Расчёт ректификационной установки непрерывного действия для разделения бинарной смеси ацетон-бензол

Размещено на http://allbest.ru

Размещено на http://allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

ПОЛОЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра технологии и оборудования переработки нефти и газа

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

ПО ПАХТ

НА ТЕМУ: «РАСЧЁТ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ БИНАРНОЙ СМЕСИ АЦЕТОН - БЕНЗОЛ»

Разработал:

Студент группы

Панурин Б.И.

Проверила:

Доц. Каф. ХТ и ОТ

Сафронова Е.В.

Новополоцк 2023



Содержание

Введение

1. Материальный баланс

2. Построение равновесной и рабочей линий и диаграммы

3. Определение скорости пара и диаметра колонны

4. Определение гидравлического сопротивления тарелок и давления в кубе колонны

5. Определение числа тарелок и высоты колонны

6. Расчет теплового баланса колонны

7. Расчет и подбор теплообменного оборудования

8. Расчет и подбор сырьевого насоса

9. Расчет и подбор штуцеров

Литература



Введение

Во многих производствах химической, нефтяной, пищевой и смежных с ними областях промышленности в результате технологических процессов получаются смеси жидкостей и газов.

Для разделения жидких смесей применяют способы простой перегонки (дистилляции), перегонки под вакуумом и с водяным паром, ректификации, экстракции, адсорбции и т.д.

Ректификация, называемая часто перегонкой, представляет собой термический процесс разделения жидких смесей на их составные части. Её широко используют в промышленности для наиболее полного разделения смесей летучих жидкостей, частично или целиком растворимых одна в другой. Ректификация заключается в противоточном взаимодействии паров, образующихся при перегонке, с жидкостью, получающейся при конденсации паров. Процесс ректификации осуществляется в установках, где происходит нагрев, испарение смеси, а затем многократный тепло - и массообмен между жидкой и паровой фазами, легкокипящий компонент переходит из жидкой фазы в паровую, а высококипящий компонент - из паровой фазы в жидкую.

Данный курсовой проект является работой по закреплению знаний, полученных при изучении курса ПАХТ. Его основой является расчет тарельчатой ректификационной установки для разделения бинарной смеси хлороформ-бензол.

Огромное разнообразие тарельчатых контактных устройств затрудняет выбор оптимальной конструкции тарелки. При этом наряду с общими требованиями (высокая интенсивность единицы объема аппарата, его стоимость и др.) ряд требований может определяться спецификой производства: большим интервалом устойчивой работы при изменении нагрузок по фазам, способностью тарелок работать в среде загрязненных жидкостей, возможность защиты от коррозии и т.п. Зачастую эти качества становятся превалирующими, определяющими пригодность той или иной конструкции для использования в каждом конкретном процессе.

Размеры тарельчатой колонны (диаметр и высота) обусловлены нагрузками по пару и жидкости, типом контактного устройства (тарелки), физическими свойствами взаимодействующих фаз.

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.

Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рис. 1. 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.

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 x_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 жидкость (флегмой) состава x_Р, 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 кубовой остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).

ректификационная установка разделение смесь хлороформ бензол



1 Материальный баланс

Из уравнений материального баланса (7.4 и 7.5, [1]):

(1.1)

; (1.2)

где - массовые расходы сырья, дистиллята и кубового остатка соответственно.

(1.3)

. (1.4)

Для дальнейших расчетов необходимо перевести массовые концентрации низкокипящего компонента (ацетон) в мольные:

Исходная смесь:

Дистиллят:

Кубовой остаток:

где -молярная масса ацетона;

- молярная масса бензола.

2. Построение равновесной и рабочей линий и диаграммы

Для построения диаграммы t-x, y расчёт равновесных концентраций по паровой и жидкой фазам для давления 2000 мм.рт.ст. сведём таблицу 2.2

Таблица 2.2

t, °C	Pац, мм рт.ст.	Pэ, мм рт.ст.	П, мм рт.ст.
82	1500	750	1500	1	1
84	1700	800	1500	0,7778	0,8815
86	2000	850	1500	0,5652	0,7536
88	2050	950	1500	0,5	0,6833
90	2150	1000	1500	0,4348	0,6232
92	2290	1050	1500	0,3629	0,554
94	2300	1150	1500	0,3043	0,4667
96	2400	1200	1500	0,25	0,4
98	2500	1250	1500	0,2	0,3333
100	2800	1300	1500	0,1333	0,2489
102	3000	1350	1500	0,0909	0,1818
104	3200	1400	1500	0,0556	0,1185
106	3400	1450	1500	0,0256	0,0581
108	3500	1500	1500	0	0

Мольную концентрацию ацетона в жидкой фазе определим по закону Дальтона:

Мольную концентрацию бензола в паровой фазе определим по уравнению (6.8, [1]):

(2.2)

В результате получаем диаграмму для бинарной смеси хлороформ - бензол (рис. 2.2):

Рис. 2.2. Диаграмма .

где - мольные концентрация низкокипящего компонента (бензола) в жидкой и паровой фазе смеси хлороформ-бензол соответственно.

Далее используем данные, представленные в таблице 2.2, для построения равновесной линии () для заданной смеси.

Для построения рабочей линии необходимо найти флегмовое число R, чтобы это сделать найдем сначала минимальное флегмовое число по уравнению (7.10, [1]):

, (2.3)

где - мольная доля хлороформа в паре, равновесном с жидкостью питания. Находим из диаграммы :

Рис. 2.3. Диаграмма с изображением равновесной линии процесса ректификации.

Рабочее число флегма определяется по уравнению (7.12, [1]):

(2.5)

Для построения линий рабочих концентраций укрепляющей и исчерпывающей части колонны откладываем на оси абсцисс точки A, C, D (рис 2.4), соответствующие составам кубового остатка , исходной смеси и дистиллята , проводим через точки A и D вертикали до пересечения с диагональю и получаем точки A1, и D1. Откладываем на оси ординат отрезок OB, длина которого определяется соотношением . Через точки D₁ и B проводим прямую D₁B, а через точку C -- вертикаль до пересечения с линией D₁B и получаем точку C₁. Соединяем точки А₁ и C₁ линией A₁C₁. Отрезок C₁D₁ -- линия рабочих концентраций верхней части колонны, отрезок А₁С₁--линия концентраций нижней части колонны(рис.2.4). Число теоретических тарелок найдем путем построения ступенчатой линии между линией равновесия и линиями рабочих концентраций в пределах от до (рис. 5.1).

Уравнения рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части колонны:

(2.7)

б) нижней (исчерпывающей) части колонны:

где - относительный мольный расход исходной смеси:

Нанесем рабочие линии на диаграмму на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Диаграмма с изображением рабочих линий процесса ректификации.



3. Определение скорости пара и диаметра колонны

Средние концентрации жидкости:

а) в верхней части колонны:

б) в нижней части колонны:

Средние концентрации пара находим по уравнениям рабочих линий:

а) в верхней части колонны (2.7):

; (3.3)

б) в нижней части колонны (см. формула 2.11):

(3.4)

Средние температуры пара определяем по диаграмме (рис. 3.1):

Рис. 3.1. Диаграмма для нахождения температур пара и

а) При
б) При

Средние мольные массы и плотности пара:

а) в верхней части колонны:

(3.5)

;

б) в нижней части колонны:

(3.7)

;

Средняя плотность пара в колонне:

Температура в верху колонны при равняется , а в кубе-испарителе при она равна (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Диаграмма для нахождения температур пара и

Плотность жидкого бензола и жидкого ацетона определим по таблицам (табл. 19 и 29, [2]).

Плотность бензола и ацетона при :

(3.10)

Плотность ацетона и бензола при:

(3.11)

В верхней части колонны:

Средние плотности жидкости в колонне находим по формуле:

В верхней части колонны при

В нижней части колонны при :

Определяем скорость пара вверху и внизу колонны определим по уравнению (7.17 a, [1]):

По данным каталога-справочника «Колонные аппараты» [3] принимаем расстояние между тарелками . Для клапанных тарелок по графику (рис. 7.2, [1]) находим .

В верхней части колонны:

В нижней части колонны:

Объёмный расход проходящего через колонну пара при средней температуре в колонне:

где - мольная масса дистиллята, равная:

(3.17)

Объемный расход проходящего через колонну пара при средней температуре вверху колонны:

Внизу колонны:

Диаметр колонны:

Вверху колонны:

(3.20)

Внизу колонны:

(3.21)

Принимаем по каталогу-справочнику «Колонные аппараты» (тип ТКП ОСТ 26-02-1401-77) . Тогда скорость пара в колонне будет:

Вверху колонны:

Внизу колонны:

4. Определение числа тарелок и высоты колонны

Находим число ступеней изменения концентрации в колонне по диаграмме (рис. 5.1):

Рис. 4.1. Диаграмма c изображением теоретических тарелок.

В верхней части колонны , в нижней части колонны , всего 19 ступеней.

Число тарелок рассчитываем по уравнению (7.19, [1]):

где - число теоретических тарелок;

- средний к.п.д. тарелок.

Для определения среднего к.п.д. тарелок находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов

(4.2)

и динамический коэффициент вязкости исходной смеси при средней температуре, равной (см. табл. 2.2).

При этой температуре давление насыщенного пара бензола , хлороформа (табл. 2.2), откуда:

Динамический коэффициент вязкости бензола при равен , ацетона (табл. 9, [1]).

Принимаем динамический коэффициент вязкости смеси:

(4.3)

где концентрации низкокипящего компонента в исходном растворе.

Тогда:

(4.4)

По графику (рис. 7.4, [1]) находим . Длина пути жидкости на тарелке:

(4.5)

найдем из системы уравнений: (4.6)

где - радиус тарелки; - приближенное значение площади сегмента; П =1,24- периметр сливной перегородки.

Решение дает:

Тогда длина пути жидкости на тарелке:

По графику (рис. 7.5, [1]) находим значение поправки на длину пути . Средний к.п.д. тарелок определяем по уравнению (7.20, [1]):

(4.7)

Число тарелок:

а) в верхней части колонны:

(4.8)

б) в нижней части колонны:

(4.9)

Общее число тарелок . Определим высоту колонны. Она состоит из следующих величин:

, (4.10)

где высота крышки, мм;

высота сепарационной части, мм;

высота верхней тарельчатой части, мм;

высота эвопарационного пространства, мм;

высота нижней тарельчатой части, мм;

свободное пространство между уровнем жидкости внизу колоны и нижней тарелкой необходимое для равномерного распределения паров, мм;

высота кубовой части, мм;

высота юбки, мм.

; (4.11)

По каталогу-справочнику «Колонные аппараты» [3] для колонны диаметром 1600 мм принимаем

Принимаем 4 люка-лаза (2 в верхней части колонны, 2 в нижней). В месте люка-лаза расстояние между тарелками принимаем 800 мм.

(4.12)

;

; (4.13)

(4.14)

;

Высоту между уровнем жидкости внизу колоны и нижней тарелкой принимают равной 1-2 м.

; (4.15)

Высоту слоя жидкости в нижней части колонны рассчитывают по ее 10 минутному запасу, необходимому для обеспечения нормальной работы насоса:

(4.16)

где объем кубовой части ректификационной колоны;

площадь поперечного сечения колоны.

При температуре (рис. 3.2):

= (4.17)

где плотность бензола при ;

где плотность ацетона при .

, (4.18)

где массовый расход кубового остатка (1.3),

массовый расход греющей струи (пункт 6.25).

, (4.19)

где диаметр колоны (пункт 3.21).

(4.20)

Принимаем . (4.21)

(4.22)

Общее гидравлическое сопротивление тарелок:

(4.23)



5. Определение гидравлического сопротивления тарелок и давления в кубе колонны

По каталогу-справочнику «Колонные аппараты» [3] для колонны диаметром 1600 мм выбираем колпачковую тарелку типа ТСК-Р со следующими конструктивными размерами:

Свободное сечение колонны

Свободное сечение тарелки

Сечение перелива

Относительная площадь перелива

Относительная площадь для прохода паров

Периметр слива

Масса .

Рассчитаем гидравлическое сопротивление тарелки в верхней и нижней части колонны по уравнению (1.60, [1]):

(5.1)

где - гидравлическое сопротивление сухой тарелки;

- сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения;

- сопротивление парожидкостного слоя.

а) Верхняя часть колонны:

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

где коэффициент сопротивления колпачковых тарелок ;

- плотность пара в верхней части колонны(3.6);

- скорость пара в отверстиях тарелки, где

скорость пара в верхней части колонны (3.22).

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения, определяем по формуле (стр.28, [4]):

(5.3)

где 0,004 м, м - ширина и высота прорези, м;

- поверхностное натяжение смеси при средней температуре в верхней части колонны 91,5(рис. 3,2);

где при (табл. XXIV [1]), (см. формула 3.1), получаем:

Сопротивление обусловленное силами поверхностного натяжения:

Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:

(5.5)

Высота парожидкостного слоя:

(5.6)

Величину - высоту слоя над сливной перегородкой рассчитываем по формуле:

где - объёмный расход жидкости,;

=1,24 м - периметр слива,;

- отношение плотности парожидкостного слоя (пены) к плотности пара, принимаемое приближенно равным 0,5;

средняя плотность жидкости в верхней части колоны (3.13).

Объёмный расход жидкости в верхней части колонны:

где (5.9)

где (3.1);

средняя мольная масса жидкости, .

Находим :

Высота парожидкостного слоя на тарелке:

Сопротивление парожидкостного слоя (4.5):

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части колонны (см. формула 4.1):

б) Нижняя часть колонны:

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

где коэффициент сопротивления неорошаемых колпачковых тарелок со свободным сечением ;

- плотность пара в нижней части колонны (3.9);

- скорость пара в отверстиях тарелки,

где скорость пара в нижней части колонны (3.23).

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

где 0,004 м, м - ширина и высота прорези, м;

- поверхностное натяжение смеси при средней температуре в верхней части колонны (рис. 3.2);

где при (табл. XXIV [1]), (3.2), получаем:

Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:

(5.13)

Высота парожидкостного слоя:

(5.14)

Объёмный расход жидкости в нижней части колонны:

где =

;

средняя плотность жидкости в нижней части колоны (3.13);

, (см. п.1).

Сопротивление парожидкостного слоя (4.13):

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в нижней части колонны (4.1):

Проверим, соблюдается ли при расстоянии между тарелками необходимое для нормальной работы тарелок условие:

Для тарелок нижней часты колонны, у которых гидравлическое сопротивление больше, чем у тарелок верхней части:

Следовательно, вышеуказанное условие соблюдается.

Таким образом, равномерная работа тарелок нижней и верхней частей колонны будет обеспечена.

Определим давление кубе колонны:

где: давление в верху аппарата, по заданию .

Размещено на Allbest.ru

...