Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчет ректификационной установки

Москва, 2009 г.

Введение

Темой курсового проекта является разработка промышленной ректификационной установки для разделения смеси ацетон-бензол в количестве 4 кг/с состава 40% (моль) ацетона.

Ректификационная установка включает в себя кипятильник, дефлегматор, подогреватель исходной смеси и холодильники кубового остатка и дистиллята. Ректификационная колонна представляет собой цилиндрический аппарат тарельчатого типа. Конструкция тарелок - сетчатые.

Кипятильник и дефлегматор подбираются выносными, что позволяет использовать стандартную аппаратуру с любой поверхностью теплообмена и обеспечивает удобство монтажа и обслуживания.

1. Описание технологической схемы

Исходная смесь из емкости Е1 центробежным насосом Н1 подается непрерывно в подогреватель исходной смеси П, где нагревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну КР на тарелку питания.

Стекая вниз, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике К. В результате массообмена пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения колонну орошают флегмой (в соответствии с флегмовым числом) состава х_р, которая образуется в дефлегматоре Д путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения-дистиллята. Дистиллят охлаждается в теплообменнике Х2 и затем направляется в промежуточную емкость Е3, из которой готовый продукт подается на склад насосом Н4.

Из кубовой части колонны непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащенный труднолетучим компонентом. Кубовая жидкость охлаждается в теплообменнике Х1, направляется в емкость Е2, из которой насосом Н3 отводится на склад.

Таким образом, в ректификационной установке производится непрерывный процесс разделения бинарной смеси на дистиллят с высоким содержанием легколетучего компонента и кубовый остаток, обогащенный труднолетучим компонентом.

Исходные данные:

Смесь: АЦЕТОН-БЕНЗОЛ

F = 4 (кг/с)

X_f=40 (мольн %)

X_p=79 (мольн %)

X_w=4 (молн %)

Табличные данные:

t_{кип.бенз.}=80.2°C

t_{кип.ацетон}=56°C

M_бенз.=78,11 (кг/кмоль)

M_ацетон=58,08 (кг/кмоль)

Расчет должен вестись по ацетону, так как в данной системе он является легколетучим компонентом.

2. Основные физико-химические свойства исходных и целевых веществ

	Ацетон ()	Бензол ()
Молярная масса, кг/кмоль	58.08	78.11
Температура кипения при 760 мм рт. ст., °С	56	80.2

Равновесные составы жидкости и пара для системы ацетон-бензол при Р = 760 мм рт. ст. [3 табл. №1146].

Содержание ацетона, %	Температура, °С
в жидкости	в паре
0	0.00	80.10
1	3.52	79.20
5	14.96	76.35
10	25.31	73.60
20	40.30	69.70
30	51.47	66.75
40	60.30	64.50
50	67.85	62.62
60	74.64	61.00
70	81.00	59.60
80	87.37	58.35
90	93.71	57.25
95	96.87	56.70
99	99.37	56.27
100	100.00	56.18

Плотность жидкостей с_x

	20 °С	40 °С	60 °С	80 °C	100 °С	Размерность
Ацетон	791	768	746	719	693	Кг/м3
Бензол	879	858	836	815	793

Вязкость жидкостей

	30 °С	40 °С	50 °C	60 °C	80 °C	Размерность
Ацетон	0.293	0.268	0.246	0.23	0.2	мПа?с
бензол	0.56	0.492	0.436	0.39	0.316

Вязкость паров

	50 С	75 С	100 С	Размерность
Ацетон	815	880	945	10-7г·см-1·с-1
Бензол	822	886	950	10-7г·см-1·с-1

Поверхностное натяжение воды

	40 °C	60?C	80?C	Размерность
вода	69.6	66.2	62.6	мН/м

3. Технологический расчет

1) Расчет диаметра тарельчатой ректификационной колонны.

а) Пересчет концентраций.

Для расчета материального баланса необходимо перейти от мольных долей к массовым:

где х_W, x_F, x_P - мольные концентрации низкокипящего компонента (ацетона) в кубовом остатке, питании, дистилляте соответственно; М_P, M_F, M_W - мольные массы дистиллята, легколетучего компонента и кубового остатка.

б) Материальный баланс колонны

Расчет материальных потоков в колонне проводится на основании уравнений материального баланса. Уравнения материального баланса колонны:

где:

F - расход исходной смеси 4 кг/c;

W - расход кубового остатка кг/c;

P - расход дистиллята кг/c;

х_F - концентрация легколетучего компонента в исходной смеси;

x_W - концентрация легколетучего компонента в кубовом остатке;

x_P - концентрация легколетучего компонента в дистилляте;

Решая систему этих уравнений, находим расход кубового остатка и дистиллята:



в) Расчет минимального флегмового числа.

По диаграмме X-Y определяем состав пара равновесного к составу жидкости в исходной смеси:

y^рав.=60.05%

Рассчитываем R_min в соответствии с формулой:

г) Расчет условно-оптимального флегмового числа.

Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости (и основные геометрические размеры) определяются рабочим флегмовым числом, найдем условно-оптимальное флегмовое число исходя из минимального объема ректификационной колонны по минимальному значению произведения N(R+1), путем построения графика N (R+1) от R.

Для этого:

Задаемся ординатой В_верх

Строим на диаграмме Х-Y рабочие линии соответствующие выбранным В_верх, вырисовываем ступени между рабочей и равновесной линиями. Считаем теоретические ступени и результаты расчетов сводим в таблицу:

B	0.395	0.345	0.295	0.260	0.195	0.105
	1.05	1.35	1.75	2.15	3.20	6.10
R	0.998	1.283	1.663	2.043	3.040	6.421
N	14.91	9.71	8.05	7.46	6.50	5.70
N(R+1)	29.79	22.17	21.44	22.70	26.26	42.30

Находим с помощью компьютера R_опт = 1.475

1. Расчет мольной массы жидкости в верхней и нижней частях колонны.

Средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны:

где x_ср.в и x_ср.н - средний мольный состав жидкости соответственно в верхней и нижней частях колонны:



2. Расчет массовых потоков.

Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости для верхней и нижней частей колонны определяем из соотношений:

Где M_P и M_F - мольные массы дистиллята и исходной смеси.

Средние массовые потоки пара в верхней и нижней частях колонны соответственно равны:

где и - средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны:



д) Расчет скорости пара и диаметра колонны.

Диаметр колонны находим из уравнения расхода:

где:

G - массовый расход пара в колонне, кг/с;

d - диаметр колонны, м;

- скорость пара в сечении колонны, м/с;

_y - плотность пара, кг/м³.

Скорость пара в интервале устойчивой работы ситчатых тарелок ректификационной колонны, можно определить из уравнения:

Найдем плотности жидкости _{x в}, _{x н} и пара _{y в}, _{y н} в верхней и нижней частях колонны при соседних температурах в них t_в и t_н. Средние температуры паров определим по диаграмме t-x, y по средним составам фаз: t_{y в} = 62.3 C, t_{y н} = 70.8 C, t_{x в} = 61.1 C, t_{x н} = 69.0 C.

Плотность физических смесей жидкостей подчиняется закону аддитивности:

Откуда

где - объемная доля компонента в смеси.

Рассчитываем плотности жидкостей:

Скорость пара:

Из уравнения расхода определяем диаметры верхней и нижней частей колонны:

В соответствии с действующими стандартами [1, стр. 197, раздел 5.1.4] выбираем стандартный диаметр обечайки: d_в =1.6 м. Взяли диаметр несколько ниже расчетного, оговаривая что при эксплуатации критические значения параметров не должны достигаться. При этом действительные рабочие скорости паров в верхней и нижней частях колонны:

По каталогу для колонны диаметром 1600 мм выбираем сетчатую тарелку ТС-Р. Техническая характеристика сетчатой тарелки типа ТС-Р (ОСТ 26-805-73) представлена в таблице:

Диаметр отверстий в тарелке, мм	d0 = 8
Шаг между отверстиями, мм	t =16
Свободное сечение тарелки, %	Fc = 14.7
Высота переливного порога, мм	hпер = 30
Ширина переливного порога, мм	b = 795
Рабочее сечение тарелки, м2	Sт = 1.834

Скорость пара в рабочем сечении тарелки:

е) Определение действительного числа тарелок и высоты колонны.

1. Расчет высоты светлого слоя жидкости и паросодержания барботажного слоя.

Высоту светлого слоя жидкости h₀ для ситчатых тарелок находят по уравнению:

где - удельный расход жидкости на 1 м ширины сливной перегородки, м² / с;

b - ширина сливной перегородки, м;

h_пер - высота переливной перегородки, м;

_x, _в - поверхностные натяжения соответственно жидкости и воды при средней температуре в колонне;

m = 0.05 - 4.6h_пер=0.05 - 4.60.03 = - 0.088

x - вязкость жидкости, мПа с.

Рассчитаем вязкости жидкостей:



Найдем значения поверхностных натяжении для жидкостей:

Рассчитаем у_хв и у_хн:

у =(P*(с_ж-с_п)/M)⁴, где P=P_ац.*x_ср.+P_бенз.*(1-x_ср.),

с_ж - плотность жидкости;

с_п - плотность пара;

M - молекулярная масса.

P_ац.=3*4.8+6*20+43.2=177.6;

P_бенз.=4.8*6+20*6+6.1+23.2*3=224.8

P_в.=P_ац.*x_ср.в.+P_бенз.*(1-x_ср.в.)=177.6*0.595+224.8*(1-0.595)=196.716

у_xв =(196.716*(785.101-2.333)*10^-3/66.174)⁴=29.318

P_н.=P_ац.*x_ср.н.+P_бенз.*(1-x_ср.н.)=177.6*0.220+224.8*(1-0.220)=214.416

у_xн =(214.416*(808.835-2.533)*10^-3/73.697)⁴=30.285

Высота светлого слоя жидкости:



Паросодержание барботажного слоя:

2. Расчет коэффициента молекулярной диффузии распределяемого компонента в жидкости и паре

Рассчитаем коэффициенты молекулярной диффузии в жидкой D_x и паровой D_y фазах по уравнениям:

Для жидкой фазы:

;

где:

t - средняя температура в соответствующей части колонны, С;

Температурный коэффициент b рассчитывается по формуле:



где _х и _х принимают при температуре 20 С;

где:

A, B - коэффициенты, зависящие от свойств растворяющегося вещества и растворителя (А=1, В=1.15);

- мольные объемы компонентов в жидком состоянии при нормальной температуре кипения, см³ / моль;

_x - вязкость жидкости при 20 С, мПас;

- мольные массы ацетона и бензола соответственно.

Плотности веществ при их температурах кипения (t_{кип.ацет.}=56°С; t_{кип.бенз.}=80.2°C).



Коэффициент диффузии в жидкости для верхней части колонны при 20С:

Температурный коэффициент b определяют по формуле

,

где и принимают при температуре 20 С.

Тогда:

Точно также для нижней части:

Коэффициент диффузии в паровой фазе может быть вычислен по уравнению

где T - средняя температура в соответствующей части колонны, К; P - абсолютное давление в колонне, Па.

Тогда для верхней части колонны:

Аналогично для нижней части:

3. Расчет коэффициента массоотдачи

Рассчитав коэффициенты молекулярной диффузии в жидкой D_x и паровой D_y фазах, вычисляем коэффициенты массоотдачи.

и

,

где

плотность орошения:



Вязкость паров

	50 С	75 С	100 С	Размерность
Ацетон	815	880	945	10-7г·см-1·с-1
Бензол	822	886	950	10-7г·см-1·с-1

Для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:

Пересчитаем коэффициенты массоотдачи на кмоль/(м²с).

Для верха:

Для низа:

Коэффициенты массоотдачи, рассчитанные по средним значениям концентраций, скоростей, и физических свойств паровой и жидкой фаз, постоянны для верхней и нижней части колонны. В то же время коэффициент массопередачи - величина переменная, зависящая от кривизны линии равновесия, т.е. от коэффициента распределения. Поэтому для определения данных, по которым строится кинетическая линия, рассчитаем несколько значений коэффициента массопередачи в интервале изменения состава жидкости от x_w до x_p.

Для определения высоты колонны необходимо знать число действительных тарелок. Число тарелок рассчитывается графоаналитическим методом - построением кинетической линии при помощи КПД по Мэрфри, рассчитанным через числа единиц переноса.

КПД по Мэрфри равен:

,

где:

л - фактор массопередачи;

Е_у - локальная эффективность по пару;

е - межтарельчатый унос жидкости, кг жидкости / кг пара;

и - доля байпасирующей жидкости;

S - число ячеек полного перемешивания;

m - тангенс угла наклона равновесной линии.

Для модели идеального смешения для жидкой фазы и идеального вытеснения для газовой фазы КПД по Мэрфри может быть рассчитан по уравнению:

где - общее число единиц переноса [1, c. 239, 6-35].

Коэффициент массопередачи, отнесенный к единице рабочей площади тарелки, определяется по уравнению аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений:

,

2) Выбор конструкционных материалов

Конструкционный материал выбираем исходя из соображений коррозионной стойкости материала. Скорость коррозии не должна превышать 0,1 мм. в год.

Мы имеем дело с органическими жидкостями и их парами. В этом случае используются хромированные стали.

Выбираем сталь Х18Н10Т

Состав стали:

С - не более 0,12%; Si - не более 0,8%; Мn - 1-2%;

Cr - 17-19%; Ni - 9-11%; Ti - 0,6%

Примеси: S - не более 0,02%; P - не более 0,035%

Коэффициент теплопроводности для этой стали равен 17.5 Вт/м K.

3) Тепловые расчеты.

а) Нагреватель исходной смеси.

Поток поступает в подогреватель с температурой 10С и выходит при температуре кипения - 64.5С. При средней температуре (64.5+10)/2=37.25С исходная смесь имеет следующие характеристики:

r₂-плотность смеси: 831.2 кг/м³

m₂-вязкость смеси: 0.4010^-3 Пас

l₂-коэффициент теплопроводности смеси: 0.1478 Вт/(мК)

с₂-теплоемкость смеси: 1926.23 Дж/(кгК)

Для нагревания потока питания будем использовать насыщенный водяной пар при атмосферном давлении, имеющий следующие характеристики:

r₁-удельная теплота конденсации: 2258.4 кДж/кг

t₁-температура конденсации: 100С

₁-плотность конденсата: 958 кг/м³

₁-вязкость конденсата: 0,0002838 Пас

₁-коэффициент теплопроводности конденсата: 0.683 Вт/(мК)

Рассчитаем среднюю разность температур в теплообменнике:

Определим Q, зная расход орг. жидкости:

Требуемая поверхность теплопередачи кожухотрубчатого теплообменника оказалась выше чем у выбранного нами по таблице, значит нам необходимо взять теплообменник с несколько большей длиной труб (например 4 м.). Поверхность теплообмена у него составляет 127 м² вместо 95 м² у выбранного нами раньше.

Рассчитаем запас:

Берем!

в) Кипятильник.

Кубовый остаток будем считать чистым бензолом, так как его содержание там 97%(масс.).

Тепловой баланс:

Рассчитаем расход органики:



Определим расход водяного пара:

Ориентировочная поверхность F:

Примем К=1000 (Вт/м²К) [1], табл. 2.1.

Проверим теплообменник [1], табл. 2.9:

D=800; 25x2; L=3.0; z=1; n=465; 109 м²

Определим :

Определим :

Найдем удельную тепловую нагрузку решив уравнение:

Корнем этого уравнения является .

Требуемая поверхность теплообмена:

Коэффициент теплопередачи:

Запас:

Берем этот теплообменник.

г) Холодильник кубового остатка.

Определим Q, зная расход орг. жидкости:

Определим расход охлаждающей воды:

Ориентировочная поверхность теплообмена:

Примем К=800 (Вт/м2К) [1], табл 2.1

Будем считать теплообменник «труба в трубе».

Проверим теплообменник ([1], табл. 2.12) с длиной труб 6 м и площадью 14 м².

Для определения объемных расходов необходимы плотности:

В межтрубное пространство направляем воду.

Рассчитаем :

Требуемая поверхность теплопередачи:

Возьмем теплообменник с площадью теплообмена 100 м²

Рассчитаем запас:

Подходит!

Заключение

В процессе работы над курсовым проектом была рассчитана ректификационная установка непрерывного действия для разделения смеси ацетон-бензол. Были рассчитаны диаметр (D=1600 мм) и высота (Н=11 м) ректификационной колонны, число тарелок (тарелки сетчатые N=17 шт., тарелка питания-10) необходимых для разделения исходной смеси заданного состава. Также были рассчитаны и подобраны по ГОСТу кипятильник (вертикальный), дефлегматор (вертикальный, 4-ходовой), подогреватель исходной смеси (вертикальный, 2-ходовой) и холодильники кубового остатка («труба в трубе») и дистиллята («труба в трубе»). Полученные продукты, заданного состава, подаются на склад, охлажденные до 20⁰С.

ректификационный ацетон бензол установка

Список литературы

1. Ю.И. Дытнерский и др. Основные процессы и аппараты химической технологии. /Пособие по проектированию/ М.; Химия, 1991 г.

2. К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии Л. Химия, 1987 г.

3. В.Б. Коган и др. Равновесие между жидкостью и паром. Т. 1,2. М.; Наука, 1996 г.

4. Голубев Вязкость газов и паров.

Размещено на Allbest.ru