Проектирование ректификационной установки для разделения бинарной бензол - уксусная кислота, производительностью по дистилляту 200 кг/ч

Санкт-Петербургский государственный  технологический институт

(Технический университет)

 

 

Кафедра процессов и аппаратов    Факультет  4

Курс   3

Группа         483

 

 

 

Учебная дисциплина: Процессы и аппараты химической технологии

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

Тема: Проектирование ректификационной установки для разделения бинарной бензол - уксусная кислота, производительностью  по дистилляту 200 кг/ч

 

Студент    ____________   Марко П. И.

Руководитель,

доцент    _____________   Банных О.П.

Оценка за

курсовой проект   _____________

 

 

 

1. Введение	3
2.1 Техническое задание	5
2.2 Описание  технологической схемы	6
3. РАСЧЁТЫ	7
3.1. Расчёт ректификационной колонны	7
3.1.1 Материальный баланс колонны	7
3.1.2 Рабочее флегмовое число	7
3.1.3 Расчёт средних физических величин для смеси	9
3.1.4 Скорость пара и диаметр колонны	13
3.1.5 Расчет высоты насадки и колонны.	16
3.1.6 Расчет гидравлического сопротивления колонны	19
3.1.7 Тепловой баланс ректификационной колонны	20
3.2 Приближённый расчёт теплообменной аппаратуры	21
3.2.1 Куб - испаритель	21
3.2.2 Дефлегматор	22
3.2.3 Холодильник дистиллята	23
3.2.4 Подогреватель исходной смеси	24
3.3 Подробный расчёт холодильника кубовой жидкости	25
Заключение	30
Список  использованной литературы	31

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

Ректификация - один из способов разделения жидких смесей основанный на различном распределении компонентов  смеси между жидкой и паровой  фазами. В качестве аппаратов служащих для проведения ректификации используются ректификационные колонны - состоящие из собственно колонны, где осуществляется противоточное контактирование пара и жидкости, и устройств, в которых происходит испарение жидкости и конденсация пара — куба и дефлегматора. Колонна представляет собой вертикально стоящий полый цилиндр внутри которого установлены так называемые тарелки (контактные устройства различной конструкции) или помещен фигурный кусковой материал — насадка. Куб и дефлегматор — это обычно кожухотрубные теплообменники (находят применение также трубчатые печи и кубы-испарители.

Назначение тарелок и  насадки - разделение межфазной поверхности  и улучшение контакта между жидкостью  и паром. Тарелки, как правило, снабжаются устройством для перелива жидкости. В качестве насадки ректификационных колонн обычно используются кольца, диаметр  которых равен их высоте.

Как в насадочных, так  и в тарельчатых колоннах кинетическая энергия пара используется для преодоления  гидравлического сопротивления  контактных устройств и для создания динамической дисперсной системы пар — жидкость с большой межфазной поверхностью. Существуют также ректификационные колонны с подводом механической энергии, в которых дисперсная система создаётся при вращении ротора, установленного по оси колонны. Роторные аппараты имеют меньший перепад давления по высоте, что особенно важно для вакуумных колонн.

По способу проведении различают - непрерывную и периодическую ректификацию. В первом случае разделяемая смесь непрерывно подается в ректификационную колонну, а из колонны непрерывно отводятся две или более число фракций, обогащенных одними компонентами и обедненных другими. Полная колонна состоит из двух секций укрепляющей и исчерпывающей. Исходная смесь (обычно при температуре кипения) подается в колонну, где смешивается с так называемой извлеченной жидкостью, стекающей по контактным устройствам (тарелкам или насадке) исчерпывающей секции противотоком к поднимающемуся потоку пара. Достигая низа колонны, жидкость обогащается тяжелолетучими компонентами. В низу жидкость частично испаряется в результате нагрева подводящимся теплоносителем, и пар снова поступает в исчерпывающую секцию. Пройдя её, обогащенный легколетучими компонентами, пар поступает в дефлегматор, где обычно полностью конденсируется подходящим хладагентом. Полученная жидкость делится на два потока - дистиллят и флегму. Дистиллят является продуктовым потоком, а флегма поступает на орошение укрепляющей секции, по контактным устройствам которой стекает. Часть жидкости выводится из куба колонны в виде так называемого кубового остатка (также продуктовый поток).

Если исходную смесь нужно  разделить непрерывным способом на число фракций больше двух, то применяется последовательное либо параллельно - последовательное соединение колонн.

При периодической ректификации исходная жидкая смесь единовременно  загружается в куб колонны, емкость, которая соответствует желаемой производительности. Пары поступают в колонну и поднимаются к дефлегматору, где происходит их конденсация. В начальный период весь конденсат возвращается в колонну, что отвечает режиму полного орошения. Затем конденсат делится на дистиллят и флегму. По мере отбора дистиллята (либо при постоянном флегмовом числе, либо с его изменением из колонны выводятся сначала легколетучие компоненты, затем среднелетучие и так далее). Нужную фракцию (или фракции) отбирают в соответствующий сборник. Операция продолжается до полной переработки первоначально загруженной смеси.

Основные области промышленного  применения ректификации — получение  отдельных фракций и индивидуальных углеводородов из нефтяного сырья  в нефтеперерабатывающей и нефтехимической  промышленности, окиси этилена, акрилонитрила, акрилхлорсиланов - в химической промышленности. Ректификация широко используется и в других отраслях народного хозяйства: коксохимической, лесохимической, пищевой, химико — фармацевтической промышленностях.                                                                                                                    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.1 Задание по курсовому проектированию № 15

 

Спроектировать ректификационную установку для непрерывного разделения смеси: бензол – уксусная кислота  под атмосферным давлением. Сделать  подробный расчет ректификационной колонны и водяного холодильника кубового остатка (режим движения теплоносителей – турбулентный). Куб-испаритель, подогреватель  исходной смеси, холодильник дистиллята и воздушный дефлегматор рассчитать приближенно, используя коэффициенты теплопередачи из «Примеров и задач…». Выбрать стандартные аппараты. Сделать чертеж общего вида холодильника и эскиз технологической схемы установки.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА

1. Колонна насадочная
2. Производительность установки по дистилляту 270 кг/час
3. Концентрация легколетучего компонента в исходной смеси 10 % масс
4. Концентрация легколетучего компонента в дистилляте 68 % масс
5. Концентрация легколетучего компонента в кубовом остатке 1 % масс
6. Температура исходной смеси 25 С°
7. Давление греющего пара 3.5 атм. (изб.).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Описание технологической схемы

Исходная смесь из промежуточной  ёмкости Е1 центробежным насосом H1 подаётся в теплообменник П, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в середину ректификационной колонны КР на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси.

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся  вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике К. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка, 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), получаемой в дефлегматоре Д путём конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике Х2 и направляется в промежуточную ёмкость ЕЗ.

Из кубовой части  колонны насосом непрерывно выводится  кубовая жидкость -продукт, обогащённый труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике X1 и направляется в ёмкость Е2.

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

              

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. РАСЧЁТЫ

3.1 Расчёт ректификационной колонны

   3.1.1 Материальный  баланс колонны

Производительность  колонны по кубовому остатку и  дистилляту определим из уравнений  материального баланса колонны:

 

                                    

       

 

Отсюда находим:

          

 

         

 

Мольные доли воды в дистилляте, исходной смеси и  в кубовой жидкости:

                                                      

 

Расход исходной и кубовой жидкости:

 

 

 

Рабочее флегмовое число

 

Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются рабочим флегмовым числом R. Минимальное флегмовое число Rmin определяем по формуле:

          

где и - мольные доли легколетучего компонента соответственно в исходной смеси и дистилляте; - концентрация легколетучего компонента в паре, находящемся в равновесии с исходной смесью,

Рабочее флегмовое число:

           

Относительный мольный расход питания:

 

Уравнения рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части колонны

           

б) нижней (исчерпывающей) части колоны

         

 

 

 

 

 

Диаграмма х-у

с рабочими линиями

 

 

3.1.3 Расчёт средних  физических величин для смеси

Средние мольные  доли бензола по колонне:

Средние мольные  доли паров бензола по колонне (определяется по уравнениям рабочих линий):

Средние мольные  массы жидкости в верхней и  нижней частях колонны соответственно равны:

Мольные массы  исходной смеси и дистиллята:

   

Средние массовые доли бензола в верхней и в нижней частях колонны:

Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости для  верхней и нижней частей колонны  определим из соотношений:

  

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

         

         

Средние мольные  массы паров в верхней и  нижней части колонны:  

Из этого следует:

Средние температуры  пара и жидкости определяем по диаграмме  t – x, y :

Для пара:

а) при    

б) при    

Для жидкости:

а) при    

б) при    

 

Плотности паров  по колонне:

, где          

 

Плотность жидкой смеси в колонне:

Вязкости жидкой смеси находим по уравнению:

       

 

 

Поверхностное натяжение  жидкой смеси:

   

 

Коэффициент диффузии в паровой фазе:

       

где T – средняя температура в соответствующей части колонны, К;

 и  - мольные объемы компонентов в жидком состоянии при температуре кипения

Мольные объемы компонентов  находим как сумму атомных  объемов:

   

Коэффициент диффузии в жидкости при средней температуре:

          

Коэффициент диффузии при 20 °С можно вычислить по приближенной формуле:

где A, B – коэффициенты, зависящие от свойств растворенного вещества и растворителя;

Вязкость смеси при  температуре 20 °С:

 

Тогда коэффициент диффузии в жидкости для верхней части колонны  при 20 °С равен:

Для нижней части колонны: