Расчет ректификационной установки непрерывного действия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Задание на курсовой проект

Произвести расчет ректификационной установки непрерывного действия для разделения двухкомпонентной смеси. Производительность установки по исходной смеси GF=9,6 т/ч. Исходная смесь содержит XF=52% массовых процентов низкокипящего компонента (НК), дистиллят должен содержать XD=99% массовых процентов НК, а кубовый остаток - XW=2,5% массовых процентов НК.

Исходная смесь перед подачей в колонну подогревается в подогревателе исходной смеси до температуры кипения за счет теплоты кубового остатка. Начальная температура исходной смеси t`F=40оС.

Пары, поступающие в дефлегматор, полностью конденсируются, и конденсат выходит при температуре насыщения. Часть конденсата в виде флегмы направляется обратно в колонну, а другая часть (дистиллят) поступает в холодильник, где охлаждается до температуры t'D=26оС.

Для конденсации паров в дефлегматоре и охлаждения в холодильнике используется вода с одинаковыми начальными и конечными параметрами: температура воды на входе tв'=18 оС, на выходе tв''=24

Колонна работает под атмосферным давлением.

Испаритель кубового остатка (кипятильник) представляет собой вертикальный кожухотрубчатый теплообменник, в межтрубное пространство которого попадает сухой насыщенный пар, имеющий давление Ризб=2,4.

Тип тарелок -ситчатые.



Таблица 1 Исходные данные к заданию варианта №9

№ варианта

Наименование смеси

GF, т/ч

Содержание НК, % (масс.)

Температура, оС

Ризб, Кгс/См2

Тип колонны

XF

XD

XW

t`F

t'D

tв'

tв''

9

Хлороформ-бензол

52

99

2,5

40

26

18

24

2,4

С



Оглавление

Введение

1. Описание технологической схемы ректификационной установки

2. Технологический расчет колонны

2.1 Определение массовых расходов дистиллята и кубового остатка

2.2 Построение диаграммы t-x,y и y-x

2.3 Определение минимального и рабочего флегмового числа

2.4 Определение числа теоретических и действительных тарелок

2.5 Определяем максимальную объемную скорость жидкости

3. Гидравлический расчет колонны

4. Тепловой расчет колонны

5. Расчет диаметров штуцеров

6. Механический расчет колонны

Заключение

Список используемой литературы



Введение

Ректификация - массообменный процесс разделения однородной смеси летучих компонентов, осуществляемый путем противоточного многократного взаимодействия паров, образующихся при конденсации этих паров.

Разделение жидкой смеси основано на различной летучести веществ. При ректификации исходная смесь делится на две части: дистиллят- смесь, обогащенную низкокипящим компонентом (НК), и кубовый остаток- смесь, обогащенную высококипящим компонентом (ВК).

Процесс ректификации осуществляется в ректификационной установке, основным аппаратом которой является ректификационная колонна, в которой пары перегоняемой жидкости поднимается снизу, а навстречу парам стекает жидкость, подаваемая в виде флегмы в верхнюю часть аппарата.

Процесс ректификации может протекать при атмосферном давлении, а также при давлениях выше и ниже атмосферного. Под вакуумом ректификацию проводят, когда разделению подлежат высококипящие жидкие смеси. Повышенное давление применяют для разделения смесей, находящихся в газообразном состоянии при более низком давлении. Атмосферное давление принимают при разделении смесей, имеющих температуру кипения от 30 до 150.

Степень разделения смеси жидкостей на составляющие компоненты и чистота получаемых дистиллята и кубового остатка зависят от того, насколько развита поверхность контакта фаз, от количества подаваемой на орошение флегмы и устройства ректификационной колонны.

Ректификация известна с начала XIX века как один из важнейших технологических процессов главным образом спиртовой и нефтяной промышленности. В настоящее время ректификацию все шире применяют в самых различных областях химической технологии, где выделение компонентов в чистом виде имеет весьма важное значение (в производствах органического синтеза, изотопов, полимеров, полупроводников и различных других веществ высокой частоты).

Сущность процесса ректификации рассмотрим на простейшем примере разделения двухкомпонентной смеси, как и в случае нашего задания по курсовому проектированию, где требуется спроектировать, ректификационную установку для разделения смеси «хлороформ-бензол». При ректификации исходная смесь делится на две части: часть, обогащенная легколетучим компонентом (ЛЛК), называемую дистиллятом, и часть, обедненную ЛЛК, называемую кубовым остатком.

Обозначим F - количество смеси, поступающей на ректификацию;

P- количество поступающего дистиллята;

W- количество получающегося кубового остатка;

ХF, Xp, XW- массовая концентрация низкокипящего компонента в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке соответственно [9]:

F= P+W

Обычно ректификационные аппарат состоит из двух частей: нижней и верхней, каждая из которых представляет собой огранизованную поверхность контакта фаз между паром и жидкостью.

В нижней части исходная смесь взаимодействует с паром, начальный состав которого равен составу кубового остатка. Вследствие этого из смеси извлекается легколетучий компонент.

В верхней ступени пар начального состава соответсвующий составу исходной смеси, взаимодействует с жидкостью, начальный состав которой равен составу дистиллята. Вследствие этого пар обогащается легколетучим компонентом до требуемого предела, а менее летучий компонент извлекается из паровой фазы.

Пар для питания ректификационной колонны получается многократным испарением жидкости, имеющей тот же состав, что и кубовый остаток, а жидкость - многократной конденсацией пара, имеющего состав, одинаковый с составом дистиллята.

Рассматривая взаимодействие пара и жидкости в колонне, принимается допущение:

-Мольные теплоты испарения компонентов одинаковы, поэтому каждый кмоль пара при конденсации испаряется соответственно кмоль жидкости и, следовательно, мольный поток пара, движущегося снизу вверх, одинаков в любом сечении аппарата.

- При конденсации пара в конденсаторе не происходит изменения состава пара, и, следовательно, состав пара, уходящего из колонны, равен составу дистиллята:

xP =yp.

При испарении жидкости в нижней части аппарата не происходит изменения состава пара, и, следовательно, состав пара, образующегося в испарителе , равен составу кубового остатка:

xw=yw.

Полученный в конденсаторе дистиллят делится на две части. Одна часть направляется обратно в колонну- флегма, другая является отбираемым продуктом- дистиллят. Отношение количества возвращенного в колонну дистиллята (флегмы) к количеству дистиллята, отобранного в виде продукта- называется флегмовым числом R[10].



1. Описание технологической схемы ректификационной установки

Принципиальная схема ректификационной установки приведена на рисунке 1.Исходную смесь из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подают в теплообменник 3, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5, где состав жидкости равен составу исходной смеси xF.

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка XW, т.е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава XP, получаемой в дефлегматоре 6 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения- дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в промежуточную емкость 8.

Из кубовой части колонны насосом 9 непрерывно выводится кубовая жидкость- продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 10 и направляется в емкость 11.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента) и кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).



2. Технологический расчет колонны

2.1 Определение массовых расходов дистиллята и кубового остатка

Обозначим массовый расход исходной смеси через F, дистиллята P, кубового остатка W. Массовую концентрацию низкокипящего компонента в исходной смеси xF,в дистилляте xР , в кубовом остатке xw.

Из уравнения материального баланса колонны

Находим

т/ч=1.37 кг/с,

т/ч=1.30 кг/с

Перевод массовых концентраций низкокипящего компонента в мольные доли

Массовые концентрации НК в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке переведем в мольные доли по формуле [1]



Где Хнк - концентрация НК в % (масс.); Хнк- концентрация НК в мольных долях;

МНК и МВК - мольные массы низкокипящего и высококипящего компонентов, кг/кмоль [1]. Низкокипящим компонентом является хлороформ М=119,38 кг/кмоль, высококипящим - бензол М=78,11 кг/кмоль. Температуры кипения CHCl3=61,2oC, C6H6 =80,1 oC.

Исходная смесь

XF= кг/кмоль

Дистиллят

Xp= кг/кмоль

Кубовый остаток

Xw= кг/кмоль

2.2 Построение диаграммы t-x,y и y-x

Диаграмма t-x,y представляет собой зависимость температур кипения и конденсации соответственно от состава, жидкости или пара [2]. Для её построения откладывают на оси ординат температуры кипения t1, t2, t3, соответствующие составам жидких смесей х1, х2, х3, отложенными на оси абсцисс. Проведенная через полученные точки линия называется линией кипения. Затем на оси абсцисс откладывают равновесные составы паров и проводят из соответствующих им точек прямые до пересечения с изотермами, отвечающие температурам t1, t2, t3, соединив полученные точки плавной кривой, получают линию конденсации.

При пользовании диаграммой на оси абсцисс откладывают состав жидкой смеси и проводят из соответствующей точки вертикаль до пересечения с линией кипения. Далее из точки пересечения проводят горизонталь вправо до пересечения с линией конденсации. Абсцисса точки пересечения указывает состав равновесного пара.

На фазовой диаграмме y - x наносится линия равновесия, выражающая зависимость между равновесными составами жидкой х и паровой y* фаз. С жидкостью, представляющей собой чистый НК, находится в равновесии пар, содержащий 100% того же компонента. Соответственно крайние точки кривой равновесия расположены в противоположных углах квадрата. Кривая равновесия и диагональ квадрата ограничивают область взаимного существования двух фаз.

Для построения диаграммы воспользуемся справочными данными [3]:

Таблица 2 Равновесный состав жидкости и пара смеси хлороформ-бензол

T,оС	Х, моль	У, моль
80,6	0	0
80,1	0,05	0,065
79,6	0,1	0,126
78,4	0,2	0,272
77,2	0,3	0,41
75,9	0,4	0,546
74,5	0,5	0,66
73,1	0,6	0,746
71	0,7	0,83
68,7	0,8	0,905
65,7	0,9	0,962
61,5	1,0	1,0



Диаграммы представлены на рис. 2,3.

Исходя из построенных диаграмм получаем следующие данные:

УF*=0.563 кг/моль, УD = 0.98 кг/моль, УW = 0.023 кг/моль.

2.3 Определение минимального и рабочего флегмового числа

Отношение количества флегмы к количеству дистиллята называется флегмовым числом.

R=

Выбор оптимальной величины рабочего флегмового числа весьма ответственен, так как от него зависит стоимость установки в целом.

Для приближенных расчетов используют эмпирическое уравнение [1]

R=1.3Rmin+0.3

Где Rmin - минимальное флегмовое число:

Rmin=

R=2.84·1.3+0.3=4.0

YF*- концентрация НК в паре, находящимся в равновесии с исходной смесью, мол. Доли, равная 0,563 кг/моль.

Зная значения рабочего флегмового числа, определяют внутренние потоки в колоне:



G=24.62 т/ч = 6.38 кг/с.

Расход жидкости в верхней части колонны:

LВ=5,48кг/с

Расход жидкости в нижней части колонны:

LН=8,15 кг/с

Находим среднюю молярную долю пара в верхней части колонны:

УВ=

УВ=0,6997 кг/моль

Средняя молярная доля пара в нижней части колонны:

УН=

УН=0,2156 кг/моль

Средняя молярная доля пара в колонне:



УСР

УСР=0,4577 кг/моль

Построение рабочих линий на диаграмме у - х.D

Методика построения рабочих линий приводится в [2,4].

Из точек xW и xD восстанавливаем перпендикуляры до пересечения с диагональ. Диаграммы у-х. Получим точки А и В.

Из точки В проводим прямую, выраженную уравнением:

У=19,696х+0,8

Далее из точки хF восстанавливаем перпендикуляр до пересечения с этой прямой. Получим точку С, которую соединяем с точкой А.

Прямая ВС является рабочей линией верхней (укрепляющей) части колонны, прямая АС- рабочей линией нижней (исчерпывающей) части колонны.

2.4 Определение числа теоретических и действительных тарелок

От точки А до точки В вычерчиваем между кривой равновесия и рабочими линиями ступени изменения концентраций. Число горизонтальных ступеней соответствует числу теоретических тарелок nm.Число горизонтальных ступеней, т.е. число теоретических тарелок, в укрепляющей и в исчерпывающей части колонны равно соответственно: 26 и 17. Таким образом общее число теоретических тарелок nt=43.

Число действительных тарелок было рассчитано с использованием ?- К.П.Д. ситчатых тарелок взятого из графических данных в справочнике [5].

?=0,425

nДН=nДВ=

nД=101

Определение максимально допустимой скорости пара и диаметра колонны

Средняя плотность жидкости:

Где ХСР- средняя массовая концентрация НК в жидкости, которая определяется:

1)Для верхней части колонны:

ХВСР=

ХВСР=>tв=73,3°С

2) Для нижней части колонны:

ХНСР=



XНСР==0,215> tH=78,7°С

Плотности НК и ВК в формуле необходимо выбрать при средней температуре,tСР в нижней части колонны:

tВСР=

tВСР==68,6°С

tНСР=

tНСР==77,75?С

По таблице [1] определяем плотность с в зависимости от температуры t:

При tВСР=68,8°С

сНК= 1397,67кг/м3

сВК=826,97 кг/м3

При tНСР=77,75°С

сНК=1383,49 кг/м3

сВК=817,363 кг/м3

Подставим получившиеся значения в выражение:

Для верхней части:

PСРВ=998,295 кг/м3

Для нижней части:

РСРН=1261,4 кг/м3

Определяем среднюю плотность пара

Рср.п=

Где средняя мольная масса пара определяется

Мср.п=Мн.куср+Мвк(1-уср)

где уср- мольная концентрация НК в парах, которая для верхней части колонны определяется

ув.ср.=

ув.ср=0,773

t?ср.В==

Mсрпв=119,38Ч0,773+78,11(1-0,773)=110 кг/кмоль

Pсрпв=

для нижней части колонны:

ун.ср.=

ун.ср.=0,289

t?ср.Н=



Mсрпн=119,38Ч0,289+78,11(1-0,289)=90 кг/кмоль

pсрпн=

Средняя мольная масса жидкости: в верней части колонны

Мв=МНКХсрв+МВК(1- Хсрв)

Мв =119,380,699+78,11(1-0,699)=106,99 кг/кмоль

в нижней части колонны:

МН= МНКХсрн+МВК(1- Хсрн)

МН =119,380,215+78,11(1-0,215)=87 кг/кмоль

Мольная масса дистиллята:

МD= МНКХD+МВК(1- ХD)

МD =119,380,41+78,11(1-0,41)=41,42 кг/кмоль

Мольная масса исходной смеси

МF= МНКХF+МВК(1- ХF)

МF= 119,380,98+78,11(1-0,98)=17,9 кг/кмоль

Мольная масса кубового остатка

МW= МНКХW+МВК(1- ХW)

МW = 119,380,0165+78,11(1-0,0165)=1,46 кг/кмоль

Объемная скорость пара в колонне:



Vy=

где = 1,37 кг/с-расход дистиллята.

в верхней части колонны:

Vyв=3,92

в нижней части колонны:

Vyн=3,12

2.5 Определяем максимальную объемную скорость жидкости

1)в верхней части колонны на верхней тарелке

Vх.в=

где - средний массовый расход по жидкости для верхней части колонны:

для нижней части:

Подставим полученные значения и определим максимальную объемную скорость жидкости:

Vх.в=0,014/с

2) в нижней части:

Vх.н=

Vх.н=0,020/с

Принимаем расстояние между тарелками h=300 мм. для ситчатых тарелок формула скорости пара в колонне имеет вид:

Предельная скорость пара

Для верхней части:

Для нижней части:

Рабочая скорость пара:

В нижней части колонны:



В верхней части колонны:

0,85

Ориентировочный диаметр колонны:

в верхней части колонны:

DВ=м

в нижней части колонны:

Dн=

Dср=

Действительная рабочая скорость пара:

W=(2

W=0,669

Определяем общую высоту колонны:

Н=(пд-1)h+Zв +ZH



Н=(101-1)0,300+1,2+3=34,2 м.

Где h-расстояние между тарелками, м; Zв ,ZH-расстояние между верхней тарелкой и крышкой колонны и между днищем колонны и верхней тарелкой, м; Нсеп=1200 мм, Нкуб=300 мм,h=300 мм.[5]

Пользуясь данными из каталога [6] ситчатая тарелка типа ТСР со следующими конструктивными размерами:

-диаметр отверстий

-шаг между отверстиями t=12 мм.

-свободное сечение тарелки

-сечение перелива

-периметр слива П=1,71 м

-рабочее сечение тарелки

В зависимости от свойств разделяемой смеси выбирают [7] материал основных элементов: обечайки, крышки, днища тарелок, опор, фланцев и т.д.



3. Гидравлический расчет колонны

Формула для расчета гидравлического сопротивления для верхней части колонны имеет вид:

Где n=0,3 если

n=0,135, если

Гидравлическое сопротивление тарелки в нижней части колонны:

Полное сопротивление колонны:

Проверим достаточность принятого расстояния между тарелками:

Величина =0,0050 м.

Констатируем, что условие



4. Тепловой расчет колонны

Целью расчета является определение расхода греющего пара на обогрев колонны. По диаграмме t- x-y находим температуру кипения и соответствующую ей удельную теплоемкость:

Исходной смеси:

Дистиллята:

Кубового остатка:

Для расчета удельных теплот испарения смесей хлороформа с бензолом принимаем следующие значения чистых веществ[4]:

;

;

;

Расчет ведем на массовые количества:



Для исходной смеси при ХF=52%

Для дистиллята при

Для кубового остатка при Хw=2,5

Расход теплоты на испарение исходной смеси определяется по формуле:

Расход теплоты на испарение дистиллята определяем по формуле:

Расход теплоты на нагревание остатка определяем по формуле:



Общий расход теплоты в кубе колонны:

310,5 кВт

Давление греющего пара Р=2,4 кПа, соответствует удельная теплота конденсации

Расход греющего пара:

А) в кубе испарителя

Б) в подогревателе исходной смеси:

Расход охлаждающей воды (при нагреве)

А) в дефлегматоре:



Б) в колонке дистиллята:

В) в кубовом остатке:

кг/с

Расчет и выбор теплообменного аппарата для подогрева исходной смеси. Необходимые для расчета заданные параметры:

2,66

P=2,4 кПа

Целью теплового расчета является определение необходимой площади теплопередающей поверхности, соответственно при заданных температурах оптимальными гидродинамические условия процесса и выбор стандартизованного теплообменника. Из основного уравнения теплопередачи:



Где F- площадь теплопередающей поверхности,

Q- тепловая нагрузка аппарата;

К-коэффициент теплопередачи Вт/(

-средний температурный напор, ?К.

Определяем тепловую нагрузку:

Где массовый расход хлороформа,

Х=1,03 -коэффициент учитывающий потери тепла в окружающую среду.

Средняя температура хлороформа:

Этому значению температуры соответствует значение теплоемкости С=1076,83

Q=2,66

Расчет температурного режима теплообменника

Цель расчета- определение средней разности температур и средних температур теплоносителей и .

Для определения среднего температурного напора составим схему движения теплоносителей (в нашем случае схема противоточная)

=

.

Т.к.

- =126,1-68,5=57,6

Температура одного из теплоносителей (пара) в аппарате не изменяется, поэтому выбор температурного режима окончателен.

Ориентировочный расчет площади поверхности аппарата.

Ориентировочным расчетом называется расчет площади теплопередающей поверхности по ориентировочному значению коэффициента теплопередачи К, выбранному из [1].Принимает К=300 Вт/(, тогда ориентировочное значение площади аппарата вычислим по формуле:



F=.



5. Расчет диаметров штуцеров

Рассчитаем диаметры основных штуцеров, через которые проходят известные по величине материальные потоки, а именно: штуцер подачи исходной смеси, штуцер выхода паров из колонны, штуцер выхода кубового остатка.

Независимо от назначения штуцера его диаметр рассчитывают из уравнения расхода:

Где V- объемный расход среды через штуцер;

;

Штуцер подачи исходной смеси

При

Принимая =1,5

Стандартный размер трубы для изготовления штуцера по ГОСТ 9941-62, 70 (внутренний диаметр

Скорость движения питательной смеси в штуцере:

Штуцер подачи флегмы:

При

Принимаем

Тогда

Стандартный размер трубы для изготовления штуцера по ГОСТ 9941-62, 70 (внутренний диаметр

Скорость движения флегмы в штуцере:



Штуцер выхода кубового остатка:

При

Плотность бензола

Принимаем

Тогда

стандартный размер трубы для изготовления штуцера по ГОСТ 9941-62, 95

Скорость движения кубового остатка в штуцере:

Штуцер выхода пара:

Штуцер выхода пара:



6. Механический расчет колонны

Расчетная температура стенки - наибольшая температура, определяемая на основании тепловых расчетов.

Допускаемое напряжение:

Где - поправочный коэффициент, принимаемый равным 0,9 для аппаратов, перерабатывающих взрывчато - и пожароопасные продукты, а так же продукты с высокой токсичностью. Для прочих аппаратов =1. Нормативное допускаемое напряжение,, МПа, при температуре 100?С для сталей составляет 152 МПа.



Заключение

На основе материального расчета рассчитаны материальные потоки в колонне и определен диаметр ректификационной колонны-3000 мм. Найдено оптимальное флегмовое число R=4. Рассчитано действительное число тарелок равное 101 в колонне для разделения бинарной смеси хлороформ-бензол. Произведен тепловой расчет, определен расход расчет охлаждающей воды и греющего пара. Проведен конструктивный расчет и подобраны нормализованные конструктивные элементы.

ректификационный дистиллят гидравлический штуцер



Список используемой литературы

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л.: Химия, 1987. 576с.

2. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1973. 574 с.

3. Коган В.Б., Фридман В.М., Кафаров В.В. Равновесие между жидкостью и паром. Кн.1-2. М.-Л.: Наука, 1966. 640-786 с.

4. Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. Л.: Химия,1966. 848 с.

5. Машины и аппараты химических производств: Примеры и задачи. Учебное пособие для студентов вузов./ Доманский И.В. и др. Под общей ред. Соколова В.Н.. Л.: Машиностроение, Ленингр.отд-ие. 1982. 364с.

6. Стабников В.Н. Расчет и конструирование контактных устройств ректификационных и абсорбционных аппаратов. Киев: Техника, 1970. 208с.

7. Теплотехнический справочник. Т.2. М.: Энергия, 1972. 896с.

8. Рамм В.М. Абсорбция газов. М.: Химия, 1976. 655.

9. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры( справочник). Л.: Машиностроение,1970. 752с.

10. Логинов А.В. Процессы и аппараты и аппараты химических и пищевых производств(пособие по проектированию) / А.В. Логинов, Н.М. Подгорнова, И.Н. Болгова; Воронеж. Гос.технолог. акад. Воронеж, 2003. 264с.

11. Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии: Учебник для техникумов. -Л.: Химия,1991.-352с.

12. Каталог. Колонные аппараты. Изд. 2-е. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1978. 31с.

Размещено на Allbest.ru