Курсовая работа: Ректификационная установка непрерывного действия для разделения смеси ацетон-бензол
Название: Ректификационная установка непрерывного действия для разделения смеси ацетон-бензол Раздел: Рефераты по химии Тип: курсовая работа | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ВведениеРектификация – 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 пленкой по 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 Принципиальная схема ректификационной установкиПринципиальная схема ректификационной установки представлена на. 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 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси ХF . 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 Хw , 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 Хp , 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). 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. Технологический расчет ректификационной колонны непрерывного действияЗадание Спроектировать ректификационную установку для разделения смеси. Смесь: ацетон – бензол . Количество исходной смеси: Состав исходной смеси: Состав кубового остатка: Состав дистиллята: Давление греющего пара: 5 ата Давление в колонне: 1 ата Вид контактных устройств: клапанные тарелки 1. Построение ступеней процесса ректификации1.1 Пересчет массовых долей в мольные
где МА и МB – мольные массы ацетона и бензола, соответственно, кг/моль. МА = 58 кг/моль; МB = 78 кг/моль 1.2 Материальный баланс колонныМолярная масса исходной смеси Мольный секундный расход смеси
Расход дистиллята Подставим это выражение в
1.3 Равновесие между паром и жидкостьюТаблица 1. Равновесные составы жидкости (x ) и пара (y ) в мол. и температуры кипения (t ) в °C бинарных смесей при 760 мм. рт. ст.
Рис. 2 Кривая равновесия и положение рабочей линии при Rмин
Рис. 3 Диаграмма t – x, y. 1 – линия жидкости; 2 – линия пара. 1.4 Минимальное флегмовое числоbmax = 0,35 (рис. 2) 1.5 Рабочее флегмовое число1.
2. 3. 4. 5. Рис. 4 Графическое определение числа теоретических тарелок при Рис. 5 Графическое определение числа теоретических тарелок при Рис. 6 Графическое определение числа теоретических тарелок при Рис. 7 Графическое определение числа теоретических тарелок при Рис. 8 Графическое определение числа теоретических тарелок при 1.6 Оптимальное флегмовое числоТаблица 2. Число теоретических ступеней при разных коэффициентах избытка флегмы
Рис. 9 Зависимость числа теоретических ступеней от флегмового числа Рис. 10 Определение оптимального флегмового числа График (рис. 10), построенный на основе данных (табл. 2), показывает, что минимальный объем колонны будет иметь место при R=2,655. Примем это флегмовое число для дальнейших расчетов и соответствующее ему число теоретических ступеней nтс в = 19; nтс н = 5 1.7 Мольный расход жидкости в верхней и нижней части колонны
1.8 Мольный расход пара в колонне
2. Физико- химические свойства паровой и жидкой фаз для верха и низа колонны2.1 Средние мольные концентрации жидкости и пара
По диаграмме t – x, y (рис. 3), при средних концентрациях жидкости
где yD = xD ; yW = xW ; yF – состав пара, соответствующий составу исходной смеси xF (рис. 6) По диаграмме t – x, y (рис. 3), при средних концентрациях пара 2.2 Средние мольные массы жидкости и пара
2.3 Средние плотности жидкости и параПересчет мольных концентраций в массовые:
где
где
где Т0 – абсолютная температура, равная 273К 2.4 Средние вязкости жидкости и пара
где
где
где
где 2.5 Массовые и объемные расходы жидкости и параСредние массовые расходы:
Объемные расходы:
Таблица 3. Параметры потоков пара и жидкости в колонне
3. Гидравлический расчет колонны3.1 Коэффициент увеличения нагрузки3.2 Оценочная скорость парадля верхней части колонны:
для нижней части:
3.3 Диаметрверхней части колонны:
нижней части колонны:
3.4 Действительная скорость параТак как
в нижней части колонны:
3.5 Относительная активная площадь тарелкиПериметр слива Относительное сечение перелива: Относительная активная площадь тарелки: 3.6 Фактор нагрузкидля верхней части колонны: для нижней части колонны: Коэффициент поверхностного натяжения для верхней части колонны:
где Примем минимальное расстояние между тарелками Допустимая скорость пара в рабочем сечении колонны для верхней части:
3.7 Проверка условий допустимости скоростей пара для верхней и нижней частей колонны:
Видно, что условие не выполняется ни для верхней, ни для нижней частей колонны. Увеличивая последовательно расстояние между тарелками, а также диаметр колонны, найдем, что условие будет выполняться лишь при диаметре Действительная скорость пара в верхней части колонны:
в нижней части колонны:
Периметр слива Относительное сечение перелива: Относительная активная площадь тарелки: Расстояние между тарелками Допустимая скорость пара в рабочем сечении колонны для верхней части:
для нижней части колонны:
Условия допустимости скоростей пара для верхней и нижней частей колонны:
Условия выполняются. 3.8 Удельная нагрузка жидкости на сливную перегородкув верхней части колонны:
в нижней части колонны:
3.9 Фактор паровой нагрузкидля верхней части колонны: для нижней части колонны: Подпор жидкости над сливным порогом в верхней части колонны: для нижней части: 3.10 Глубина барботажа
Высота парожидкостного слоя на тарелках верхней части колонны:
на тарелках нижней части колонны:
3.11 Высота сливного порогав верхней части колонны:
в нижней части колонны:
3.12 Динамическая глубина барботажа
3.13 Минимально допустимая скорость пара в свободном сечении колонныУдельная весовая нагрузка клапана
где Минимально допустимая скорость пара в свободном сечении верхних тарелок:
в свободном сечении нижних тарелок:
где Коэффициент запаса сечения: Так как 3.14 Фактор аэрациидля верхних тарелок: для нижних тарелок: 3.15 Газосодержание слояна верхних тарелках: на нижних тарелках: 3.16 Высота слоя жидкостина верхних тарелках:
на нижних тарелках:
3.17 Гидравлическое сопротивление тарелокв верхней части колонны:
в нижней части колонны:
3.18 Высота сепарационного пространства между тарелкамив верхней части колонны:
в нижней части колонны:
где К5 = 1 – коэффициент вспениваемости смеси 3.19 Межтарельчатый унос жидкостив верхней части колонны:
в нижней части колонны:
3.20 Площадь поперечного сечения колонны:
Скорость жидкости в переливных устройствах верхних тарелок:
в переливных устройствах нижних тарелок:
Допустимая скорость жидкости в переливных устройствах верхних тарелок:
Действительная скорость жидкости в переливах меньше допустимых. 4. Локальная эффективность контакта4.1 Коэффициент диффузии пара
где Коэффициент диффузии пара в верхней части колонны:
где Коэффициент диффузии пара в нижней части колонны:
где для верхней части колонны:
где
где Ф = 1 – безразмерный параметр, учитывает ассоциацию молекул растворителя Коэффициент диффузии жидкости для нижней части колонны:
где 4.2 Число единиц переносав газовой фазе для верхней части колонны: для нижней части колонны: Число единиц переноса в жидкой фазе для верхней части колонны: где для нижней части: где 4.3 Фактор отклоненияСреднее значение тангенсов угла наклона линии равновесия для верхней и нижней частей колонны: Фактор отклонения для верхней части колонны: для нижней части колонны: 4.4 Общее число единиц переносадля верхней части колонны: для нижней части колонны: 4.5 Локальная эффективность тарелокв верхней части колонны:
в нижней части колонны:
5. Эффективность тарелок по Мерфри5.1 Коэффициент турбулентной диффузиидля тарелок в верхней части колонны:
где при h0
> 0,25 мм А = 0,58∙10-4
;
где для тарелок в нижней части колонны:
где при h0
> 0,25 мм А = 0,58∙10-4
;
5.2 Критерии Фурьедля тарелок в верхней части колонны: для тарелок в нижней части колонны: 5.3 Эффективность тарелокв верхней части колонны:
где
где 5.4 Число действительных тарелокв верхней части колонны: в нижней части колонны: 5.5 Высота верхней рабочей части колонны:
Высота нижней рабочей части колонны:
5.6 Гидравлическое сопротивлениеверхней части колонны:
Гидравлическое сопротивление нижней части колонны:
Общее гидравлическое сопротивление рабочей части колонны:
6. Расчет штуцеров6.1 для исходной смеси:
6.2 для входа парожидкостной смеси:
6.3 для выхода пара:
6.4 для входа флегмы:
6.5 для выхода кубового остатка:
ЗаключениеТаблица 4. Основные параметры ректификационной колонны
Список литературы1. Ульянов. Б.А., Бадеников В.Я, Ликучев В.Г., процессы и аппараты химической технологии. Учебное пособие – Ангарск: Издательство ангарской государственной технической академии, 2005 г. - 903 с. 2. Дытнерский Ю.И. основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию / Под ред. Ю.И. Дытнерского. М.: химия, 1991.-496 с. 3. Методические указания по курсовому проектированию процессов и аппаратов химической технологии – Изд. 2-е, испр. И доп. – Ангарск, АГТА, 2005 г. - 64 с. |