Расчет ректификационной установки

Ф.А. Бурюкин 

Обобщены сведения по массообменным 
контактным 
устройствам, их конструктивным особенностям, принципу действия и областям применения. Изложены общие методические 
основы и требования, предъявляемые к выполнению курсового проекта, приведены примеры расчета ректификационных 
колонн непрерывного действия с различными типами контактных устройств для разделения бинарных смесей, рассмотрена 
последовательность расчета и подбора теплообменного оборудования ректификационных установок, а также диаметров труб 
для материальных потоков. В приложении приведены справочные материалы, используемые в расчётах. 

РАСЧЕТ 
РЕКТИФИКАЦИОННОЙ 
У С Т А Н О В К И 

Учебно-методическое 
пособие 

Ч 

 

Министерство образования и науки Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
М.К. Шайхутдинова, Н.В. Дерягина, Ф.А. Бурюкин 
 
 
РАСЧЕТ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ  
УСТАНОВКИ 
 
 
Учебно-методическое пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2016 

УДК 665.63:66.048.3.001.24(07) 
ББК  35.514.02-028я73 
Ш175 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
Т.В. Рязанова, доктор технических наук профессор, зав. кафедрой 
химической технологии древесины и биотехнологии СибГТУ; 
Л.И. Ченцова, кандидат химических наук, доцент КрасГАУ 
 
 
 
 
 
 
 
Шайхутдинова, М.К. 
Ш175 
 
Расчет ректификационной установки : учеб.-метод. пособие / 
М.К. Шайхутдинова, Н.В. Дерягина, Ф.А. Бурюкин. – Красноярск : 
Сиб. федер. ун-т, 2016. – 170 с. 
ISBN 978-5-7638-3590-8 
 
 
Обобщены сведения по массообменным контактным устройствам, их 
конструктивным особенностям, принципу действия и областям применения. 
Изложены общие методические основы и требования, предъявляемые к выполнению курсового проекта, приведены примеры расчета ректификационных колонн непрерывного действия с различными типами контактных устройств для разделения бинарных смесей, рассмотрена последовательность 
расчета и подбора теплообменного оборудования ректификационных установок, а также диаметров труб для материальных потоков. В приложении приведены справочные материалы, используемые в расчётах. 
Предназначено для студентов направления 18.03.01 «Химическая технология». 
 
Электронный вариант издания см.: 
УДК 665.63:66.048.3.001.24(07) 
http://catalog.sfu-kras.ru 
ББК 35.514.02-028я73 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7638-3590-8 
© Сибирский федеральный 
университет, 2016 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
 
Введение ........................................................................................................  
4 
Глава 1. Массообменные контактные устройства ...............................  
5 
1.1. Типы и конструкции контактных устройств .......................................  
5 
1.2. Насадочные колонны .............................................................................  
6 
1.3. Тарельчатые колонны ............................................................................  10 
1.3.1. Колпачковые тарелки .................................................................  18 
1.3.2. Тарелки с S-образными элементами .........................................  24 
1.3.3. Ситчатые тарелки ........................................................................  27 
1.3.4. Клапанные тарелки .....................................................................  31 
1.3.5. Провальные тарелки ...................................................................  35 
1.4. Рекомендации по выбору контактных устройств  
для тарельчатых колонн ........................................................................  39 
Глава 2. Содержание и объем курсового проекта.  
Порядок расчета ректификационных установок .................  42 
2.1. Содержание курсового проекта и оформление  
расчетно-пояснительной записки .........................................................  42 
2.2. Графическое оформление проекта .......................................................  42 
2.3. Порядок расчета ректификационных установок ................................  44 
2.4. Определение рабочего флегмового числа ...........................................  45 
2.5. Определение коэффициента полезного действия тарелки ................  46 
2.6. Определение числа действительных тарелок .....................................  46 
2.7. Выбор конструкции тарелки по способу слива  
и расстояния между тарелками .............................................................  47 
2.8. Определение высоты слоя насадки ......................................................  48 
2.9. Расчет теплообменных аппаратов ........................................................  48 
Глава 3. Примеры расчета ректификационной установки 
непрерывного действия .............................................................  49 
3.1. Тарельчатые ректификационные колонны ..........................................  49 
3.1.1. Колпачковые тарелки .................................................................  49 
3.1.2. Ситчатые тарелки ........................................................................  73 
3.1.3. Клапанные тарелки .....................................................................  83 
3.1.4. Провальные тарелки ...................................................................  89 
3.2. Насадочная ректификационная колонна .............................................  96 
3.3. Тепловой расчет ректификационной колонны ...................................  106 
3.4. Расчет вспомогательного оборудования .............................................  110 
3.5. Расчет штуцеров колонны .....................................................................  118 
3.6. Расчет штуцеров вспомогательного оборудования ............................  120 
Библиографический список ......................................................................  123 
Приложения ..................................................................................................  124 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Настоящее учебно-методическое пособие предназначено в качестве 
основного руководства при выполнении курсового проектирования по 
дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии» для студентов направления 18.03.01 «Химическая технология». 
Курсовой проект «Проектирование ректификационной установки 
непрерывного действия» является большой самостоятельной инженерной 
работой студентов в вузе. Он включает расчет типовой ректификационной 
установки и ее графическое оформление. Работая над проектом, студент 
изучает действующие ГОСТы, ОСТы, нормали, справочную литературу, 
приобретает 
навыки 
выбора 
аппаратуры 
и 
составления 
техникоэкономических обоснований, оформления технической документации. Выполнение курсового проекта служит базой для подготовки дальнейших 
курсовых и дипломных проектов по специальности. 
Процесс ректификации находит широкое применение во многих отраслях промышленности, особенно в нефтехимической и нефтегазоперерабатывающей. Физическая сущность процесса ректификации заключается 
в двустороннем массо- и теплообмене между неравновесными потоками 
пара и жидкости при высокой турбулизации поверхности контактирующих 
фаз. В результате массообмена пар обогащается низкокипящими, а жидкость – высококипящими компонентами. Для проведения ректификационного процесса применяют колонные аппараты различного типа, отличающиеся способом контакта фаз и видом контактных устройств.  
Целью расчёта ректификационной установки непрерывного действия 
является определение основных размеров колонны, размеров внутренних 
устройств ректификационного аппарата, материальных потоков и затрат 
тепла, ее гидравлического сопротивления, поверхности теплообменников. 
В первой главе учебно-методического пособия рассматривается конструктивное оформление колонных аппаратов, представлены различные типы 
контактных устройств, их конструкции, принцип действия и основные технические характеристики. Во второй главе изложены общие принципы и методика технологического расчета колонных аппаратов, получивших широкое 
распространение в промышленности: насадочных и тарельчатых (колпачковых, ситчатых, клапанных и провальных) колонн. В третьей главе приведены 
примеры расчета типовых ректификационных установок (насадочного и тарельчатого типов) и расчет вспомогательных аппаратов и оборудования, которые следует подобрать для обеспечения работы данной установки. 
В приложениях собран необходимый для самостоятельного расчета 
справочный материал.  

Массообменные контактные устройства 

5 

Глава 1 

 
МАССООБМЕННЫЕ  КОНТАКТНЫЕ  УСТРОЙСТВА 
 
 
1.1. Типы и конструкции контактных устройств  
 
Ректификационные колонны отличаются в основном конструкцией 
внутреннего устройства для распределения жидкой и паровой фаз. В промышленности применяются колонные аппараты различных типов: насадочные, тарельчатые, пленочные, роторные (с вращающимися внутренними устройствами). 
Взаимодействие жидкости и пара осуществляется в колоннах путём 
барботирования пара через слой жидкости на тарелках или же путём поверхностного контакта пара и жидкости на насадке или на поверхности 
жидкости, стекающей тонкой плёнкой. 
Применение различных контактных устройств в колонных аппаратах 
обусловлено следующими факторами: 
 различием в нагрузках по пару и жидкости, физико-химическими 
свойствами разделяемых смесей, наличием в сырье механических примесей, взвесей и т. д.; 
 особыми требованиями к технологическому процессу, например: 
необходимостью обеспечить низкий перепад давления в колонне, или широким диапазоном устойчивой работы при колебаниях подачи сырья, или 
малым временем пребывания жидкости в аппарате, или каким-либо другим 
требованием; 
 особыми требованиями к аппарату, например: повышенной химической стойкостью, созданием единичного или серийного выпуска аппарата, повышенной надежностью в работе и т. д. 
Также при конструировании контактных устройств решаются и другие задачи – уменьшение брызгоуноса, улучшение сепарации газа (пара) 
и жидкости после осуществления контакта, обеспечение широкого диапазона нагрузок по газу (пару) и жидкости. 
По конструктивным особенностям контактные устройства для колонных аппаратов подразделяются на два основных типа: насадочные 
и тарельчатые. На сегодняшний день насчитываются сотни вариантов 
конструкций контактных устройств. Такое разнообразие обусловлено поисками конструкций, обеспечивающих сочетание высокой интенсивности 
и эффективности массообмена и соответствие ряду требований. Согласно 
этим требованиям контактные устройства должны характеризоваться: 

Глава 1 

6 

 небольшим гидравлическим сопротивлением при заданной эффективности устройства, в особенности при проведении процессов под 
вакуумом; 
 возможностью работать при высоких скоростях газового потока 
с минимальным уносом жидкости; 
 возможностью работать при небольших нагрузках по жидкости; 
 возможностью работы в широком диапазоне нагрузок по фазам; 
 простотой и малой металлоемкостью конструкции, что имеет 
большое значение при реконструкции; 
 удобством в изготовлении, монтаже и ремонте. 
Поскольку возможности удовлетворения этих требований часто сопряжены с особенностями производства, свойствами обрабатываемых 
смесей и рабочими режимами, то в одних случаях предпочтительнее оказываются одни конструкции контактных устройств, в других – другие, 
достаточно же часто многие конструкции являются практически равноценными. 
 
 
1.2. Насадочные колонны 
 
Насадочные колонны применяются главным образом для переработки высокоагрессивных или вязких продуктов, при разделении сильнопенящихся жидкостей, а также при необходимости обеспечения небольшого 
перепада давления при работе под вакуумом или малой задержки жидкости в колонне. Колонны с высокоэффективной насадкой используют также 
для разделения компонентов, имеющих близкие температуры кипения. 
Важным достоинством работы насадочных колонн являются небольшие по сравнению с тарельчатыми аппаратами гидравлические сопротивления. За счет этого создаются более благоприятные условия для ректификации смесей с высокими температурами кипения, обычно осуществляемой под вакуумом.  
При больших диаметрах колонн возникают серьезные трудности 
с равномерным распределением жидкости в слое насадки, в связи с чем 
часть поверхности насадки остается несмоченной и исключается из массообменного процесса. Поэтому их распространение при ректификации ограничено сравнительно небольшими диаметрами (до 0,8–1,0 м), поскольку 
с дальнейшим увеличением диаметра ухудшается распределение жидкости 
по сечению и падает эффективность. Установка между слоями насадки перераспределительных устройств и использование высокоэффективной насадки позволяют повысить эффективность разделения даже в колоннах 
большого диаметра [1].  

Массообменные контактные устройства 

7 

В настоящее время насадочные колонны для ректификации применяют редко, их вытеснили тарельчатые колонны. Конструкции их представляют интерес, скорее, для проведения процессов абсорбции, экстракции и т. д. Однако в тех случаях, когда для разделения смеси в тарельчатой 
колонне требуется большое число тарелок, применение насадочных ректификационных колонн может оказаться оправданным. На практике встречаются тарельчатые ректификационные колонны, у которых одна или несколько тарелок (обычно над участком ввода сырья или в верхней части 
аппарата) выполнены насадочными. Такие насадочные тарелки в колоннах 
чаще всего исполняют роль отбойников, хотя на них также происходит 
ректификация [2]. 
Классификация насадок. В настоящее время используют насадки 
различных видов. По существующей классификации их можно разделить 
либо на регулярные (правильно уложенные), либо на нерегулярные (засыпанные навалом) насадки. 
Нерегулярную насадку применяют в процессах массообмена, протекающих под давлением или в условиях неглубокого вакуума. Эта насадка 
обладает рядом преимуществ: во-первых, практически отсутствует проблема выбора материала – насадку можно изготовить из металлов, полимеров, керамики; во-вторых, технология изготовления, транспортирования 
и монтажа существенно проще регулярной. К нерегулярным относятся 
кольцевая (при загрузке внавал), седлообразная и кусковая насадки.  
Регулярная насадка (правильно уложенная) отличается от нерегулярной меньшим гидравлическим сопротивлением, поэтому она особенно выгодна для процессов вакуумной ректификации. Данный вид насадки характеризуется более высокой производительностью и широким диапазоном устойчивой работы. К регулярным насадкам относятся хордовая, кольцевая 
(при правильной укладке) и блочная, трубчатая и листовая насадки. 
К недостаткам аппаратов с регулярной насадкой следует отнести их 
высокую чувствительность к равномерности орошения. Решение этой задачи сопряжено со значительными трудностями, особенно для режимов 
с небольшими плотностями орошения. Кроме того, в отличие от насыпной 
насадки, которая не требует специального конструктивного оформления, 
для регулярной насадки с характерным линейным размером необходимы 
индивидуальное техническое проектирование и изготовление каждого типоразмера, связанное с изменением кривизны стенок аппарата. Для загрузки нерегулярной насадки может быть использована пневмо-, гидро- и вибротранспортная система, существенно упрощающая и механизирующая 
работу, а регулярная насадка требует более точной установки каждого 
элемента в аппарате. Наконец, регулярная насадка более сложна в изготовлении и нуждается в сложном машиностроительном оборудовании [1]. 

Глава 1 

8 

Конструкция насадок. Наиболее распространенным видом насадки 
являются специально изготовленные насадочные тела различной (иногда 
довольно сложной) формы, обеспечивающие более равномерное орошение 
поверхности насадки и сравнительно длительное соприкосновение жидкой 
и газообразной фаз. По конструктивным признакам насадки этого типа 
можно разделить на кольца и седла, хотя в отечественной и зарубежной 
практике применяют насадочные тела и иной формы: шаровые, пропеллерные и др. 
В настоящее время в отечественной химической и нефтехимической 
промышленности наиболее распространена нерегулярная насадка – кольца 
Рашига (рис. 1, а), а также ее различные модификации: кольца Лессинга 
(с перегородкой внутри) (рис. 1, б), кольца с крестообразной перегородкой 
(рис. 1, в), кольца Палля (с отогнутыми внутрь козырьками) (рис. 1, г), а также 
сёдла Берля и «Инталокс» (рис. 1, д, е), выполненные из металла, фарфора, 
керамики и полимерных материалов, сетчатые и шаровые насадки [3]. 
 
 

 
а 
в 
д 

 
б 
г 
е 
 
Рис. 1. Насадочные тела: а – кольцо Рашига; б – кольцо с перегородкой; 
в – кольцо с крестообразной перегородкой; г – кольцо Палля; д – седло 
Берля; е – седло «Инталокс» 
 
 
Материал насадки. Металлическая насадка применяется тогда, когда возможно отложение осадков и необходима частая чистка аппарата, 
а также в вакуумных колоннах, поскольку такая насадка имеет значительно больший (по сравнению с фарфоровой и керамической) свободный объем. Фарфоровая и керамическая насадки применяются в тех случаях, когда 
не требуется частая чистка аппарата, а также при разделении смесей, ока

Массообменные контактные устройства 

9 

зывающих коррозирующее действие на металл. Графит и различные пластики целесообразно использовать при переработке высокоагрессивного 
сырья. Естественно, насадку из пластиков можно употреблять лишь при 
невысокой температуре в колонне. 
Характеристика насадки. Насадки, применяемые для заполнения 
массообменных аппаратов, характеризуются следующими показателями: 
 удельной поверхностью а (м2/м3) – площадью поверхности насадки, заполняющей объем, равный 1 м3. Насадка с большей удельной поверхностью позволяет обеспечить большую поверхность контакта фаз и, 
следовательно, более высокую эффективность контакта; 
 свободным объемом ε (м3/м3) – объемом пустот, приходящимся на 
1 м3 пространства, заполненного насадкой. Как правило, насадки с большим свободным объемом позволяют обеспечить более высокую пропускную способность и меньшее гидравлическое сопротивление слоя; 
 свободным сечением насадки fcв (м2/м2) – площадью прохода между насадочными телами; 
 эквивалентным диаметром насадки dэкв (м), который определяется 
как 4ε/а. Диаметр насадочных колец изменяется от 25 до 150 мм (кольца 
меньшего диаметра почти не находят применения в промышленной практике). Кольца малого диаметра (до 50 мм) загружают в аппарат навалом. 
Для обеспечения равномерного распределения потоков пара и жидкости по 
сечению рекомендуется применять насадку таких размеров, чтобы отношение dнас / dкол было не больше 0,125. В колоннах диаметром более 1 м 
это соотношение должно составлять не более 0,033 в случае колец Рашига 
и не более 0,066 в случае седел Берля и «Инталокс»; 
 линейным размером насадки (м), который выражается через один 
или несколько характерных размеров насадки: диаметр, высоту, толщину 
стенки элемента, высоту пакета, шаг гофра и т. д. Как правило, для колонн 
небольшого диаметра выбирают насадку с малым линейным размером, так 
как она имеет большую поверхность контакта, однако создает повышенное 
сопротивление. Кроме того, при выборе размеров насадки необходимо 
знать, что мелкая насадка менее прочна и быстрее забивается твердыми 
отложениями (коксом, грязью);  
 насыпной плотностью (кг/м3). Обычно предпочтение отдается насадкам с небольшой насыпной плотностью; 
  массой слоя насадки, занимающего объем в 1 м3; 
 характеристиками материала насадки. Материал, из которого изготовлена насадка, должен обладать достаточной механической прочностью, 
чтобы выдерживать нагрузку от веса вышележащих элементов, быть стойким к химическому воздействию сред, находящихся в объеме насадки, 
обеспечивать хорошую смачиваемость поверхности насадки жидкостью. 

Глава 1 

10 

Кроме того, насадка должна оказывать малое сопротивление газовому потоку, хорошо распределять жидкость и обладать коррозионной стойкостью в соответствующих средах. Для уменьшения давления на поддерживающее устройство и стенки насадка должна иметь малый объемный 
вес [1; 3]. 
 
 
1.3. Тарельчатые колонны 
 
Наиболее широко в заводской практике применяются тарельчатые 
колонны. Они удобны для крупнотоннажных производств и при относительно малых расходах жидкости, характеризуются простотой обслуживания, возможностью очистки контактных устройств от загрязнений 
и сохраняют высокую эффективность с увеличением диаметра. Тарельчатые колонны имеют высокую разделительную способность, устойчиво 
работают при значительных колебаниях нагрузок по жидкости и газу 
(пару).  
В настоящее время для установок большой единичной мощности изготовляются тарельчатые колонны, диаметр которых достигает 10–12 м. 
Преимуществами тарельчатых колонн являются высокая эффективность 
и надежность, меньшая (по сравнению с насадочными колоннами) масса, 
устойчивая работа при изменении нагрузок. 
В многочисленных разновидностях тарельчатых контактных устройств стремятся создать наиболее благоприятные условия для обновления 
поверхности контакта, однако при этом приходится решать и другие задачи – уменьшение брызгоуноса, улучшение сепарации газа (пара) и жидкости после осуществления контакта, обеспечение широкого диапазона нагрузок по фазам и устойчивой работы контактного устройства. 
Классификация. Применяемые в промышленности типы тарелок 
можно классифицировать по способу организации движения газа (пара) 
и жидкости на тарелке на следующие группы: 
 противоточные (рис. 2, а), когда пар поднимается навстречу стекающей с тарелки жидкости (дырчатые, решетчатые и другие провальные); 
 прямоточные (рис. 2, б), когда в пределах контактной ступени пар 
и жидкость двигаются в одном направлении (струйные, клапанные прямоточные); 
 перекрестного тока (рис. 2, в), когда поток жидкости направлен 
перпендикулярно потоку пара (колпачковые, ситчатые, клапанные и др.); 
 иные схемы организации движения потоков (с делением или байпасированием части потока, образованием дополнительных зон контакта 
фаз и т. д.).