Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Дальневосточный федеральный университет»

Колледж филиала ДВФУ в г. Находке

КУРСОВАЯ РАБОТА

НАЗВАНИЕ ТЕМЫ: ПРИНЦИП РАБОТЫ И РАСЧЕТ РЕККТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ БИНАРНОЙ СМЕСИ УКСУСНАЯ КИСЛОТА - ВОДА КОЛПАЧКОВОГО ТИПА.

Студент гр. 15С-1293В

Васильева Ирина Сергеевна

Руководитель преподаватель

Т.Г.Поварова

Находка 2015



Оглавление

Введение

1. Теоретический раздел

1.1 Теоретические основы процесса ректификации

1.2 Принцип работы ректификационной колонны

1.3 Схема работы колпачковой тарелки

2. Расчетная часть

2.1 Материальный баланс

2.2 Построение фазовых диаграмм

2.3 Расчет флегмового числа

2.4 Расчет средних параметров для верней и нижней части колонны

2.5Диаграмма зависимости t - x, y

2.6 Расчет скорости пара и определение диаметра колонны

2.7 Расчет высоты колонны

2.8 Расчет колпачковой тарелки

2.9 Тепловой баланс

Заключение

Список литературы

ректификация колонна тепловой баланс



Введение

В химической и нефтехимической промышленности широко используются массообменные процессы, основанные на переносе вещества из одной фазы в другую. Применение массообменных процессов позволяет решать такие задачи, как разделение жидких и газовых смесей, их концентрирование, а также защита окружающей среды (например, очистка сточных вод и сбрасываемых в атмосферу газов).

Массообменные процессы являются обратимыми, что позволяет получать как целевые продукты, так и выделять нежелательные вещества, которые можно направить на последующую переработку.

Процессы ректификации широко используются в химической и нефтехимической промышленности для получения отдельных компонентов или смесей более простого состава. С их помощью проводят разделение разнообразных смесей (сжиженные газы, нефтепродукты первичной и вторичной переработки и др.) для получения высокосортных топлив или веществ, имеющих желаемую степень чистоты.

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.

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.

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

Тема курсовой работы «Принцип работы и расчет ректификационной колонны для разделения бинарной смеси уксусная кислота - вода колпачкового типа»

Цель работы - систематическое повторение теоретических знаний по дисциплине «Процессы и аппараты» и получение практических навыков по технологическому конструкционно - математическому расчету ректификационной колонны.

В работе показаны методы разделения бинарной смеси уксусная кислота-вода, а также расчет ректификационной колонны непрерывного действия, колпачкового типа.



1. Теоретический раздел

1.1 Теоретические основы процесса ректификации

Ректификация - разделение жидких однородных смесей на составляющие вещества или группы составляющих веществ в результате взаимодействия паровой смеси и жидкой смеси. Это массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаев в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными используемыми в процессе абсорбции [3, c. 65].

Возможность разделения жидкой смеси на составляющие её компоненты ректификацией обусловлена тем, что состав пара, образующегося над жидкой смесью, отличается от состава жидкой смеси в условиях равновесного состояния пара и жидкости [3, c. 65].

1. Сущность процесса ректификации рассмотрена на примере разделения двухкомпонентной смеси по заданию на курсовую работу, где требуется рассчитать ректификационную установку для разделения смеси «уксусная кислота - вода». Ректификационная установка даёт наиболее полное разделение смесей жидкостей, целиком или частично растворимых друг в друге. Процесс заключается в многократном взаимодействии паров с жидкостью - флегмой, полученной при частичной конденсации паров. Периодическая ректификация может осуществляться двумя способами:

- При постоянном флегмовом числе

- При постоянном составе дистиллята.

В ректификационном аппарате снизу вверх движутся пары, а сверху подается жидкость, представляющая собой почти чистый НКК. При соприкосновении поднимающихся паров со стекающей жидкостью происходит частичная конденсация паров и частичное испарение жидкости. При этом из паров конденсируется преимущественно ВКК, а из жидкости испаряется преимущественно НКК. Таким образом, стекающая жидкость обогащается ВКК, а поднимающиеся пары обогащаются НКК, в результате чего выходящие из аппарата пары представляют собой почти чистый НКК. Эти пары поступают в конденсатор, называемый дефлегматором, и конденсируются. Часть конденсата, возвращаемая на орошение аппарата, называется флегмой, другая часть отводится в качестве дистиллята [3, c. 75].

Как и во всех массообменных процессах эффективность ректификации зависит от поверхности контакта фаз. Для увеличения поверхности массообмена используют различные контактные устройства насадочного или барботажного типа. Наиболее распространенными ректификационными установками являются барботажные колонны с различными типами тарелок: колпачковыми, ситчатыми, провальными и т.п. Наиболее универсальны колонны с колпачковыми тарелками, но при разделении незагрязненных жидкостей в установках с постоянной нагрузкой, хорошо зарекомендовали себя аппараты с ситчатыми тарелками, отличающимися простотой конструкции и легкостью в обслуживании [3, c. 75].

Во многих химических производствах необходимо производить выделение чистых веществ из смесей жидкостей. Одним из наиболее распространенных методов разделения смесей является ректификация. Этот метод основан на различии в температурах кипения, а, следовательно, и в летучести компонентов смеси. Если летучесть компонентов различна, то состав пара над жидкостью отличается от состава жидкой смеси большим содержанием низкокипящего (легколетучего) компонента - НКК. Вследствие этого при противоточном контакте жидкой смеси с парами, который осуществляется при ректификации в результате массообмена, пары будут обогащаться НКК, а жидкость - высококипящим (труднолетучим) компонентом - ВКК [3, c.75].

В конечном итоге пары будут представлять собой более или менее чистый НКК, а жидкость - ВКК.

Процесс ректификации осуществляется преимущественно в тарельчатых или насадочных колонных аппаратах периодическим или непрерывным способом. На ректификацию поступает исходная жидкая смесь, содержание в которой НК составляет X_F. В процессе ректификации смесь разделяется на две части: часть, обогащенную НКК - дистиллят и часть, обогащенную ВКК - кубовый остаток. Обозначим в долях НКК состав дистиллята - X_D, а кубового остатка - X_W.Исходная смесь подается в ту часть колонны, где жидкость имеет состав X_F. Стекая вниз по колонне, она взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике. Пар имеет начальный состав, примерно равный составу кубового остатка X_W, т.е. является обедненным НКК. В результате массообмена происходит переход НКК из жидкости в пар, а ВКК - из пара в жидкость [3, c. 75].

В точке ввода исходной смеси пар может иметь в пределе состав, равновесный с исходной смесью. Для более полного обогащения пара НКК верхнюю часть колоны орошают жидкостью состава X_D, которая получается в дефлегматоре путем конденсации пара, выходящего из колонны. Эта часть конденсата называется флегмой. Другая часть конденсата пара выводится из дефлегматора в виде продукта разделения - дистиллята. Жидкость, отводимая из нижней части колонны, называется кубовым остатком. Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный процесс разделения подаваемой в колонну исходной бинарной смеси на дистиллят с высоким содержанием НКК и кубовый остаток, обогащенный ВКК. Если обозначить количество поступающей на ректификацию исходной смеси G_F, количество получаемого дистиллята G количество кубового остатка G_W, то материальный баланс выразится равенством и рассчитывается по формуле 1 [3, с. 78]:

G_F= G_D+ G_W (1)

Если заданы количество и состав исходной смеси и составы продуктов разделения, то для определения количеств дистиллята и кубового остатка уравнение дополняют уравнением материального баланса для НКК и рассчитывается по формуле 2 [3, с. 78]:

G_xF= D_хD+ w_хW (2)

Степень разделения - чистота получаемых при ректификации продуктов - определяется физико-химическими свойствами разделяемых веществ, размерами и конструкцией аппарата, условиями проведения процесса (гидродинамикой, давлением и пр.).

На рисунке 1 в координатах состав пара (y) - состав жидкости (x) графически представлена типичная зависимость между равновесными (линия 1) и рабочими (линия 2 и 3) составами фаз для бинарной смеси. Уравнения линий рабочих концентраций для верхней и нижней частей колонны имеют различный вид и рассчитывается по формуле 3 [4, с. 20]:

· для верхней части

y_в = R / (R + 1) x+ x_D / (R + 1), (3)

· для нижней части по формуле 4 [4, с.20]:

y_н = (R + F) / (R + 1) x- (F- 1) / (R + 1), (4)

где F= G_F/ G_D - удельное количество поступающей исходной смеси,

R = G_R/G_D- флегмовое число, представляющее собой отношение количества флегмы, подаваемой на орошение колонны к количеству дистиллята.

В уравнениях рабочих линий составы взаимодействующих фаз выражаются только в мольных долях НКК. На рисунке изображена диаграмма зависимости между равновесными и рабочими составами фаз для смеси уксусная кислота-вода. В практике ректификации идеальные растворы встречаются редко. Большинство смесей в значительной степени отклоняются от «идеальности», поэтому данные по равновесию получают экспериментальным путем. Как правило, в справочной литературе данные по равновесию приводят в виде таблиц, в которых указывают попарные значения концентраций жидкости и пара в состоянии равновесия и кипения смеси. На основании этих данных по равновесию могут быть построены соотетствующие графики [3, c. 105].

Изобары равновесных составов, называемые кривыми равновесия (рисунок 1), которые позволяют определить состав пара у*, равновесный данному составу жидкости х [3, c.105].

Рисунок 1. Зависимость между равновесными и рабочими составами фаз для смеси уксусная кислота-вода.

Рисунок 1 x - y - диаграмма. Зависимость между равновесными и рабочими составами фаз для смеси уксусная кислота-вода

По фазовой диаграмме рисунка 1 графическим построением может быть найдено число теоретических ступеней изменения концентраций или число «теоретических тарелок». За «теоретическую тарелку» принимается такая условная тарелка, на которой (рисунок 1) пар состава 1, взаимодействуя с жидкостью состава x₁, изменяет концентрацию до равновесной y₁*.

В этом случае число «теоретических тарелок» определяется построением ступеней между рабочими и равновесными линиями в пределах от x_W до x_D.

На реальных тарелках в колонне не достигается равновесного состояния между паром и жидкостью. Поэтому для аналогичного изменения концентрации требуется большее число действительных тарелок.

Отношение числа «теоретических тарелок» n_т к числу действительных тарелок n_д в колонне называют средним коэффициентом полезного действия тарелок (КПД колонны): з_ср = n_т / n_д.

Величина КПД как мера интенсивности работы тарелок зависит от гидродинамических условий на тарелке, физических свойств пара и жидкости, кривизны равновесной линии. В связи с тем, что все эти факторы могут изменяться с изменением концентрации, КПД каждой тарелки з будет отличаться от среднего для всех тарелок з_ср. Величина з_ср определяется опытным путем [3, c.105].

Проведение процесса ректификации требует затраты тепловой энергии. Тепло, необходимое для испарения кубовой жидкости, подводится в кипятильник. Теоретический расход тепла на проведение процесса определяется из уравнения теплового баланса рассчитывается по формуле 6 [3, с.178]:

Q_К = G_D(R + 1) r_p + G_DС_Dt_D + G_WС_Wt_W - G_FС_Ft_F, (6)

где r_P - удельная теплота конденсации паров в дефлегматоре;

С_F, C_D, C_W - соответственно, теплоемкости исходной смеси, дистиллята и кубового остатка;

1.2 Принцип работы ректификационной колонны

Обычно ректификационная колонна состоит из двух частей: верхней и нижней, каждая из которых представляет собой организованную поверхность контакта фаз между паром и жидкостью.

В нижней части исходная смесь взаимодействует с паром, начальный состав которого равен составу кубового остатка. Вследствие этого из смеси извлекается НКК [4, c. 55].

В верхней ступени пар начального состава соответствующий составу исходной смеси, взаимодействует с жидкостью, начальный состав которой равен составу дистиллята. Вследствие этого пар обогащается НКК до требуемого предела, а ВКК извлекается из паровой фазы.

Пар для питания ректификационной колонны получается многократным испарением жидкости, имеющей тот же состав, что и кубовый остаток, а жидкость - многократной конденсацией пара, имеющего состав, одинаковый с составом дистиллята [4, c. 55].

Полученный в конденсаторе дистиллят делится на две части. Одна часть направляется обратно в колонну - флегма, другая является отбираемым продуктом - дистиллят. Отношение количества возвращенного в колонну дистиллята (флегмы) к количеству дистиллята, отобранного в виде продукта - называется флегмовым числом R.

В ректификационном аппарате снизу вверх движутся пары, а сверху подается жидкость, представляющая собой почти чистый НКК. При соприкосновении поднимающихся паров со стекающей жидкостью происходит частичная конденсация паров и частичное испарение жидкости. При этом из паров конденсируется преимущественно ВКК, а из жидкости испаряется преимущественно НКК. Таким образом, стекающая жидкость обогащается ВКК, а поднимающиеся пары обогащаются НКК, в результате чего выходящие из аппарата пары представляют собой почти чистый НКК. Эти пары поступают в конденсатор, называемый дефлегматором, и конденсируются. Часть конденсата, возвращаемая на орошение аппарата, называется флегмой, другая часть отводится в качестве дистиллят [4, c. 65].

Дефлегмация -- частичная конденсация смесей различных паров и газов с целью обогащения их низкокипящими компонентами. Дефлегмация основана на преимущественной конденсации высококипящих компонентов при их охлаждении. Дефлегмация представляет собой разновидность противоточной фракционированной конденсации. Дефлегмацией пользуются как промежуточной стадией при разделении газовых смесей, а также в процессах дистилляции и ректификации. Самостоятельно дефлегмацию применяют при разделении газовых смесей, компоненты которых значительно различаются по температуре конденсации [4, c. 75].

Процесс дефлегмации может быть однократным или постепенным. При однократной дефлегмации жидкость, которая была конденсирована, должна сразу же выделяться из теплообменника. А во время постепенной дефлегмации жидкость, которая образовалась в этом процессе, все время контактирует с паром. Между ними происходит процесс постоянного теплообмена и массообмена. Однократная дефлегмация уступает постепенной: увеличивается время контакта между паром и жидкостью [4, c. 77].

В аппаратах спиртовой промышленности больше применяются горизонтальные дефлегматоры, которые в сравнении с вертикальными обеспечивают более активный и интенсивный теплообмен и массообмен между флегмой и паром, стекающие вниз. Горизонтальный дефлегматор имеет вид многоходового трубчатого теплообменника, в которую поступают пары спиртовые, а по трубочкам пропускается охлаждающая жидкость (вода). Для турбулизации потока пара в пространстве межтрубном прикрепляются 3-4 перегородки, что занимает около 70-75% свободного сечения корпуса лабораторного оборудования. Трубки в конденсаторах пара могут устанавливаться по вершинам равностороннего треугольника или по вершинам квадрата [4, c. 79].

В ректификационных колоннах применяются сотни различных конструкций контактных устройств, существенно различающихся по своим характеристикам и технико-экономическим показателям. При этом в эксплуатации находятся наряду с самыми современными конструкциями контактные устройства таких типов (например, желобчатые тарелки и др.), которые, хотя и обеспечивают получение целевых продуктов, но не могут быть рекомендованы для современных и перспективных производств [4, c. 79].

Наиболее распространенными ректификационными установками являются барботажные колонны с различными типами тарелок: колпачковыми, ситчатыми, провальными и т.п. Хорошо зарекомендовали себя аппараты с ситчатыми тарелками, отличающимися простотой конструкции и легкостью в обслуживании [8, c. 155].

При выборе типа контактных устройств обычно руководствуются следующими основными показателями:

а) производительностью;

б) гидравлическим сопротивлением;

в) коэффициентом полезного действия;

г) диапазоном рабочих нагрузок;

д) возможностью работы на средах, склонных к образованию смолистых или других отложений;

е) материалоемкостью;

Ситчатые тарелки с отбойниками имеют относительно низкое гидравлическое сопротивление, повышенную производительность, но более узкий рабочий диапазон по сравнению с колпачковой тарелками. Применяются преимущественно в вакуумных колоннах [8, c. 155].



1.3 Схема работы колпачковой тарелки

Схема работы колпачковой тарелки изображена на рисунке 4.

Рисунок 4 Схема работы колпачковой тарелки

При движении через слой значительная часть мелких струй, распадается и газ распределяется в жидкости в виде пузырьков. Интенсивность образования пены непосредственно на колонне или ниже верха колонны для того, чтобы уменьшить общую высоту установки. В последнем случае флегму из дефлегматора 1 подают в колонну 2 насосом. Такое размещение дефлегматора часто применяют при установке ректификационных колонн вне зданий, что более экономично в условиях умеренного климата [8, c. 170].

Выходящие через прорези колпачки 3 пузырьки пара сливаются в струйки, которые проходят через слой жидкости, находящейся на тарелке, и над жидкостью образуется слой пены и брызг, - основная область массообмена и теплообмена между паром и жидкостью на тарелке [8, c. 170].

При движении струйки пара обычно сливаются друг с другом; при этом некоторая часть сечения прорезей обнажается, и образуются каналы, по которым газ проходит из-под колпачка сквозь жидкость. Поэтому поверхность взаимодействия газа с жидкостью непосредственно в зоне барботажа невелика. Основная зона фазового контакта находится в области пены и брызг над жидкостью, которые образуются вследствие распыления пара в жидкости и уноса брызг при трении пара о жидкость [8, c. 185].

Интенсивность образования пены и брызг зависит от скорости пара и глубины погружения колпачка в жидкость. Сечение и форма прорезей колпачка имеют второстепенное значение, но желательны узкие прорези, так как они разбивают газ на более мелкие струйки, увеличивая поверхность соприкосновения с жидкостью [8, c. 185].

Работа колпачка в оптимальных условиях при предельной скорости и наибольшего к.п.д. высота открытия прорези колпачка наибольшая, что способствует увеличению пути паров и времени их контакта с жидкостью.

При движении струйки пара обычно сливаются друг с другом; при этом некоторая часть сечения прорезей обнажается, и образуются каналы, по которым газ проходит из-под колпачка сквозь жидкость. Поэтому поверхность взаимодействия газа с жидкостью непосредственно в зоне барботажа невелика [8, c. 195].



2. Расчетная часть

Рассчитать ректификационную колонну непрерывного действия с тарелками для разделения под атмосферным давлением смеси (С). Содержание НКК в питании (x_F), в дистиллятах (x_D), в кубовом остатке (x_W). Расход смеси (G). В расчет входит: Выбор флегмового числа, определение высоты, диаметр колонны, количество дистиллята и кубового остатка.

Исходные данные:

G=9,5 тонн/в час- 9500 кг/в час

x_D=97,5% массовые,

x_F=47% массовые,

x_W =2% массовые,

Переведем в мольные доли:

x_{D мольная концентрация дистиллята} - 0,975

x_{F мольная концентрация нач. смеси} - 0,47

x_{W мольная концентрация кубового остатка} - 0,02

Тип колонны: Колпачковая

Pатм. =760м.рт.ст. = 101308 Па [исходные данные]

t_{кип.укс. кис-ты} =118,1⁰С [справочные данные];

t_{кип. Воды} =100⁰С [справочные данные];

Молекулярные массы веществ:

М_(H2O)=18г/моль

М_{(СН3СООН)=}60 г/моль

Обозначения и сокращения

G_F - количество смеси, поступающей на ректификацию;

G_D - количество получаемого дистиллята;

G_W - количество получаемого кубового остатка;

G_R - количество флегмы, возвращаемой в колонну;

G_V - количество паров в верхней части колонны.

X_F, X_D, X_W,X_R, y - содержание низкокипящего компонента

2.1 Материальный баланс

Целью составления и решения уравнения материального баланса является определение неизвестных материальных потоков.

Основными задачами технологического расчёта процесса ректификации, являются определение основных геометрических размеров ректификационной колонны (её диаметра и высоты), а так же расхода греющего пара в кубе колонны и охлаждающей воды в дефлегматоре.

Уравнения материального баланса ректификационной колонны непрерывного действия, учитывающее количество поступающих и уходящих потоков, рассчитываем по формуле 1 [3, с.8]:

G_F = G_D +G_W (1)

G_F•x_F = G_D•Х_D +G_W•x

Для того, чтобы найти массовый расход дистиллята Х_D и массовый расход кубового остатка Х_W подставим исходные данные в уравнение (1).

Решим эти уравнения совместно.

G_D +G_W = 9500

9500•0,47= (9500 - G_W)• 0,975+ G_W • 0,02

4465 = 9262,5-0,975w+0,02w

0,975w - 0,02w = 9262,5 - 4465

- 0,955w = 4797,5

w = 4797,5: 0,955

G_W = 5023,5

G_D + 5023,5 = 9500

G_D = 9500 - 5023,5

G_D = 4476,5 кг/ч

Итоги: Массовый расход дистиллята: G_D = 4476,5 кг/ч

Массовый расход кубового остатка: G_W = 5023,5 кг/ч

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

Переводим мольные доли компонентов в массовые по формуле 2 [4, с.9]:

(2)

где x_F - концентрация низкокипящего компонента в смеси, мольные доли;

М_в - мольная масса низкокипящего компонента, кг/моль;

М_укс - мольная масса высококипящего компонента, кг/моль;

М_укс = 60 кг/кмоль;

М_в = 18 кг/кмоль;

Содержание низкокипящего компонента в дистилляте вычисляют по формуле:

(3)

где x_D - концентрация низкокипящего компонента в дистилляте, мольные доли.

Содержание низкокипящего компонента в кубовом остатке вычисляют по формуле:

(4)

где x_W - концентрация низкокипящего компонента в кубовом остатке, мольные доли.

Подставим в формулу (3), в формулу (4), и в формулу (5), исходные данные и найдем содержание уксусной кислоты в смеси (питании), в дистилляте и в кубовом остатке.

Относительный мольный расход смеси определяется по формуле [3, с. 9]:

(5)

где

в смеси

массовая доля компонента в кубовом остатке

F = моль

2.2 Построение фазовых диаграмм

Для проведения дальнейших расчетов нам необходимо построить кривую.

Равновесия в координатах у* - x для системы уксусная кислота - вода при атмосферном давлении.

у* - x - мольные доли воды в жидкости и в равновесном с ним паре.

Данные содержания компонента жидкости уксусная кислота - вода для построения кривой равновесия берем по справочнику:

Построение рабочих линий проводят на диаграмме у - х. Для построения рабочих линий процесса ректификации на оси абсцисс диаграммы у - х (рисунок 1) откладывают заданные значения x_F, x_D, x_W. В соответствии со вторым допущением (у_D = x_D) и третьим допущением (y_W = x_W) точки 1 и 2, принадлежащие концам рабочих линий для верхней и нижней частей колонны, располагаются на диагонали диаграммы. Точка 3 характеризуется значением x_F, принадлежит обеим рабочим линиям и может перемещаться в диапазоне между точками 3^| (диагональ диаграммы) и 3^|| (равновесная линия), в зависимости от значения флегмового числа R.

Таблица 1

Равновесные составы жидкости и пара для системы уксусная кислота - вода [справочные данные]

t, °C	x	y
118,1	0	0
115,4	0,05	0,092
113,8	0,1	0,167
110,1	0,2	0,302
107,5	0,3	0,425
105,8	0,4	0,53
104,4	0,5	0,626
103,2	0,6	0,716
102,1	0,7	0,795
101,3	0,8	0,864
100,6	0,9	0,93
100	1	1

По данным таблицы 1 построим кривую равновесия рисунок 2

Рисунок 2 Кривая равновесия в координатах для системы уксусная кислота - вода.

2.3 Расчет флегмового числа

R - флегмовое число - отношение количества дистиллята, возвращенного в колонну в виде жидкости (флегмы), к количеству дистиллята, отобранного в качестве готового продукта.

Рабочее (оптимальное) флегмовое число R определяет нагрузки ректификационной колонны по пару и по жидкости. Исходным при выборе рабочего флегмового числа является минимальное его значение R_min.

При заданных значениях концентраций , R_min рассчитывается по формуле 6 [3, с.87]:

(6)

где R_min - минимальное число флегмы;

- мольная доля исходной смеси, кмоль/кмоль;

- мольная доля исходной смеси в паре, кмоль/кмоль.

По диаграмме y-x (рисунок 2) находим: при x_F = 0,7473; y^*_F = 0,785

Рассчитываем R_min по формуле 6:

Определим отрезок, отсекаемый рабочей линией на оси о y, и точку В по формуле [3, с.88]:

В = (7)

Рассчитываем точку B по формуле 7:

В =

Рабочее число флегмы R определяется по формуле 8 [3, с.87]

(8)

Подставим числовое значение минимального числа флегмы R_min

в уравнение (8) и определим рабочее число флегмы R.

Рассчитываем R_раб по формуле 8:

R_раб = 1,31,507 + 0,3 = 2,25

Определим точку В₁ по формуле 9 [3, с.79]:

= (9)

Рассчитываем В₁ по формуле 9:

В₁ =

Коэффициент избытка флегмы рассчитываем по формуле 10 [3, с.80]:

(10)

Рассчитываем по формуле 10:

Уравнения рабочих линий в верхней (укрепляющей) части колонны находим по формуле 11 [3, с.81]:

(11)

Производим расчет по формуле 11:

y =

y = 0,69x+0,305

в нижней (исчерпывающей) части колонны находим по формуле 12 [3, с. 80]:

(12)

где R - флегмовое число рабочее

F - относительный мольный расход смеси расчет по Формуле 5 [3, с.9]:

Производим расчет по формуле 12:

у =

y =

2.4 Расчет средних параметров для верха и низа колонны

Необходимо определить средний массовый расход по жидкости для верхней и нижней части колонны по формуле 13 [3, с.99]:

(13)

где - средний массовый расход воды для верха и низа колонны

- массовый расход дистиллята

и - мольные массы дистиллята и исходной смеси;

R_раб - флегмовое число рабочее

Рассчитываем средний массовый расход воды для верха колонны по формуле 13:

кг/ч

Рассчитываем средний массовый расход воды для низа колонны по формуле 14 [3, с. 99]:

(14)

Рассчитываем по формуле 14:

кг/час

Определим для расчета параметров пара средние мольные массы жидкости и пара и средние концентрации:

Находим средний мольный состав жидкости в верхней части колонны

По формуле 15 [3, с.83]:

(15)

Рассчитываем x_ср^в для верха колонны по формуле 15:

(мольные доли)

Находим средний мольный состав жидкости в нижней части колонны

По формуле 16 [3, с.83]:

(16)

Рассчитываем x_ср^н для низа колонны по формуле 16:

(мольные доли)

Для того что бы найти расход пара, нужно найти молекулярную массу дистилята по формуле 17 [3, с.100]:

M_D = M_водыx_D + M_укс. (1 - x_D) (17)

Рассчитываем M_D по формуле 17:

M_D= 180,9923 + 60 (1- 0,9923) = 18,32 кг/моль

Молекулярную массу исходной смеси рассчитываем по формуле 18 [3, с. 100]:

M_F = M_водыx_D + M_укс. (1 - x_F) (18)

Рассчитываем M_F исходной смеси по формуле 18:

M_F =180,7473 + 60 (1 - 0,7473) = 28,62 кг/моль

Молекулярную массу кубового остатка рассчитываем по формуле 19:

M_W = M_водыx_w + M_укс.(1 - x_w) (19)

Рассчитываем M_W кубового остатка по формуле 19:

M_W =180,063 + 60 (1 - 0,063) = 57,39 кг/ моль

Находим мольные массы средние верхней части колонны по x по формуле 20 [4, с.20]:

M^/ _{ср.верх} = М_водыx_{ср.верх} + М_укс.(1- x_{ср.верх}) (20)

где М_ср - средняя мольная масса потока,кг/кмоль;

х_{ср. верх} - мольная доля низкокипящего компонента, кмоль/кмоль;

М_воды и М_укс.- мольные массы соответствующих компонентов, кг/кмоль.

Расчитываем M^/ _{ср.верх} по формуле 20:

M^/ _{ср.верх} = 180,8698 + 60 (1- 0,8698) = 23,47 кг/моль

Находим мольные массы средние нижней части колонны x по формуле 21 [4, с. 20]:

M^/ _ср.низ = М_водыx_ср.низ + М_укс.(1- x_ср.низ) (21)

Рассчитываем M^/ _ср.низ по формуле 21:

M^/ _ср.низ = 180,405 + 60 (1- 0,405) = 43,01 кг/моль

Значение y_D, y_F и y_W получаем из уравнений рабочей линии по рисунку 1.

y_F = 0.825

y_D = 0.975

y_W = 0.063

Следовательно средние концентрации пара верха и низа рассчитаем по формуле 16 [3, с. 91]

y_ср.в =(мольные доли)

y_ср.н =(мольные доли)

Находим мольные массы средние верхней части колонны по y по формуле 20 [4, с. 20]:

M^// _{ср.верх} = 180,91 + 60 (1 - 0,91) = 21,78 кг/моль

Находим мольные массы средние нижней части колонны по y по формуле 21 [4, с. 20]:

M^// _ср.низ=180,454 + 60 (1- 0,454) =40,95 кг/моль

Средние массовые потоки пара в верхней Gв и Gн частях колонны соответственно равны, рассчитываем G_в по формуле 22 [3, с.99]:

(22)

где M^// _{ср.верх} - средние мольные массы паров в верхней части колонны.

M_D - молекулярная масса дистиллята

Производим расчет:

кг/ч

Средние массовые потоки пара в нижней G_н части колонны рассчитываем по формуле 23 [3, с. 99]:

(23)

где M^// _ср.низ - средние мольные массы паров в нижней части колонны.

M_D - молекулярная масса дистиллята

Производим расчет:

кг/ч

2.5 Диаграмма зависимости t - x, y

В практике ректификации идеальные растворы встречаются редко. Большинство смесей в значительной степени отклоняются от «идеальности», поэтому данные по равновесию получают экспериментальным путем. Как правило, в справочной литературе данные по равновесию приводят в виде таблиц, в которых указывают попарные значения концентраций жидкости и пара в состоянии равновесия и температуру кипения смеси. На основании этих данных по равновесию могут быть построены соответствующие графики:

По данным таблицы 1 строим диаграмму зависимости t - x, y для определения состава равновесия пара в зависимости от температуры уксусная кислота - вода, рисунок 2 [справочные данные].

Рисунок 2 Диаграмма t - x, y для определения состава равновесия пара в зависимости от температуры

1. Изобары равновесных составов, называемые кривыми равновесия (рисунок 2), которые позволяют определить состав пара у*, равновесный данному составу жидкости х.

2. Изобары температур кипения и конденсации (рисунок 2), которые позволяют определить температуры кипения жидкости и конденсации пара заданного состава. По этой диаграмме также можно найти равновесные составы пара и жидкости по схеме, указанной на рисунок 2.

Средние температуры пара определяем по диаграмме t - x, y

при y_ср.в = 0.91

при y_ср.н = 0.454

t_{ср. верх пара} = 101,2 ⁰С

t_{ср. низ пара} = 106,85 ⁰С

Средние мольные, средние массы и средние плотности пара верха и низа определенны по формулам 20, 21 [4. c.20]

M^/ _{ср.верх}=23,47 кг/моль

M^/ _ср.низ=43,01 кг/моль

Средняя плотность пара в колонне рассчитывается по формуле 24 [3, с.102]

(24)

производим расчет по формуле 24:

Средняя плотность пара в колонне определяется по формуле 25 [3, с.105]:

(25)

где - средняя плотность пара в колонне,;

- средняя плотность пара в верхней части колонны;

- средняя плотность пара в нижней части колонны;

Рассчитываем среднюю плотность пара в колонне по формуле 25 [3, с. 105]:

2.6 Расчет скорости пара и диаметра колонны

Температура в верхней части колонны при x_ср.в = 0,8698 равна 100,1 ⁰С, а в нижней при x_ср.н = 0,405 равна 105,1 ⁰С, следовательно:

Т_ср = ⁰С

Эти данные определены по диаграмме t - x, y, представленной на рисунке 2.

Плотность воды при t = 100 ⁰C _в = 958 кг/м³, а уксусной кислоты при _укс.= 958 кг/м³. Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне = 958 кг/м³

Скорость пара в колонне рассчитываем по формуле 26 [3, с. 270]:

(26)

где - скорость пара в колонне, м/с;

- средняя плотность пара в верхней и нижней части колонны;

- средняя плотность жидкости в колонне, кг/м³;

С - коэффициент, зависящий от конструкции тарелок, расстояния между тарелками, рабочего давления в колонне, нагрузке колонны по жидкости.

Определим скорость пара в верхней и нижней частях колонны, принимая.

Расстояние между тарелками h =0,6 мм, в соответствии с диаметром D_к =2,4м.

Рисунок 3. Зависимость коэффициента от расстояния между тарелками.

Рисунок 3 Значения коэффициента С

А, Б - Колпачковые тарелки с круглыми колпачками; В - Ситчатые тарелки.

Для колпачковых тарелок находим по графику значение С = 0,063 при h = 600 мм (рисунок 3) [5, с. 43]

Расчет скорости пара в верхней части колонны по формуле 26 [3, с. 270]:

0,704 мс

Расчет скорости пара в нижней части колонны по формуле 26 [3, с. 270]:

1,948 мс

Диаметр верха колонны рассчитывается по формуле 27 [3, с.190]:

(27)

где - диаметр колонны, м;

расход пара, ;

- скорость пара в колонне, м/с;

- средняя плотность пара в колонне.

Расчет диаметра верхней части колонны по формуле 27;

м

Диаметр низа колонны рассчитывается по формуле 280 [3, с.190]:

(28)

Расчет диаметра нижней части колонны по формуле 28:

м

После определения диаметра колонны, уточняем его в соответствии с имеющимися нормами. Применяем диаметр колонны2400 мм.

Действительная скорость пара рассчитывается по формуле 29 [3, с.175]:

(29)

где (действительная скорость пара, м/с;

- диаметр верхней, м;

- общий диаметр колонны, м.

- средняя плотность пара в колонне.

Расчет скорости пара в верхней части колонны по формуле 29:

Расчет скорости пара в нижней части колонны по формуле 29:

Тогда средняя действительная скорость пара в колонне будет равна:

2.7 Расчет высоты колоны

Обычно расстояние между тарелками принимают в диапазоне 0,2 - 0,8 м. С точки зрения выбора оптимальной конструкции колонны рекомендуют следующие значения Н_тв зависимости от диаметра колонны таблица 2:

Таблица 2

Dcт,м	0,4-0,8	1,0-2,2	2,4-3,6
Нт,м	0,2-0,4	0,5-0,6	0,6

В соответствие с 2400 мм, h=600 мм (таблица 2).

Действительная высота рассчитывается по формуле 30 [3, с.157]:

H = h₁ + h₂ + h₃ + h₄ + h₅ + h₆ + h₇ (30)

где - высота сепарационного пространства в верхней части колонны, м

- высота тарелок верхней части колонны, м

- высота питательной части, м

- высота тарелок нижней части колонны, м

- высота сепарационного пространства в нижней части колонны, м

- высота опоры, м

h₇ - юбка, м

Высоту сепарационного пространства в верхней части колонны рассчитываем по формуле 31 [3, с.157]:

h₁ = D (31)

производим расчет по формуле 31:

h₁ =

Высота тарелок верхней части колонны рассчитываем по формуле 32 [3, с.157]:

h₂ = h_т • (ЧДТ_в - 1) (32)

где h_т - расстояние между тарелками,

h₂ =

Число действительных тарелок рассчитывается по формуле 33 [3, с. 157]:

ЧДТ = , (33)

ЧТТ- число теоретических тарелок;

- КПД тарелки, =0,52 [рисунок 7.4 с.323]

По графику [рис. 7.5, стр. 324] находим значение поправки на длину пути Д = 0.105 Средний К.П.Д. тарелок находим по уравнению:

По (рисунку 1) число теоретических тарелок в верхней части колонны n _верх = 9, n_низ = 9, Общее ЧТТ в колонне 9+9=18

Рассчитываем действительное число тарелок в верхней части колонны по формуле 33:

Рассчитываем действительное число тарелок в нижней части колонны по формуле 33:

Высота Н₃ питательной части рассчитываем по формуле 34 [3, с.157]:

h₃ = 3h_т (34)

h₃ =

Высота тарелок нижней части колонны рассчитывается по формуле 35 [3, с. 198]:

h₄ = h_т • (ЧДТ_н - 1) (35)

h₄ =

высоту h₅ - выбираем по справочным данным выбирается в пределах 1-2 м.

h₆ - выбирается из расчета объемного расхода кубового остатка за 10 мин (600секунд) и рассчитываем по формуле 36 [3, с. 198]:

h₆ = (36)

Производим расчет по формуле 36:

h₆ =

Объемный расход кубового остатка рассчитываем по формуле 37 [3, c. 198]

V_{КУБ.ОСТ} = (37)

где G_W - массовый расход дистиллята

- средняя плотность пара в колонне,;

Производим расчет по формуле 38:

V_{КУБ.ОСТ} = 1.3 кг/м³

Площадь колонны рассчитываем по формуле 38 [3, c 198]

S = 0,785 • D² (38)

где D - диаметр колонны.

Производим расчет по формуле 38:

S =м²

h₇ - юбка, обычно выбирается в пределах 1,5 - 2м (справочные данные)

Находим общую высоту колонны по формуле 31:

Окончательно принимаем Н_к = 27 м.

Рисунок 3 Определение высоты колонны

2.8 Расчет колпачковой тарелки

Контактное устройство - колпачковая тарелка (по заданию).

Основным элементом колпачковой тарелки является колпачок. Его Его устройство показано на рисунке 4.

Рисунок 4 Эскиз колпачка

Как и у ситчатой тарелки суммарную площадь прорезей всех колпачков, расположенных на тарелке, принимают равной 8-15 % от площади поперечного сечения колонны. При конструировании колпачка площадь поперечного сечения патрубка принимают равной сумме площади прорезей 168 колпачка, а площадь кольцевого зазора для прохода парамежду патрубком и колпачком равной площади патрубка или несколько больше. [ОСТ 2601-66-86]

Таким образом, отношение площади паровых патрубков кплощади поперечного сечения колонны также составляет 8-15 %.

В зависимости от диаметра колонны (D_к) выбирают диаметр колпачка. Рекомендованные соотношения представлены в таблице 3 [ОСТ 2601-66-86]:

Таблица 3

Зависимость диаметра колонны D_к от диаметра колпачка d_к.

Dк, мм	dкЧhк, мм
800	50Ч50
800-1200	80Ч80
1200-3000	100Ч80
3000-6000	150Ч100

Широко распространённой формой прорези является прямоугольная, как

Наиболее удобная в изготовлении. Ширину прорезей принимают равной 5 - 6 мм с шагом 9-10 мм. Высота прорези берется, в зависимости от размера колпачка, в пределах от 10 до 40 мм. Расстояние между верхним обрезом парового патрубка и колпачка выбирают из условия примерного равенства площадей: сечения парового патрубка и площади для проходапара между верхним обрезом парового патрубка и колпачком.

На рабочей площади тарелки колпачки необходимо устанавливать на расстоянии не менее 75 мм от сливной и приемной перегородок, а промежуток между колпачками в свету должен быть в пределах 40-60 мм. Расстояние от стенок колонны до колпачков должно быть не менее 40-60 мм. [ОСТ 2601-66-86]

Согласно ОСТу 26-01-66-86 (таблица 1) выбираем диаметр отверстий d_o = 100 мм. Отверстия будем располагать по вершинам равностороннего треугольника с шагом 4, количество колпачков - 168 шт., высота прорези колпачка - 15.

2.9 Тепловой баланс

Расчет греющего пара в кубе колонны рассчитывается на основе составления и решения уравнения теплового баланса ректификационной колонны по формуле 40 [3, с.178]:

(40)

где - G_{D -} расход дистиллята, кг/с;

G_W - расход кубового остатка, кг/с

G_F - расход исходной смеси, кг/с

- тепловые потери (3% от тепла греющего пара).

Удельная теплота фазового перехода соответствующего компонента рассчитывается по формуле 41 [3, с.179]:

(41)

где - удельная теплота низкокипящего компонента, Дж/кг;

- удельная теплота высококипящего компонента, Дж/кг;

- мольная доля высококипящего компонента, кмоль/кмоль

- удельная теплота фазового перехода соответствующего компонента, Дж/кг;

где и - удельные теплоты конденсации воды и уксусной кислоты при 100°С [табличные данные, стр. 541].

кВт/сек

По фазовой диаграмме t - x, y ( рисунок 2) нашли температуры соответствующие

ккал/(кг*К)

ккал/(кг*К)

ккал/(кг*К)

Произведем расчет теплоты колонны по формуле 40:

Расход теплоты в паровом подогревателе исходной смеси рассчитывается по формуле 42 [3, с.179]:

(42)

тепловые потери приняты в размере 5%, удельная теплоемкость исходной смеси взята при средней температуре

Рассчитаем расход теплоты исходной смеси в паром подогревателе по формуле 42:

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята рассчитывается по формуле 43 [3, с.179]:

(43)

удельная теплоемкость дистиллята взята при средней температуре (100+25)/2=62.5 ⁰С.

Рассчитаем расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята по формуле 43:

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике кубового остатка рассчитывается по формуле 44 [3, с.179]:

(44)

удельная теплоемкость кубового остатка взята при средней температуре:

(105+25)/2 = 65 ⁰С

Рассчитаем расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике кубового остатка по формуле 44

Целью теплового расчета является определение необходимой площади теплопередающей поверхности, соответствующей при заданных температурах оптимальным гидродинамическим условиям процесса, и выбор стандартизированного теплообменника. Величину теплопередающей поверхности испарителя рассчитывают по формуле 45 [3, с.198]:

(45)

где - площадь теплопередающей поверхности испарителя, м²;

K - коэффициент теплопередачи, выбирается по опытным данным в пределах от 300 до 2500 Вт/м²К (К = 400 Вт/м² К)

Д _ср - средняя движущая сила процесса теплопередачи

Д_ср определяется по разнице температур между температурой разделяемой смеси (в кубе колоны) и температурой насыщенного водяного пара при определённом давлении.

Температура кубового остатка по диаграмме t - x, y (рисунок 2) равна _W = 70 єС

Температура насыщенного водяного пара при давлении атмосферном давлении составляет = 118 єС (рисунок 2)

Средняя движущая сила процесса теплопередачи рассчитывается по формуле 46 [3, с.246]:

(46)

где - средняя движущая сила процесса теплопередачи, єС;

- температура насыщенного водяного пара, єС;

_W - температура кубового остатка, єС.

Рассчитаем среднюю движущую силу процесса теплопередачи по формуле 46:

єС

Рассчитаем величину теплопередающей поверхности испарителя по формуле 45 [3, с. 198]:



Заключение

В данной курсовой работе рассмотрены основы процесса ректификации, классификация ректификационных колонн по конструкции внутреннего устройства, по периодичности действия и по способу организации движения потоков контактирующих фаз. Согласно заданию на курсовую работу, в котором указаны компоненты бинарной смеси: уксусная кислота-вода, выбрана колонна с колпачковыми тарелками, и проведен её расчет по исходным данным, указанным в задании. Выполнен материальный и тепловой баланс, определены основные размеры аппарата и подобраны нормализованные конструктивные элементы.

Ректификация - процесс разделения однородных жидких смесей, состоящих из нескольких компонентов, за счет противоточного взаимодействия двух фаз: жидкости и пара, образующегося из этой жидкости; тепломассообменный процесс разделения жидких смесей, компоненты которых отличаются по температурам кипения.

В процессе ректификации по всей высоте колонны происходит непрерывный обмен между жидкой и паровой фазой. Жидкая фаза обогащается высококипящим компонентом, а паровая фаза - низкокипящим.

Высококипящий компонент - компонент смеси, имеющий наименьшее давление паров при данной температуре по сравнению с давлением паров других компонентов смеси и наибольшую температуру кипения при одинаковом для всех компонентов смеси давлении.

Низкокипящий компонент - компонент смеси, имеющий наибольшее давление паров и наименьшую температуру кипения.

Процессы ректификации широко используются в химической и нефтехимической промышленности для получения отдельных компонентов или смесей более простого состава. С их помощью проводят разделение разнообразных смесей (сжиженные газы, нефтепродукты первичной и вторичной переработки и др.) для получения высокосортных топлив или веществ, имеющих желаемую степень чистоты. Процесс ректификации предназначен для разделения жидких смесей на практически чистые компоненты или фракции, различающиеся температурой кипения.

Жидкость, выходящая из верхней части колонны и отбираемая как готовый продукт называется дистиллятом (ректификатом).

...