Расчёт тарельчатой ректификационной колонны

Размещено на http://allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

РГП «КАРАГАНДИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Химическая технология и экология»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе

по дисциплине «Тепловые и массообменный процессы»

тема: «Расчёт тарельчатой ректификационной колонны»

Выполнил:

студент Керуенбаева Ф.C

Руководитель:

Мантлер С.Н.

ТЕМИРТАУ, 2015



СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Технологическая схема процесса

2.Физико-химическая характеристика веществ

3. Технологический расчет

3.1 Материальный баланс

3.2 Определение физико-химических характеристик

3.3 Определение скорости пара и диаметра колонны



ВВЕДЕНИЕ

Ректификация представляет собой процесс многократного частичного испарения жидкости конденсации паров. Процесс осуществляется путем контакта потоков пара и жидкости, имеющих различную температуру, и проводятся обычно в колонных аппаратах.

При каждом контакте и жидкости испаряется преимущественно низкокипящий компонент, которым обогащаются пары из паров конденсируется преимущественно высококипящий компонент, переходящий в жидкости.

Такой двусторонний обмен компонентами, повторяемый многократно, позволяет получить, в конечном счете, пары, представляющие собой почти чистый низкокипящий компонент.

Эти пары после конденсации в отдельном аппарате дают дистиллят (ректификат) и флегму - жидкость, возвращаемую для орошения колонны и взаимодействия с поднимающимися нарами. Пар получают путем частичного испарения снизу колонны остатка, являющегося почти чистым высококипящим компонентом.

Ректификация известна с начала XIX века как один из важнейших технологически 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 производства органического синтеза, изотопов, полимеров, полупроводников и различных других веществ высокой чистоты).

Процесс ректификации осуществляется путем многократного контакта между неравновесными жидкой и паровой фазами, движущимися относительно друг друга.

При взаимодействии фаз между ними происходит массо- и теплообмен обусловлены стремлением системы к состоянию равновесия. В результате каждого контакта компонент перераспределяются между фазами: пар несколько обогащается низкокипящим компонентом, жидкость - высококипящим.

Многократное контактирование приводит к практически полном разделению исходной смеси.

Цель работы: Ознакомление с принципом работы и методикой расчета тарельчатой ректификационной колонны, определение основных параметров, характеризующих ее работу: флегмовое число, число ступеней изменения концентраций, число тарелок, диаметр и высоту колонны.

Исходные данные: Исходная смесь: бензол-этиловый спирт

Массовый расход дистилята: G_F = 6000 кг/ч

Содержание бензола в дистиляте: x_P = 90

Содержание бензола в исходной смеси: x_F = 30

Содержание бензола в кубовом остатке : x_W =3

Давление греющего пара Р_П = 3 атм.



1. Технологическая схема процесса

Рис. 2.1 Технологическая схема ректификационной установки: 1 - ёмкость для исходной смеси; 2,9 - насосы; 3 - теплообменник - подогреватель; 4 - кипятильник; 5 - ректификационная колонна; 6 - дефлегматор; 7 - холодильник дистиллята; 8 - ёмкость для сбора дистиллята; 10 - холодильник кубовой жидкости; 11 - ёмкость кубовой жидкости.

Принципиальная схема ректификационной колонны представлена на рис. 2.1. Исходную смесь из промежуточной ёмкости 1 центробежным насосом 2 подают в теплообменник 3, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси ХР 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 Х^, т.е. обеднён легколетучим компонентом. Врезультате массообмена с жидкостью пар обогащается легко летучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава ХР, получаемой в дефлегматоре 6 путём 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 ёмкость 8. Из кубовой части колонны насосом 9 непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащённый труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 10 и направляется в ёмкость 11.

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

2.ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВЕЩЕСТВ

Свойство ацетона кипения

Свойство	При 20°С	При 40°С	60°С	80°С	100°С	120°С
,кг/м?	791	768	746	719	693	665
µ,Па	0,322	0,268	0,23	0,2	0,17	0,15
С, Дж/кг	0,52	0,535	0,55	0,566	0,581	0,596
Дж/кг	132	128	124	118	113	107
	23,7	21,2	18,6	16,2	13,8	11,4

Ацетон -- бесцветная подвижная летучая жидкость (при н.у.) с характерным резким запахом.

Во всех соотношениях смешивается с водой, диэтиловым эфиром, бензолом, метанолом, этанолом, многими сложными эфирами и так далее.

Ацетон хорошо растворяет многие органические вещества, в частности, ацетил и нитроцеллюлозы, воски, алкалоиды и так далее, а также ряд солей. Ацетон образуется при ацетоновом (ацетон-бутиловом) брожении углеводов, вызываемом Bacillus acetobutylicus.

В результате образуется ацетон и бутанол, а также ряд побочных примесей. В качестве промышленного такой метод получения ацетона был популярен в XIX -- начале XX вв., но был вытеснен технологиями химического синтеза.

Свойство этиловый спирт

Свойство	20°С	40°С	60°С	80°С	100°С	120°С
с,кг/м?	789	772	754	735	716	693
	1,19	0,825	0,591	0,435	0,326	0,248
С, Дж/кг	0,593	0,648	0,708	0,769	0,839	0,909
r, Дж/кг	218	215	210	203	194	182
	22,3	20,6	19	17,3	15,5	13,4



Внешний вид: в обычных условиях представляет собой бесцветную летучую жидкость с характерным запахом и жгучим вкусом. Этиловый спирт легче воды. Является хорошим растворителем других органических веществ.

Следует избегать популярной ошибки: часто смешивают свойства 95,57 % спирта и абсолютизированного. Их свойства почти одинаковы, но величины начинают различаться, начиная с 3 -- 4-й значащей цифры. Смесь 95,57 % этанола + 4,43 % воды является азеотропной, т. е. не разделяется при перегонке.



3. Технологический расчет

3.1 Материальный баланс

Обозначим массовый расход дистиллята через G_Р кг/ч, кубового остатка через G_W кг/ч.

Производительность колонны по исходной смеси G_F кг/ч.

Из уравнений материального баланса

G_F = G_P + G_W

G_F x_F = G_P x_P + G_W x_W

G_P= G_F - G_W

G_F x_F = G_F x_P - G_W x_P + G_W x_W

G_P= G_F - G_W

- G_W x_P + G_W x_W = G_F x_F - G_F x_P

- 0,90 G_W + 0,03 G_W = 6000 0,30 - 6000 0,90

- 0,87 G_W = 1800 - 5400

- 0,87 G_W = - 3600

G_W =

G_F= 6000-4137,9=1862,1

Пересчитаем массовые составы фаз на мольные доли по формуле:



Относительный мольный расход питания равен

На основании данных [Каган] о содержании бензола в жидкой и газовой фазах строим графики

и .

По графику видно, что кривая равновесия точек перегиба не имеет.

Таблица 3.1

Равновесие для системы «ацетон -этиловый спирт»

Х, мол.д.	У, мол.д.	t, 0С
0	0	80,1
5	14	78,3
10	24,3	76,4
20	40	72,8
30	51,2	69,6
40	59,4	66,7
50	66,5	64,3
60	73	62,4
70	79,5	60,7
80	86,3	59,6
90	93,2	58,8
100	100	56,1

В процессе ректификации некоторая часть покинувших колонну паров всегда возвращается в нее (либо в виде флегмы из дефлегматора, либо в виде рефлюкса после конденсатора), и выход дистиллята или фактическая производительность колонны поэтому уменьшается на величину, соответствующую количеству флегмы или рефлюкса. Количество необходимой флегмы или рефлюкса есть величина переменная.

В зависимости от выбранного флегмового числа будут меняться количество продукта и его качество. Максимально возможное флегмовое число R будет получено тогда, когда весь конденсат будет возвращаться в колонну. При минимальном флегмовом числе теоретически требуется бесконечно много тарелок, чтобы достичь заданного состава дистиллята.

Чем больше флегмовое число, тем больше жидкости возвращается в колонну и тем, следовательно, больше тепла нужно затрачивать на ее испарение. Увеличение флегмового числа только в первый период сильно отражается на уменьшении числа необходимых тарелок. Поэтому в обычных условиях ректификации флегмовое число составляет 1,2--3 R_мин. На практике обычно флегмовое число выражают не отношением к R_мин, а отношением к дистилляту, принимая последний за единицу.

Ректификационные установки тем менее чувствительны к всегда возможным колебаниям состава исходной жидкой смеси, чем больше число флегмы как в укрепляющей, так и в исчерпывающей колоннах. Колебания в работе ректификационной установки всегда отзываются на качестве дистиллята. Поскольку последний должен соответствовать стандарту, то флегмовое число должно выбираться таким, чтобы колебания в составе исходной жидкости не влияли на качество дистиллята

Определяем минимальное число флегмы по уравнению:

где - мольная доля бензола в паре, равновесном с жидкостью питания (определяем по диаграмме у^* - х), равная 0,692

Рабочее число флегмы находим по уравнению [ПРН]:

Рабочая линия процесса ректификации представляет собой совокупность рабочих линий для верхней и для нижней части колонны и характеризуется изломом в точке соответствующей составу питательной смеси.

Уравнения рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части колонны

б) нижней (исчерпывающей) части колонны



3.2 Определение физико-химических характеристик

Средние мольные концентрации жидкости и ее температура:

в верхней части колонны

х^/_ср = ( х_F + х_Р ) / 2 = (0,374 + 0,926) / 2 = 0,65 t_x,в = 60 С

в нижней части колонны

х^//_ср = ( х_F + х_W ) / 2 = (0,374 + 0,0414) / 2 = 0,207 t_x,н = 69 С

ректификационный дистиллят спирт

средняя температура жидкости в колонне равна

t_ср = (60 + 69) / 2 = 64,5С

Средние мольные концентрации пара находим по уравнениям рабочих линий:

в верхней части колонны

у^/_ср = 0,64 х^/_ср + 0,347 = 0,640,65 + 0,347= 0,763

в нижней части колонны

у^//_ср = 1,3 х^//_ср 0,0068 = 1,30,207 0,0207 = 0,0621

Средние температуры пара определяем по диаграмме t - х, у.

в верхней части при у^/_ср = 0,763 температура пара равна t^/_ср = 59C

в нижней части при у^//_ср = 0,0621 температура пара равна t^//_ср = 78C

средняя температура пара в колонне равна

t_ср =(59 + 74) / 2 = 67,25С

Определяем средние мольные массы и плотности жидкости и пара в верхней и нижней частях колонны.

Плотность жидкого бензола:

при 60С равна 746кг/м³

при 69С равна 746 кг/м³

Плотность жидкого толуола:

при 60С равна 746 кг/м³

при 69С равна 735 кг/м³

Плотность смеси жидкого бензола и ацетона составит:

в верхней части колонны

в нижней части колонны

Средняя плотность жидкости в колонне:

Средние мольные массы и плотности пара:

М_ср = у_ср М_б + (1- у_ср ) М_т и

в верхней части колонны

М^/_ср = 0,763 58 + (1 - 0,763) 46 = 55,16 кг/кмоль

в нижней части колонны

М^//_ср = 0,062158 + (1 - 0,0621) 46 = 46,745 кг/кмоль

Средняя плотность пара в колонне:

Средние массовые расходы по жидкости для верхней и нижней частей колонны определяются из соотношений :

гдеМ_P и М_F - мольные массы дистиллята и исходной смеси,

М_В и М_Н - мольные массы жидкости в верхней и нижней частях,

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

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

3.3 Определение скорости пара и диаметра колонны

В качестве контактных массообменных устройств в колонне для разделения смеси «бензол - толуол» используем колпачковую тарелку с диаметром колпачка D_к = 100 мм и высотой Н_к = 55 мм согласно ОСТ 26-01-66-86.

Принимаем расстояние между тарелками h = 400 мм.

Обычно эти расстояния принимают в пределах 0,2 - 0,6 м.

В настоящее время стремятся их уменьшать, что позволяет уменьшить высоту колонн, особенно при большом числе тарелок, и снизить их стоимость.

Определяем скорость пара в колонне по уравнению:

Объемный расход проходящего через колонну пара при средней температуре в колонне

в верхней части t^/ _{п ср} = 60,5С

где М_Р - мольная масса дистиллята, кг/кмоль



в нижней части t^//_{п ср} = 74С

Диаметр колонны определяем по формуле

верхней части

нижней части

Принимаем диаметр верхней и нижней частей одинаковым D = 1400 мм. Согласно ОСТ 26-01-66-86 в аппаратах такого диаметра с колпачковыми тарелками:

- колпачки диаметром 100 мм и высотой 55 мм

- количество колпачков 49 штук

- шаг колпачков 140 мм

- высота прорези колпачка (прямоугольной) 20 мм

- относительное свободное сечение тарелки 10,6%

- паровой патрубок 70 мм 2 мм высотой 38 мм

- высота сливного порога 75 мм

- длина пути жидкости по тарелке 860 мм

- периметр слива 1100 мм

- относительное сечение перелива 13,1%

Скорость пара в колонне составит:



в верхней части

в нижней части

Средняя скорость паров равна

0,622+0,644=0,633 м/с

По сравнению с предельно допустимой 0,622/0,725=0,86 и 0,644/0,708=0,90, что соответствует рекомендуемым пределам w_пред

Размещено на Allbest.ru