Промышленное применение ректификации

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Технологическая схема и ее описание

2.Технологический расчет

2.1Расчет ректификационной колонны

2.2 Материальный баланс

2.3 Расчет скорости и диаметра колонны

2.4 Высота светлого слоя жидкости на тарелке и паросодержания барботажного слоя

2.5 Расчет тарелок и высота колонны

3. Гидравлический расчет сопротивления тарелок

4. Расчет тепловой установки

3. Тепловой расчет колонны

Заключение

Список литературы



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, ёмкость 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.



1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА И ЕЕ ОПИСНИЕ

Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рис.1.1

Схема ректификационной установки непрерывного действия

Рис. 1.1

1 - емкость для исходной смеси; 2 - подогреватель; 3 - колонна;

4 - кипятильник; 5 - дефлегматор; 6 - делитель флегмы; 7 - холодильник; 8 - сборник дистиллята; 9 - сборник кубового остатка.

Исходную смесь из емкости 1 центробежным насосом подают в теплообменник 2, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 3, где состав жидкости равен составу исходной смеси xF . Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4. 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 хР, получаемой в дефлегматоре 5 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 емкость 8.

Из кубовой части колонны насосом непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в емкость 9.

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.ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

2.1 Расчет ректификационной колонны

Необходимо рассчитать ректификационную колонну с тарелками для разделения смеси четыреххлористый углерод - толуол под давлением и определить её основные геометрические размеры (диаметр и высоту).

2.2 Материальный баланс

Зная производительность колонны и необходимые концентрации, определим недостающие данные, т. е. Производительность по дистилляту и по кубовому остатку (GW и GD), на основании уравнений материального баланса.

,

,

где - содержание легколетучего компонента в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке соответственно.

Отсюда найдем:

кг/с

=0,83-0,31=0,52 кг/с

где - мольные доли легколетучего компонента в жидкости, а - концентрация легколетучего компонента в паре, находящаяся в равновесии с жидкостью (питанием исходной смеси).

Пересчитаем составы фаз из массовых в мольные доли по соотношению

где Мч и Мт - молекулярные массы соответственно четыреххлористого углерода и толуола, кг/кмоль.

Низкокипящий компонент (легколетучий) - четыреххлористый углерод

Высококипящий компонент (труднолетучий) - толуол

кмоль/кмоль смеси.

кмоль/кмоль смеси

кмоль/кмоль смеси

Уравнение рабочей линии верхней укрепляющей части колонны

По диаграмме y-x находим при соответствующем значении , таким образом = 0,68

Относительный мольный расход

Тогда:

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

где MP и MF - мольные массы дистиллята и исходной смеси;

МВ и МН - средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны.

Мольную массу дистиллята в данном случае можно принять равной мольной массе легколетучего компонента - четыреххлористый углерод. Мольная масса жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равна:

где Мч и МТ - мольные массы четыреххлористого углерода и толуола;

хср.в и хср.н - средний мольный состав жидкости соответственно в верхней и нижней части колонны:

Тогда

Мольная масса исходной смеси

Мольная масса дистиллята

Подставив, получим:

кмоль/с

кмоль/с

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

Здесь и - средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны:

где

Тогда

Подставив, получим:



2.3 Расчет скорости и диаметра колонны

Расчёт скорости пара для тарельчатых ректификационных колонн с ситчатыми тарелками выполняется по следующему уравнению:

с коэффициент, зависящий от конструкции тарелок, расстояния между тарелками, рабочего давления колонны, нагрузки колонны по жидкости. Зададим расстояние между тарелками h=300мм. По h определим из графика с=f(h) приведенного на рисунке 7.2 учебника [2] значение коэффициента с=0,032.

Найдём плотности жидкости хв и хн и пара ув и ун в верхней и нижней частях колонны при средних температурах в них tB и tН. Средние температуры паров определяем по диаграмме t -x,y.

tв = 86 C; tн = 105 C

Тогда

Рассчитаем плотности жидкой фазы вверху и внизу колонны:

,

,

где xоб.в,xоб.н - объемные концентрации жидкой фазы соответственно вверху и внизу колонны.

,

,

,,

,

.

Допустимая скорость в верхней и нижней частях колонны соответственно равна:

Так как полученные скорости мало отличаются друг от друга, в расчёте используем среднюю скорость паров:

= (0,54+0,52)/2 = 0,53 м/с

Ориентировочный диаметр колонны определяют из уравнения расхода:

Принимаем средний массовый поток пара в колонне равным полусумме GВ и GH:

G = (1,4+1,6)/2 = 1,28 кг/с

Средняя плотность паров:

Диаметр колонны

Выберем стандартный диаметр обечайки колонны по каталогу d = 800 мм. При этом действительная рабочая скорость пара будет равна:

= 0, (0,79/0,8)2 = 0,6 м/с

Для колонны диаметром 800 мм выбираем тарелку ТСК-Р со следующими конструктивными размерами:

Диаметр отверстий в тарелке do=3мм

Шаг между отверстиями t=7мм

Высота переливного порога hпер=30мм

Ширина переливного порога b=0,4м

Рабочее сечение тарелки St=0,41м2

Скорость в рабочем сечении тарелки

T=*0,785*d2/ST=0,6*0,785*0,82/0,41=0,74 м/с

2.4 Высота светлого слоя жидкости на тарелке и паросодержания барботажного слоя

Высоту светлого слоя жидкости hо для ситчатых тарелок находим по уравнению

ho = 0,787 , (2.30)

где удельный расход жидкости на 1м ширины сливной перегородки,

м/с;

b - ширина сливной перегородки, м;

высота переливной перегородки, м;

динамический коэффициент вязкости жидкости, мПа с;

m - показатель степени;

поверхностное натяжение жидкости, мН/м;

поверхностное натяжение воды, мН/м.

,

.

Для смеси нормальных жидкостей в верхней и нижней частях колонны значение вязкости мсм может быть вычислена по формулам:

,

,

где , ,, динамические коэффициенты вязкости четыреххлористого углерода и толуола вверху и внизу.

,

,

,

.

Высота светлого слоя:

а) для верхней части колонны:

б) для нижней части колонны:

Паросодержание барботажного слоя е находим по формуле

где

Для верхней части колонны

Для нижней части колонны

2.5 Расчет тарелок и высота колонны

Рт=559 мм.рт.ст.

РCCL4=1475 мм.рт.ст.

Для определения к.п.д. тарелок находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов б=Рт/РССL4 и динамический коэффициент вязкости исходной смеси м при средней температуре в колонне.

б=1475/559=2,64

Динамический коэффициент толуола равен 0,29 сП, четыреххлористого углерода 0, 32 сП

м= (мссl4-µt)/2=(0,29+0,32)/2=0,36

Тогда

бµ=2,64*0,36=0,954

По графику кпд равно 0,48.

По графику находим значение поправки на длину пути =0,185

Средний кпд тарелок:

l=(1+ )=0,48*(1+0,185)=0,57

Число реальных тарелок рассчитывается по уравнению

Высота тарельчатой части

Нт = (n - 1) h = (14 - 1) 0,3 = 6,6м

3. Гидравлический расчет сопротивления тарелок

Гидравлическое сопротивление тарелок колонны РК определяют по формуле:

где РВ и РН - гидравлическое сопротивление одной тарелки соответственно верхней и нижней части колонны, Па.

Полное гидравлическое сопротивление одной тарелки складывается из трёх слагаемых.

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки рассчитаем по уравнению:

Коэффициент сопротивления /Примем = 1,5.

Гидравлическое сопротивление газо-жидкостного слоя (пены) на тарелках будет различным в верхней и нижней частях колонны:

Гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения, равно:

Тогда полное сопротивление одной тарелки равно:

Тогда полное сопротивление ректификационной колонны:



4. РАСЧЕТ ТЕПЛОВОЙ УСТАНОВКИ

Qд = GD(1 + R)rD

Qд = 0,52(1+1,8)* 204*103 = 297*103 Вт

где rD - теплота конденсации флегмы

rD = ra *xD + (1 - xD)rв

rD = 0,95*195*103+0,01*394*103=204*103 Дж/кг

где rс = 195*103 Дж/кг - теплота конденсации четыреххлористого углерода,

rт = 394*103 Дж/кг-теплота конденсации толуола.

Расход теплоты получаемой в кубе-испарителе от греющего пара, находим по уравнению:

Qk=QД +GD*CD*tD+GW*CW*tW-Gf*Cf*tf

Qk=1,03*(297*103+0,52*0,46*4190*80+0,31*4190*110,6*0,46-0,83*0,455*4190*93)= 305*103

Расход теплоты в паровом подогревателе исходной смеси:

Q=1.05*Gf*Cf*(tf-tнач) = 1, 05*0, 83*4190*(93-18) =274*103Вт (3.4)

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята:

Q= GD*CD*(tD-tкон) = 0,52*0, 46 *4190*(80-25) =155020Вт (3.5)

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике кубового остатка:

Q= GW*CW*(tW -tкон) = 0, 31*0, 46*4190*(110, 9-25) =202010Вт (3.6)

Расход греющего пара:

а) в кубе - испарителе

Gг.п =Qk/rг.п= 305*103/2141*103=0, 42 кг/с (3.7)

б) в подогреватели исходной смеси

Gг.п =274*103/2141*103=0, 12 кг/с

Всего: 0,42+0,12=0,54 кг/с или т/ч

Расход охлаждающей воды при нагреве ее на 200С:

а) в дефлегматоре

Vв=QД/Св*(tкон - tнач)*св =297*103/4190*20*1000 = 0, 0035 м3/с (3.8)

б) в водном холодильнике дистиллята

Vв=155,020*103/4190*20*1000 = 0,0184 м3/с

в) в водяном холодильнике кубового остатка

Vв= 202,010*103/4190*20*1000 = 0,0024 м3/с

установка ректификационный действие непрерывный



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном курсовом проекте в результате проведённых инженерных расчетов была подобрана ректификационная установка для разделения бинарной смеси четыреххлористый углерод - толуол, с ректификационной колонной диаметром D = 0,8(м), высотой H = 6,6 (м), в которой применяется ситчатые тарелки, расстояние между которыми h = 0,3(м). Колонна работает в нормальном режиме.



СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Основные процессы и аппараты химической технологии /Пособие по проектированию / Под. ред. Ю.И. Дытнерского.- М: Химия, 1983 - 272 с.

Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии /Учебное пособие/, К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков, 9-ое изд. перераб. и дополнен. Л. Химия,1987-575с.

Размещено на Allbest.ru

...