Re = />,                                         (4)
де w – швидкість руху води, м/с; dе = Dв – dз – еквівалентний діаметр міжзубногопростору, м; ρв – густина води, кг/м3; μв – динамічна в’язкість води,Па·с.
Підставляючирозраховані дані, отримаємо:
Re = />.
КритерійПрандтля:
Pr = />=/>= 3,93.
Визначимокоефіцієнт тепловіддачі на стороні теплоносія. При руху в міжтрубному просторі,користуються рівнянням [3, с. 299]:
Nu = 0,023 · Re0,8 · Pr0,4 × />                                   (9)
Підставляючиотримані дані, знаходимо:
Nu = 0,023 · 77090,8 · 3,930,4 /> = 57,38
/> Вт/(м2 · К).
При конденсаціїпари на горизонтальній поверхні, коефіцієнт тепловіддачі знаходять по рівнянню[3, с. 303]:
/>,                                   (9)
де /> (всі фізичніконстанти конденсату підставляються при визначальній температурі, що дорівнює середнійтемпературі плівки конденсату />); r – теплота конденсації пари, Дж/кгпри температурі насиченої пари; H – висота стінки.
Знаходимокоефіцієнт A:
/>.
Підставляючи даніу формулу (9), знаходимо:
/> Вт/(м2 · К).
Коефіцієнттеплопередачі через стінку теплообмінного апарату визначається за формулою:
K = />,                              (10)
де α1 –коефіцієнт тепловіддачі на стороні теплоносія, Вт/(м2·К); /> – сумарний тепловийопір стінки, м2×К/Вт; α2 – коефіцієнт тепловіддачі при конденсації спиртоводноїпари, Вт/(м2·К).
/>                                  (11)
де dст = 0,0035 м – товщина стінки трубки;
lст = 45,4 Вт/м×К – теплопровідністьматеріалу труби;
 r1 = r2 = 1/5600 м2×К/Вт – тепловий опірзабруднень стінок [1, c.531];
/> м2×К/Вт.
Таким чином:
K = />= 861,15 Вт/(м2 · К).
Визначимо середнюрізницю температур в установці:
Δtм = 79 – 73 = 6°; Δtб = 70 – 20 = 50°.
/>= 8,3.
Таким чином:

/>.
Визначимо площуповерхні нагрівання з основного рівняння теплопередачі:
/> м2.
Приймаємотеплообмінник «труба в трубі» з трубами довжиною 3 м.
Число секцій утеплообміннику:
/>,                                      (11)
/>.
Приймаємо 12секцій. 4.2 Визначеннядіаметрів трубопроводів
Об’ємнівитрати вихідної спирто-водної суміші знаходимо з рівняння:
/> м3/с.
Діаметр патрубкадля підведення спирто-водної суміші:
/>,                                             (18)
де ω –швидкість руху суміші в трубопроводі.
Швидкість руху спирто-водноїсуміші в трубопроводі, як і інших рідких продуктів, рекомендується приймати вмежах 0,5 – 1,0 м/с.
Таким чином:
/> м.
Приймаємо 40 мм.
Діаметр патрубкадля подачі гріючої пари. Витрати гріючої пари:
Vг.п. = P × vп,                                                    (18)
де vп – питомий об'єм пари, м3/кг.
Vг.п. = 0,174 × 0,9186 = 0,16 м3/с.
Швидкість пари втрубопроводі приймаємо 15 — 25 м/с. Діаметр трубопроводу для підведення пари,що гріє, знаходимо з рівняння (13):
/> м.
Приймаємо 100 мм.
Діаметр патрубкадля відводу кубового залишку. Визначимо об'єм кубового залишку:
VR = R / ρR= 0,765 / 970 = 0,00079 м3/с.
Швидкість руху кубового залишку в трубопроводіприймаємо рівною 0,3 м/с.
Діаметр патрубка длявідводу кубового залишку:

/> м.
Приймаємо 50 мм.
Об'ємспирто-водної пари визначимо по формулі:
/>,                                              (19)
/> м3/с.
Швидкість рухуспирто-водної пари в трубопроводі, що відводить пару з колони в конденсатор,рекомендується приймати 4 – 10 м/с.
Діаметр патрубкадля відводу спирто-водної пари:
/> м.
Приймаємо 200 мм.
Діаметр патрубкадля підведення флегми. Визначимо об'єм флегми:
VF = F / ρF,
де F – кількість флегми, кг/с; ρF – густина флегми, кг/м3.
VF = 0,19 / 770 = 0,000247м3/с.
Швидкість руху флегми в трубопроводі приймаємо рівною1,0 м/с.
Діаметр патрубкадля відводу кубового залишку:
/> м.
Приймаємо 40 мм.
Отримані результати округляємо у велику сторону,звіряємо зі значеннями діаметрів трубопроводів по відповідним ГОСТ і заносимо втаблицю 6.
Таблиця 6
Технологічні данітрубопроводів 
Густина
продукту, кг/м3 Пропуск-на здатність, м3/с Швидкість руху, м/с Діаметр трубопроводу, мм Припусти-ма прийня-та розрахун-ковий Прийняв-тий Підведення вихідної суміші 960 0,00087 0,5 – 1,0 1,0 33 40 Відвід кубового залишку 970 0,00079 0,2 – 0,8 0,5 45 50 Підведення пари, що гріє 1,54 0,16 15 – 25 20 100 100 Відвід спирто-водної пари 1,255 0,205 4 – 10 7,0 193 200 Підведення флегми 770 0,000247 0,5 – 1,0 1,0 18 40
Висновки
В результаті проведених розрахунківбула спроектована ректифікаційна колона безперервної дії для отримання спирту.Ректифікаційні апарати є найбільш досконалими та прогресивними. У таких апаратахможна отримувати ректифікат, або спирт вищої очистки.
При проектуванні апарата булиобрані найбільш ефективні конструктивні матеріали –– нержавіюча сталь. Це дастьзмогу значно подовжити термін експлуатації апарату, та отримувати незабрудненийпродукт вищої якості.
Таким чином, розробленаректифікаційна колона відповідає сучасним вимогам виробництва.
Список використаної літератури
1.   Гочаров Ю., Долгоруков Ю.,Бондаренко А., Про формування промислової політики // Економіка України №3 1999р. с.31
2.   Анурьев В.И. Справочникконструктора-машиностроителя:
Т.1–3 – М.: Машиностроение, 1980. – 557 с.
3.   Касаткин А.Г. Основныепроцессы и аппараты химической технологии. — М., 2005. — 753 с.
4.  Проектированиепроцессов и аппаратов пищевых производств. Под ред. В. Н. Стабникова, — Киев:Вища школа. Головное изд-во, 1982.—199 с.
5.   Основные процессы и аппаратыхимической технологии: Пособие по проектированию/ Под ред. Ю. И. Дытнерского.–– М.: Химия, 1983. –– 272 с., ил.
6.   Стабников В. Н., Ройтер И.М., Процюк Т. Б. Этиловый спирт. М., Пищевая промышленность, 1976.
7.   Гороновский И. Т., НазаренкоЮ. П., Некряч Е. Ф., Краткий справочник по химии. –– К.: Наукова думка, ––1987, 832 с.
8.   ПавловК. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов иаппаратов химической технологии. Изд. 9-е. Л., Химия, 1981. 560 с.
9.   Александров И.А.Ректификационные и абсорбционные аппараты. – М.: Химия, 1978. — 280 с.
10.      Справочникхимика. т.5: Сырье и продукты промышленности неорганических веществ, процессы иаппараты, коррозия, гальванотехника, химические источники тока" М. – Л.:Химия, 1968.
11.      ИоффеИ.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технелогии. Л: Химия –1991. 352 с.