Ректификационная установка для разделения смеси толуол- п-крезол

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Алтайский государственный  технический университет

им. И. И. Ползунова

 

 

Кафедра химической техники  и инженерной экологии

 

 

Курсовой проект защищен

   с оценкой……………………

                                               Руководитель

                                                   .

УДК 66.048.3

 

РЕКТИФИКАЦИОННАЯ  УСТАНОВКА ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ

                                    СМЕСИ ТОЛУОЛ - п-КРЕЗОЛ

 

Пояснительная записка курсового проекта по дисциплине

«Процессы и аппараты химической технологии»

 

КП 250200.15.000 ПЗ

 

 

Проект выполнил

студент гр.       

 

Нормоконтролер

 

 

 

2009 г. 

СОДЕРЖАНИЕ

 

		ВВЕДЕНИЕ		3
1		ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА РЕКТИФИКАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ		4
2		ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ		6
2.1	Материальный  баланс колонны и рабочее флегмовое число		6
2.2	Определение скорости пара и диаметра колонны		7
2.3	Гидравлический  расчет тарелки		9
2.4	Определение числа тарелок и высоты колонны		12
3		ТЕПЛОВОЙ  РАСЧЕТ УСТАНОВКИ		15
4		МЕХАНИЧЕСКИЙ  РАСЧЕТ		18
4.1	Расчёт штуцеров		18
4.2	Выбор конструкционного материала		20
		ЗАКЛЮЧЕНИЕ		22
		СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ		23
		Приложение  А		24
		Приложение  Б		25
		Приложение  В		26

 

 

               

                                                                    

                                                                   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Ректификация  – это массообменный процесс, разделения бинарных или многокомпонентных  паровых, а также жидких смесей на практически чистые компоненты или  их смеси, обогащенные легколетучими или тяжелолетучими компонентами; процесс осуществляется в результате контакта неравновесных потоков пара и жидкости.

Разделение  осуществляется обычно в колонных аппаратах  при многократном или непрерывном  контакте фаз. Снизу ректификационной колонны движутся пары, состоящие внизу почти из одного высококипящего компонента, а сверху на встречу парам подают жидкость (флегму), состоящую в основном из низкокипящего компонента. При взаимодействии поднимающихся паров со стекающей жидкостью происходит частичная конденсация этих паров и частичное испарение жидкости (флегмы) за счет теплоты конденсации. При этом из пара конденсируется в основном высококипящий компонент, а из жидкости испаряется высококипящий компонент. Таким образом, стекающая флегма непрерывно обогащается высококипящим компонентом, а поднимающиеся пары обогащаются низкокипящим компонентом. В результате выходящий из колонны пар состоит почти целиком из низкокипящего компонента. Пар конденсируется в теплообменнике, часть этого конденсата в  виде флегмы идет на орошение колонны. Другую часть дистиллят отбирают в качестве готового продукта. Жидкость, выходящая из нижней части колонны называют кубовым остатком. Для образования восходящих потоков паров колонну снабжают кипятильником, в котором происходит испарение части кубового остатка.

Ректификация  известна с начала девятнадцатого века, как один из важнейших технологических  процессов главным образом спиртовой  и нефтяной промышленности. В настоящее  время ректификацию всё шире применяют  в самых различных областях химической технологии, где выделение компонентов в чистом виде имеет весьма важное значение (в производных органического синтеза, изотопов, полупроводников и различных других веществ высокой чистоты).[1]

 

 

 

 

1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА РЕКТИФИКАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ

 

 

 

 

 

 

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

 

 

Рисунок 1 - Принципиальная схема ректификационной установки

 

 

 

 

В установке для непрерывной  ректификации колона состоит из двух частей: верхней - укрепляющей и нижней - исчерпывающей части колоны, для  того, чтобы поступающая на разделение смесь соприкасалась со встречным потоком пара с большим содержанием высококипящего компонента в исходной смеси. В исчерпывающей части колоны происходит удаление низкокипящего компонента из стекающей вниз жидкости, в верхней части - обогащение низкокипящим компонентом поднимающихся паров. 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 X_F . На питательной тарелке жидкость смешивается с флегмой из укрепляющей части колонны и, стекая вниз, взаимодействует с поднимающимися навстречу паром, более богатым высококипящим компонентом, при этом из жидкости происходит удаление низкокипящего компонента. В нижнюю часть колонны стекает жидкость, состоящая почти целиком из высококипящего компонента, часть её называется кубовым остатком и непрерывно отводится через холодильник кубовой жидкости 10 в емкость для кубовой жидкости 11. Пар поднимается по всей колонне снизу вверх, обогащаясь при этом низкокипящим компонентом. Пар, выходя из колонны, поступает в дефлегматор 6 , где он конденсируется. При этом часть конденсата возвращается в колонну в виде флегмы, другая часть выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в промежуточную емкость 8. Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят и кубовый остаток.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ

 

2.1Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число

 

     Обозначим массовый расход дистиллята через G_D кг/ч, кубового остатка через G_W кг/ч. Из уравнений материального баланса (1) и (2),зная G_F=6500 кг/ч :

                   G_D+G_W=G_F;                                       (1)

                   G_D*x_D+G_W*x_W=G_F*x_F .                        (2)

Решая эту  систему уравнений, получаем

G_D*0,88+ G_W*0,01=6500*0,4

G_D=2913,79 кг/ч=0,809 кг/с

G_W=3586,21 кг/ч=0,996 кг/с

G_F=1,806 кг/с

     Для дальнейших расчетов выразим концентрации питания, дистиллята и кубового остатка в мольных долях.

     Питание  :

     X_F=( _F/M_т)/( _F/M_т +(100- _F)/M_пк);

x_F. =(40/92)/(40/92+60/108)=0,439

     Дистиллят:

      X_D=( _D/M_т)/( _D/M_т +(100- _D)/M_пк);

x_D=(88/92)/(88/92+12/108)=0,896.

     Кубовый  остаток :

     X_W=( _W/M_т)/( _W/M_т +(100- _W)/M_пк);

x_W=(1/92)/(1/92+99/108)=0,0117 ,

     где М_т=92 кг/кмоль и М_пк=108 кг/кмоль – это мольные массы компонентов.

    Относительный мольный расход питания:

     F=(x_D-x_W)/(x_F-x_W);

F=(0,896-0,0117)/(0,439-0,0117)=2,069.

      Кривая равновесия y*-x (приложение А) точек перегиба не имеет. Определяем  минимальное  число флегмы по уравнению                                                                           R_min = (x_D - y^*_F)/(y^*_F - x_F)                                        (3)

где x_F-мольная доля исходной смеси по легколетучему компоненту, кмоль/кмоль смеси; х_D-мольная доля дистиллята по легколетучему компоненту, кмоль/кмоль смеси                                               y^*_F – концентрация легколетучего компонента в паре, кмоль/кмоль смеси.

  

 

 

 R_min =(0,896-0,939)/(0,939-0,439)=-0.086

    где y_F^*=0,939 –мольная доля толуола в паре, равновесном с

 жидкостью питания, определяем по диаграмме y^* - x          (приложение A)

 

    Рабочее  число флегмы по уравнению  (4) :

        R=1.3* R_min +0,3 ;                                        (4)

    R=1,3*-0,086+0,3=0,188.

 Найдем  уравнения рабочих линий верхней и нижней части колонны:

а)верхней (укрепляющей) части  колонны:

   y=(R/(R+1))*x+x_D/(R+1);

y=0,158*x +0,754

    б)нижней (исчерпывающей) части колонны:

   y=((R+F)/(R+1))*x+(F-1)x_W/(R+1);

y=1,9*x-0,01.

 

2.2 Определение скорости пара и диаметра колонны

 

При расчете  скорости пара и диаметра колонны, необходимо найти ряд параметров в верхней  и нижней части колонны.

Средние концентрации жидкости:

а) в верхней части  колонны

   x_ср’=(x_F +x_D)/2;

x_ср’=(0,439+0,896)/2=0,667.

б) в нижней части колонны

   x_ср”=(x_F +x_W)/2;

x_ср”=(0,439+0,0117)/2=0,225.

     Средние концентрации пара находим по уравнениям рабочих линий:

     а) в верхней части колонны

  y_ср’=0,64*x_ср’+0,347;

y_ср’=0,64*0,667+0,347=0,8598;

     б) в нижней  части колонны

  y_ср”=1.3*x_ср”-0,0068;

y_ср”=1.3*0,225-0,0068=0,418.

    

 

 

 

 

Средние температуры пара определяем по диаграмме t-x,y (приложение Б):

     а) при y_ср’=0,8598          t_ср’=146,1 ⁰C;

     б) при y_ср”=0,418           t_ср”=183 ⁰C.

     Средние  мольные массы и плотности пара:

     а) в верхней части колонны

М_ср’=0,8598*92+0,1402*108=94,24 кг/кмоль,

     r_ср’=(M_ср’*T⁰)/(22,4*T_ср’) 

 r_ср=94,24*273/22,4*419,1=2,74 кг/м³

б) в нижней части колонны 

М_ср”=0,418*92+0,582*108=101,32 кг/кмоль,

    r_ср”=(M_ср’*T⁰)/(22,4*T_ср’)

r_ср”=101,32*273/22,4*456=2,71 кг/м³

      Средняя плотность пара в колонне:

    r_П=(r_ср’+r_ср”)/2

r_П= (2,74+2,71)/2=2,72 кг/м³.

    Температура вверху колонны при x_D=y_D=0,896 равняется 113,5 ⁰С, а в кубе-испарителе при x_W=0,0117 она равна 195,5 ⁰С (приложении Б).

     Плотность жидкого толуола при 113,5 ⁰С r_т=773,15 кг/м³, а п-крезола при 195,5 ⁰С r_пк=900 кг/м³.

     Принимаем  среднюю плотность жидкости в  колонне

r_Ж=(773,15+900)/2=836,575 кг/м³.

     Определяем скорость пара в колонне по уравнению (5). По данным каталога-справочника “Колонные аппараты” принимаем расстояние между тарелками h=300 мм.. Для ситчатых тарелок значение коэффициента С=0,032.

          w=C* ((r_Ж-r_П)/r_П)^0,5   .                        (5)

    В  случае когда r_Ж>>r_П, то формула (5) упрощается      w=C*(r_Ж/r_П)^0,5,

                       w=0,032*(836,575/2,72)^0,5=0,56 м/с

   Объемный расход проходящего через колонну пара при средней температуре в колонне t_ср=(146,1+183)/2=164,55 ⁰С,находим по уравнению:                    

      V=(G_D*(R+1)*22.4*T_срp₀)/(M_D*T₀*p)    (6) ^.                               V=0.38 м³/с

    где M_D-мольная масса дистиллята, равная

M_D=0,896*92+0,104*108=93,67 кг/кмоль.

  

 

 

 

 

 Диаметр колонны  находим по уравнению 

       D=(V/(0.785*w))^0,5 ,                                         (7)