Проект ректификационной установки для разделения двухкомпонентной смеси

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

Ангарский государственный технический университет»

Центр повышения квалификации и профессиональной переподготовки специалистов

Кафедра химической технологии топлива

Пояснительная записка

к курсовому проекту

по дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии»

Тема проекта:

Проект ректификационной установки для разделения двухкомпонентной смеси

Выполнила Микрюкова Н.В.

слушатель группы ХТпп-20-2

Ангарск, 2020 год

ЗАДАНИЕ

на курсовое проектирование

Дополнительная профессиональная программа: «Химическая технология органических веществ и топлива»

Дисциплина: «Процессы и аппараты химической технологии»

Слушатель: Микрюкова Наталья Валерьевна

Группа ХТпп-20-2

1. Тема курсового проекта: Проект ректификационной установки для разделения двухкомпонентной смеси

2. Исходные данные к курсовому проекту даны в приложении к заданию, вариант 20

3. Краткое содержание курсового проекта требуется выполнить технологический расчёт ректификационной колоны без дополнительного оборудования, согласно исходным данным, приведенным в приложении к заданию.

4. Перечень графического материала к курсовому проекту Чертеж общего вида ректификационной колоны

5. Дата выдачи задания

6. Срок сдачи слушателем законченного курсового проект

Оглавление

Введение

1. Принципиальная схема ректификационной установки

1.1 Описание технологической схемы

1.2 Описание насадочной колонны

2. Технологический расчет ректификационной колоны

2.1 Условие к заданию

2.2 Пересчет массовых долей в мольные

2.3 Материальный баланс колонны

2.4 Расчет рабочего флегмового числа

2.5 Физико-химические свойства паровой и жидкой фаз для верха и низа колонны

2.6 Скорость пара для насадочных колонн

2.7 Расчет диаметра колонны

2.8 Определение высоты колонны по числу единиц переноса (ЧЕП)

2.9 Тепловой расчет установки

2.10 Расчет патрубков штуцеров

Заключение

Список литературы

Введение

Ректификация - массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаев в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными используемым в процессе абсорбции.

Поэтому методы подхода к расчету и проектированию ректификационных и абсорбционных установок имеют много общего.

Тем не менее, ряд особенностей процесса ректификации (различное соотношение нагрузок по жидкости и пару в нижней и верхней частях колонны, переменные по высоте колонны физические свойства фаз и коэффициент распределения, совместное протекание процессов массо- и теплопереноса) осложняет его расчет.

Одна из сложностей заключается в отсутствии обобщенных закономерностей для расчета кинетических коэффициентов процесса ректификации. В наибольшей степени это относится к колоннам диаметром более 800 мм с насадками и тарелками, широко применяемым в химических производствах. Большинство рекомендаций сводится к использованию для расчета ректификационных колонн кинетических зависимостей, полученных при исследовании абсорбционных процессов.

В процессе ректификации происходит непрерывный обмен между жидкой и паровой фазой.

Жидкая фаза обогащается более высококипящим компонентом, а паровая фаза - более низкокипящим.

Процесс массообмена происходит по всей высоте колонны между стекающей вниз флегмой и поднимающимся вверх паром.

Что бы интенсифицировать процесс массообмена применяют контактные элементы, что позволяет увеличить поверхность массообмена. В случае применения насадки жидкость стекает тонкой пленкойпо ее поверхности, в случае применения тарелок пар проходит через слой жидкости на поверхности тарелок.

В данной работе приведен расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной смеси ацетон - бензол

1. Принципиальная схема ректификационной установки

1.1 Описание технологической схемы

Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рисунке 1. Исходная смесь из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подается в теплообменник 3, где подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси х_F.

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_W, 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 х_F, которая получается 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 кубовой остаток, обогащенный труднолетучим компонентом.



Рис. 1. Принципиальная схема ректификационной установки

1 - емкость для исходной смеси; 2,9 - насосы; 3 - теплообменник-подогреватель; 4 - кипятильник; 5 - ректификационная колонна; 6 - дефлегматор; 7 - холодильник дистиллята; 8 - емкость для сбора дистиллята; 10 - холодильник кубовой жидкости; 11 - емкость для кубовой жидкости.

1.2 Описание насадочной колонны

Насадочные колонны, в которых гидравлическое сопротивление значительно меньше, чем в тарельчатых колоннах, находят применение главным образом при ректификации под вакуумом жидкостей с высокими температурами кипения и в тех случаях, когда для перегонки данной смеси в тарельчатой колонне потребовалось бы большое число тарелок.

Схема устройства насадочной ректификационной колонны непрерывного действия представлена на рисунке 2. Колонна состоит из двух частей: верхней-укрепляющей и нижней - исчерпывающей. Внутри каждой части колонны находится решетка, на которую укладывается насадка. Сверху укрепляющей части колонны установлены приспособления для кипятильника поступают под решетку исчерпывающей части колонны и проходят по ней снизу вверх; жидкость, наоборот, протекает сверху вниз. В результате контакта паров с жидкостью происходит постепенное обогащение пара легколетучим компонентом, а жидкости-менее летучим компонентом.

Пройдя колонну, пары направляются, как обычно, в дефлегматор (на рисунке не показан), а жидкость из низа исчерпывающей части колонны частично отбирается в виде кубового остатка, содержащего относительно чистый менее летучий компонент, а частично идет в кипятильник. Насадку загружают в колонну через верх, а для выгрузки ее в обеих частях колонны устроены специальные люки.

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Рис. 2. Насадочная колонна

2. Технологический расчет ректификационной колоны

2.1 Условие к заданию

Исходные данные на курсовое проектирование (вариант № 20)

Разделяемая смесь: ацетон-бензол

Количество исходной смеси: ;

Состав исходной смеси:

Состав кубового остатка: ;

Состав дистиллята: ;

Вид контактных устройств: кольца рашига

Давление в колонне: 1 ата;

Давление греющего пара: 10 ата;

Дополнительное оборудование: нет

2.2 Пересчет массовых долей в мольные

Молекулярная масса:

Ацетон = 58 кг/моль

Бензол = 78 кг/моль

Исходная смесь:

Кубовый остаток:

Дистиллят:

2.3 Материальный баланс колонны

Пересчитаем массовый расход исходной смеси, дистиллята, кубового остатка в мольный.

Отсюда:

2.4 Расчет рабочего флегмового числа

Для технологического расчета ректификационной колонны необходимо построить равновесную зависимость между жидкостью и паром для смеси ацетон - бензол в координатах у-х и t-x, y. Данные для построения взяты в приложении 62, стр. 712 и занесены в таблицу 1.

Таблица 1

Равновесные составы жидкости (х) и пара (у) в % мол и температура кипения (t)⁰С

х	0	0.05	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9	1
у	0	0.14	0.243	0.4	0.512	0.594	0.665	0.73	0.795	0.863	0.932	1
t	80.1	78.3	76.4	72.8	69.6	66.7	64.3	62.4	60.7	59.6	58.8	56.1

Нагрузка ректификационной колонны по поднимающемуся пару и стекающей вниз жидкости определяется рабочим флегмовым числом R, которое показывает соотношение между количеством флегмы, подаваемой на орошение колонны и количеством отбираемого дистиллята.



Рис. 3. Диаграмма равновесия между паром и жидкостью в координатах х-у

Определяем минимальное флегмовое число графически.

По рисунку 3 находим, что в_max = 0,34, отсюда

Рабочее флегмовое число определяем по формуле:

где в - коэффициент избытка флегмы.

По рис. 3 найдем требуемое число ступеней, которое составляет 12.

Задаваясь различными значениями коэффициента избытка флегмы в, определим флегмовое число R, число , число теоретических тарелок n_t, найденных путем приближенного расчета по методу Джилиленда, критерий оптимальности

Таблица 2

Данные для определения флегмового числа

Коэф. избытка флегмы	1.1	1.15	1.2	1.3	1.5	1.75	2	2.5
Флегмовое число	2.06	2.16	2.25	2.44	2.81	3.28	3.75	4.69
Число b	0.32	0.31	0.30	0.28	0.26	0.23	0.21	0.17
	0.06	0.68	0.69	0.714	0.74	0.77	0.79	0.82
S	0.56	0.53	0.52	0.47	0.41	0.36	0.31	0.25
Число теоретических ступеней nt	29	27	26	24	21	19	18	16
Критерий оптимальности	87.4	84.1	84.8	80.9	80.2	82.7	84.7	92.9

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Рис.4. Зависимость между флегмовым числом и числом теоретических тарелок

Строим график в координатах критерий оптимальности - флегмовое число. (Рис. 5)

На кривой определяем оптимальное флегмовое число R = 2.81

Для найденного рабочего флегмового числа строим рабочие линии процесса ректификации (Рис. 6)

Рис. 5. Определение рабочего флегмового числа

Рис. 6. Построение рабочих линий процесса

Согласно графику, число ступеней в нижней части колонны составляет 5 теоретических тарелок, а в верхней 21.

Определим средние массовые расходы жидкости и пара в колонне.

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

Средний расход пара по колонне постоянен:

2.5 Физико-химические свойства паровой и жидкой фаз для верха и низа колонны

ректификационный тарельчатый ацетон бензол

Определим средние мольные концентрации жидкости и пара для верхней и нижней части колонны:

Средние мольные концентрации пара:

Согласно допущению , .

Находим

Составим диаграмму t - x, y, при средних концентрациях пара у^В и у^Н определим средние температуры в пара в верхних и нижних частях колонны t^В, t^Н, ⁰С.

Выразим полученные данные в виде таблицы

Таблица 3

Данные концентрации и температуры

	Концентрация жидкости	Концентрация пара	Температуры
	мол. дол.	масс. дол.	мол. дол.	масс. дол.	жидкость	Пар
Дистиллят	0.9775	0.9700	0.9775	0.715	56.6	56.9
Верхняя часть	0.7147	0.6507	0.7836	0.668	61.0	61.9
Точка питания	0.4518	0.3800	0.5897	0.602	65.4	66.9
Нижняя часть	0.2459	0.1951	0.3148	0.447	72.1	73.3
Кубовый остаток	0.0399	0.0300	0.0399	0.030	78.7	79.6

Рис.7. График t - x, y

Также переведем концентрации жидкости и пара из мольных в массовые.

Далее определяем следующие параметры процесса для верхней и нижней частей колонны:

1. Средние мольные массы пара, кг/кмоль:

2. Средние плотности пара, кг/м³:

3. Средние вязкости пара, мПа·с:

4. Средние мольные массы жидкой смеси, кг/кмоль:

5. Средние плотности жидкости, кг/м³:

6. Средние вязкости жидкости, мПа·с:

Выразим полученные данные в виде таблицы.

Таблица 4

Физико-химические свойства жидкости и пара

	Мольная масса, кг/кмоль	Плотность, кг/м3	Вязкость, мПа·с
	жидкость	пар	жидкость	пар	жидкость	пар
Дистиллят	58.4	58.4	753.0	2.16	-	-
Верхняя часть	63.7	62.3	773.9	2.27	3.17·10-4	8.9·10-6
Точка питания	69.0	66.2	793.0	2.37	-	-
Нижняя часть	73.1	71.7	803.2	2.52	3.74·10-4	9.1·10-6
Кубовый остаток	77.2	77.2	813.1	2.67	-	-

Найдем мольный объем ацетона и бензола, см³/моль:

Найдем коэффициент молекулярной диффузии пара для верха и низа колонны, м²/ч:

Найдем коэффициент молекулярной диффузии жидкости для верха и низа колонны, м²/ч:

2.6 Скорость пара для насадочных колонн

Предельно допустимая скорость пара, при которой происходит захлебывание колонны, определяется по уравнению, м/с:



Тип насадки и ее характеристики выбираем по приложению 27 (стр. 677)

В нашей колонне используем керамические кольца рашига (в навал) 35?35?4 как для верха, так и для низа колонны.

Свободный объем ? = 0,78 м³/м³

Удельная поверхность f = 140 м²/м³

Рабочая скорость пара в колонне должна быть ниже предельного допустимого значения , при котором начинается захлёбывание (брызгоунос) колонны:

2.7 Расчет диаметра колонны

Расчет проводим отдельно для верхней и нижней частей колонны по формуле:

Так как рассчитанные диаметры нижней и верхней частей колонны не отличаются друг от друга не более чем на 10%, то принимаем колонну единого размера. Согласно приложению наш диаметр будет равен

Произведем перерасчет рабочей скорости пара на новый диаметр колонны:

2.8 Определение высоты колонны по числу единиц переноса (ЧЕП)

Общая высота насадки складывается из ее высот верхней и нижней частей колонны и определяется по формуле:

Для нахождения общего числа единиц переноса используется уравнение:

Интеграл решается графическим методом

Таблица 5

Сводные данные

	х, мол.дол	y, мол.дол	y*, мол.дол	y*-y	Z=1/(y*-y)
	0		0
xw	0,04	0,04	0,110	0,07	14,29
низ	0,05	0,055	0,140	0,09	11,76
	0,1	0,12	0,243	0,12	8,13
	0,2	0,255	0,400	0,15	6,90
	0,3	0,39	0,512	0,12	8,20
	0,4	0,515	0,594	0,08	12,66
xf	0,45	0,59	0,630	0,04	25,00
верх	0,5	0,625	0,665	0,04	25,00
	0,6	0,7	0,730	0,03	33,33
	0,7	0,77	0,795	0,03	40,00
	0,8	0,845	0,863	0,02	55,56
	0,9	0,91	0,932	0,02	45,45
xd	0,98	0,98	0,990	0,01	100,00
	1		1

Рис. 8. Графическое определение

Общая высота единицы переноса для верха и низа колонны рассчитывается по формуле:

Найдем частную высоту единицы переноса в паровой фазе.

Ш=1

Найдем частную высоту единицы переноса в жидкой фазе.

Найдем общую высоту слоя насадки:

м

Высоту отдельных слоев насадки не должна превышать , при чем каждый слой насадки располагается на опорной решетке. Отношение высоты насадки к диаметру колонны должно удовлетворять условие:

Рассчитаем количество слоев:

Рассчитаем рабочую высоту всех слоев

Определяем высоту колонны



Согласно таблице 2.3 стр. 35

2.9 Тепловой расчет установки

Тепловой расчет проводится с целью определения расхода греющего пара и охлаждающей воды.

Приход тепла в колонну связан с вводом тепла исходной жидкой смеси, подогретой до температуры кипения в подогревателе и тепла греющего пара , подводимого в кипятильник.

Расход тепла в колонне осуществляется:

- в холодильнике дистиллята

- в холодильнике кубового остатка

- в дефлегматоре

Теплоемкость ацетона

Скрытая теплота конденсации (испарения)

Теплоемкость толуола

Теплоемкость исходной смеси

Теплоемкость ацетона Дж/кг·град

Теплоемкость Дж/кг·град

Скрытая теплота конденсации греющего пара

Рассчитаем расход водяного греющего пара

Расход тепла, отдаваемого охлаждающей воде в дефлегматоре - конденсаторе находится по уравнению:

В холодильнике дистиллята:

В холодильнике кубового остатка:

Найдем общий расход охлаждающей воды:

Расход охлаждающей воды (м³/с) при нагреве её на 20⁰С:

В дефлегматоре:

В водяном холодильнике дистиллята:

В водяном холодильнике кубового остатка:

Общий расход охлаждающей воды:

2.10 Расчет патрубков штуцеров

Внутренний диаметр патрубков (м) определяется из уравнений расхода:

Из таблицы 4.1 стр. 52 определим скорости движения сред в трубопроводах .

Найдем диаметр патрубка штуцеров исходной смеси:

Согласно приложению 13 стр. 72 определяем стандартный диаметр штуцера

Найдем диаметр патрубка штуцеров пара верха колонны:

Согласно приложению 13 стр. 72 определяем стандартный диаметр штуцера

Найдем диаметр патрубка штуцеров пара низа колонны:

Согласно приложению 13 стр. 72 определяем стандартный диаметр штуцера

Найдем диаметр патрубка штуцеров флегмы:

Согласно приложению 13 стр. 72 определяем стандартный диаметр штуцера

Найдем диаметр патрубка штуцеров жидкости куба колонны:

Согласно приложению 13 стр. 72 определяем стандартный диаметр штуцера

Заключение

Выполнен расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной смеси ацетон - бензол.

На основе уравнений материального баланса определены количества продуктов ректификации: дистиллята и кубового остатка. Графическим и аналитическим методами определено минимальное флегмовое число. Определено рабочее флегмовое число и количество действительных тарелок.

Для определения геометрических размеров колонны - диаметра и высоты - определена скорость движения пара внутри колонны. Диаметр колонны определен из уравнения расхода.

Выполнен конструктивный расчет, позволяющий выбрать диаметр штуцеров.

Насадочная ректификационная колонна имеет следующие параметры: диаметр D = 1.4 м, высота H = 15.5 м. В колонне используются керамические кольца рашига. Колонна состоит из 3 секций (2 в верхней части колонны и 1 в нижней) по 3.5 м каждая, с расстоянием между секциями 1м.

Произведен расход водяного греющего пара составляет 21.99 т/ч, расход охлаждающей воды 0.029 м³/с.

Также были посчитаны диаметры штуцеров.

Список литературы

1. Ульянов Б.А., Бадеников В.Я., Ликучев В.Г. «Процессы и аппараты химической технологии»

2. Рыбалко Л.И., Щукина Е.В., Подоплелов Е.В., Дементьев А.И. «Расчет ректификационной установки непрерывного действия»

Размещено на allbest.ru