Расчет ректификационной колонны

Федеральное государственное автономное образовательное  учреждение высшего профессионально образования

«Сибирский Федеральный Университет»

Институт  Нефти и Газа

Кафедра химической технологии природных энергоносителей  и углеродных материалов

 

 

КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ

ПРОЕКТ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ

 

 

 

 

 

 

 

      Руководитель    __________   _________________   _____________________

                                

                                                     подпись, дата     должность, ученая степень         инициалы, фамилия

 

 

 

 

 

     Студент   ___________  ________________  ____________  __________________

                       номер группы          номер зачетной книжки       подпись, дата              инициалы, фамилия

 

 

 

 

 

 

Красноярск 2012

 

Реферат

В данном курсовом проекте приведены результаты расчета ректификационной установки для разделения смеси пентан – циклогексан. Рассчитано и подобрано основное, и вспомогательное оборудование.

   При расчете высоты  колонны использовался метод  определения числа действительных  тарелок с помощью построения  кинетической кривой.

Пояснительная записка содержит 34 страниц, 4 приложения, 4 таблицы, 3 литературных источника, 1 рисунок и графическую часть из 1 листа формата А1.

 

 

Введение

         Ректификация - массообменный процесс, который осуществляется в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки). 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. Чтобы 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 пентан - циклогексан.

       Ректификация  применяется для получения продуктов с заданной концентрацией компонентов и высокими выходами, широко используется в нефтегазопереработке, химической, нефтехимической, пищевой и других отраслях промышленности.

Процесс ректификации осуществляют в ректификационной установке, включающей ректификационную колонну, дефлегматор, холодильник-конденсатор, подогреватель  исходной смеси, сборники дистиллята и  кубового остатка. Дефлегматор, холодильник-конденсатор  и подогреватель представляют собой  обычные теплообменники. Основным аппаратом  установки является ректификационная колонна, в которой пары перегоняемой жидкости поднимаются снизу, а навстречу  парам сверху стекает жидкость, подаваемая в верхнюю часть аппарата в  виде флегмы. В большинстве   случаев     конечными       продуктами     являются    дистиллят (сконденсированные в дефлегматоре пары легколетучего компонента, выходящие из верхней части колонны) и кубовый остаток (менее летучий компонент в жидком виде, вытекающий из нижней части колонны).

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. Повышенные давления применяют для  разделения смесей, находящихся в  газообразном состоянии при более  низком давлении. Степень разделения смеси жидкостей на составляющие компоненты и чистота получаемых дистиллята и кубового остатка зависят  от того, насколько развита поверхность  фазового контакта, а, следовательно, от количества орошающей жидкости (флегмы) и устройства ректификационной колонны.

 

В промышленности применяют насадочные, колпачковые, ситчатые, клапанные, пленочные, трубчатые колонны и другие. Они различаются в основном конструкцией внутреннего устройства аппарата, назначение которого — обеспечение взаимодействия жидкости и пара. Это взаимодействие происходит при барботировании пара через слой жидкости на тарелках, либо при поверхностном контакте пара и жидкости на насадке или поверхности жидкости, стекающей тонкой пленкой.

Тарельчатые колонны нашли широкое применение в промышленности. Это массообменные вертикальные колонные аппараты, секционированные по высоте поперечными контактными массообменными устройствами (тарелками). Восходящий поток пара последовательно барботируется через слои жидкости на тарелках. В барботажном режиме работают ситчатые, колпачковые, клапанные, а также провальные тарелки. Для тарелок первых трех типов барботаж газа и движение жидкости происходят в условиях перекрестного тока благодаря равномерно распределенным на полотне  тарелок их элементам (отверстиям, колпачкам, клапанам) и наличию переливных устройств. На провальных тарелках реализуется противоточный контакт фаз. Для тарельчатых колонн характерны высокая четкость разделения исходной смеси, широкий диапазон нагрузок по пару и жидкости, высокая производительность. Недостатками данных колонн являются: высокая стоимость вследствие сложности устройства, а также повышенное гидравлическое сопротивление.

Колпачковые тарелки показывают неплохую массообменную  эффективность, имеют значительный интервал нагрузок по пару. Пары с предыдущей тарелки попадают в паровые патрубки колпачков и барботируют через слой жидкости, в которую частично погружены колпачки. Колпачки имеют отверстия или зубчатые прорези, расчленяющие пар на мелкие струйки для увеличения поверхности соприкосновения его с жидкостью. Ограниченность их применения заключается в дороговизне по причине повышенной металлоемкости. Кроме того, колпачковые тарелки обладают повышенным гидравлическим сопротивлением, склонны к забивке.

Целью расчета данного проекта является определение диаметра, высоты и гидравлического сопротивления колонны при заданных составах исходной смеси и подбор колонны и вспомогательного оборудования согласно ГОСТ.

 

 

 

 

1. Описание технологической схемы

      На питающую тарелку колонны поступает исходная смесь, нагретая до температуры t_F.

В верхней части колонны  навстречу парам направлен поток  жидкости (флегмы). Для этого на верху колонны тем или иным образом отнимается тепло. За счет этого часть паров, поднимающихся с верхней тарелки, конденсируется, образуя необходимый нисходящий поток жидкости.

В нижней части колонны  подается восходящий поток паров. Для этого вниз колонны тем или иным образом подводится тепло. При этом часть жидкости, стекающей с нижней тарелки, испаряется, образуя поток паров.

В результате массообмена с жидкостью, пар обогащается легколетучим компонентом.

Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается  в теплообменнике и направляется в емкость. Из кубовой части колонны насосом  непрерывно выводится кубовая жидкость – продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике и направляется в емкость.

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. Физико-химические  свойства компонентов исходной  смеси

 

Низкокипящим компонентом  исходной смеси является пентан. Пентан бесцветная жидкость, со слабым запахом, растворим в органических растворителях и практически не растворим в воде. Формула  CH3(CH2)3CH3.

Ткип=36,07°С,  М= 72,146, Тплав=129,72°С, ρ=0,6260.

Пентаны выделяют из конденсатов  природного газа, из нефти, лёгких потоков сланцевой смолы, из углеводородов, синтезируемых из CO и H2 (синтез-газа).

Пентановую фракцию (НК-62) используют как сырье для процесса изомеризации. н-Пентан при этом превращается в смесь изомеров. Обогащенная изопентанами фракция используется как компонент бензинов или служит для выделения изопентана — сырья для получения изопрена, который является мономером для синтеза синтетических каучуков. Также пентаны в составе прямогонных бензиновых фракций нефти используются при производстве нефтяных растворителей. Класс опасности четвёртый – малоопасные вещества.

Высококипящий компонент  смеси – циклогексан.

Формула .

Циклогексан бесцветная жидкость с характерным запахом. Не растворим  в воде, смешивается со спиртами, простыми и сложными эфирами, аминами  и жирными кислотами. Образует азеотропные  смеси с водой и бензолом.

При обычных температурах молекула циклогексана существует в виде двух кресловидных конформаций, быстро переходящих одна в другую.

Длины связей (нм): 0,15 (С—С), 0,11 (С — Н), угол ССС 111,4°.

М=84,16, Тплав=6,5 °С, Ткип=79-81 °С, ρ=0.779.

По химическим свойствам циклогексан типичный представитель циклоалканов. При жидкофазном окислении воздухом при 142-145 °С и 0,7 МПа образует смесь циклогексанона и циклогексанола. Нитрование 30%-ной HNO3 или NO2 приводит к нитроциклогексану, при действии более концентрированнойHNO3 окисляется до адипиновой кислоты. При дегидрировании циклогексана над Ni, мелкораздробленной Pt или Pd образуется бензол, при действии брома - гексабромбензол, при хлорировании - хлорциклогексан с примесью полихлорпроизводных, при действии йода - бензол. При нагревании до 30-80 °С над А1С13 циклогексан изомеризуется в метилциклопентан. Пиролиз циклогексана при 450-600 °С дает смесь насыщенных и ненасыщенных углеводородов.

Получают циклогексан  гидрированием бензола в жидкой фазе над Ni при 150-250 °С и 1-2,5 МПа (выход 99%), а также выделяют ректификацией  из нефтепродуктов.

С6Н6 + ЗН2 = C6H12

 

Циклогексан- сырье в  органическом синтезе, растворитель эфирных масел, восков, лаков, красок и другое, экстрагент в фармацевтической промышленности.

Циклогексан раздражает дыхательные пути. ПДК в атм. воздухе 1,4 мг/м3.

 

3. Технологический расчет колонны

3.1 Материальный баланс

 

Для дальнейших расчетов мольные концентрации НК в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке переведем в массовые по формуле:

 

Где – массовая доля низкокипящего компонента в жидкости;

– молярная масса низкокипящего  компонента смеси;

- молярная масса высококипящего  компонента смеси.

 Молярная масса низкокипящего компонента пентана =72 кг/кмоль, молярная масса высококипящего компонента циклогексана =84кг/кмоль (табл. XLIV [1]).

 

 

 

Массовый расход кубового остатка и дистиллята вычислим из системы уравнений:

 

Где - массовый  расход исходной смеси, кг/с;

-массовый расход дистиллята, кг/с;

- массовый расход кубового  остатка, кг/с;

-массовая доля низкокипящего  компонента в исходной жидкости, кг/кг;

- массовая доля низкокипящего компонента в дистилляте, кг/кг;

- массовая доля низкокипящего компонента в кубовом остатке, кг/кг.

Выразим из уравнения (3.1.2)

Сделаем подстановку в  уравнение (3.1.3)

 

Раскроем скобки и проведем вычисления

 

 

кг/с

Сделаем подстановку в  уравнение (3.1.4)

кг/с.

Выписываем данные о  равновесии смеси пентан-циклогексан.

Таблица 1 –  Данные о равновесии смеси пентан-циклогексан.

Содержание НК		Температура t, °C	Содержание НК		Температура t, °С	Давление, мм.рт.ст.
в жидкости, х	в паре, у
0.0	0.0	80.75	31.2	65.4	58.5	760
0.8	3.5	79.9	34.5	68.8	56.7
2.1	9.3	78.4	37.7	71.35	55.3
3.5	13.7	77.2	40.75	74.2	53.95
6.2	21.4	74.75	45.3	77.75	52.05
8.25	27.15	73.0	52.8	82.1	49.25
10.7	33.9	70.8	55.8	83.55	48.3
13.5	39.3	69.05	59.5	86.0	46.95
15.45	43.25	67.55	63.6	87.5	45.7
17.9	47.35	65.95	66.45	88.85	44.7
20.0	51.3	64.6	73.0	91.7	42.9
22.0	54.0	63.65	78.0	93.5	41.5
22.7	55.3	63.0	83.55	95.2	39.95
25.4	58.6	61.45	87.6	96.35	39.0
27.7	61.55	60.2	100	100	36.05