Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева

Кафедра процессов и аппаратов химической технологии

Пояснительная записка

к курсовому проекту

по дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии»

на тему «Расчёт ректификационной установки непрерывного действия для разделения 18 000 кг/ч смеси бензол-толуол»

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Основные потоки в ректификационной колонне

Наиболее простым методом расчёта насадочной ректификационной колонны является расчёт через число единиц переноса, применяемый для расчёта бинарной ректификации. Этот метод является частным случаем метода расчёта через основное уравнение массопередачи. Метод включает построение линии равновесия, рабочей линии и линии питания на графике зависимости состава паровой фазы от состава жидкой фазы (x,y-диаграмма). Построение вышеперечисленных линий на диаграмме представлено на рис. 2. Линия равновесия - кривая, характеризующая зависимость состава пара от состава жидкости в состоянии межфазного равновесия y* = f(x). Рабочая линия - кривая, характеризующая реальную зависимость состава пара от состава жидкости в ректификационной колонне y = f(x). Движущей силой процесса ректификации является разность между равновесным и рабочим составами пара ?y = y* _ y. Линия питания - прямая, являющаяся геометрическим местом точек пересечения рабочих линий для укрепляющей и исчерпывающей части колонны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Бинарная ректификация на x,y-диаграмме: 1 - линия равновесия; 2 - линия питания; 3, 4 - рабочая линия нижней и верхней части, соответственно

конденсатоотводчик ёмкость ректификационный флегмовый

Положение линии питания на x,y-диаграмме зависит от температуры и фазового состояния смеси, подаваемой в колонну. В том случае, если смесь подаётся в колонну в виде жидкости, нагретой до температуры кипения, линия питания занимает вертикальное положение. Если температура жидкой смеси ниже температуры кипения (недогретая смесь), то линия питания отклоняется вправо (поворачивается по часовой стрелке относительно точки пересечения с диагональю, как это показано на рис. 2). При подаче в колонну перегретой жидкой смеси или парожидкостной смеси (ректификация с долей пара в питании), линия питания отклоняется влево (против часовой стрелки). Отклонение происходит тем дальше, чем больше доля пара в смеси. В случае питания колонны паровой смесью, линия питания занимает горизонтальное положение.

Числом единиц переноса называют отношение изменения концентрации в колонне к движущей силе массопередачи. При расчёте насадочной ректификационной колонны находят число единиц переноса по паровой фазе методом графического интегрирования. Для этого на основе рабочей и равновесной линии строят графическую зависимость f(y) = 1/(y*-y), и находят площади двух криволинейных трапеций.

Основные допущения при построении рабочих линий.

При графоаналитическом расчёте бинарной ректификации принимают ряд допущений, позволяющих упростить построение рабочей линии процесса ректификации на x,y-диаграмме.

Список допущений:

1) Равенство молярных теплот испарения компонентов ?Hисп НК = ?Hисп ВК;

2) Отсутствие теплового эффекта смешения компонентов ?Hсм = 0;

3) Отсутствие тепловых потерь в окружающую среду Qп = 0;

4) Отсутствие разделяющего действия кипятильника и дефлегматора, выражающееся в равенстве составов жидкости и пара в этих аппаратах xW = yW, xP = yP.

Следствия из допущений:

1) Из допущений 1-3 следует, что при конденсации из пара 1 моля высококипящего компонента выделяется ровно столько тепловой энергии, сколько необходимо на испарение из жидкости 1 моля низкокипящего компонента, и это тепло не теряется и целиком идёт на испарение. В результате мольные потоки жидкости и пара постоянны в пределах рассматриваемой части колонны, что в итоге даёт возможность считать рабочие линии прямыми.

2) Из допущения 4 следует, что рабочая линия нижней части колонны пересекает диагональ в точке xW, а рабочая линия верхней части колонны пересекает диагональ в точке xP.

Основные сечения колонны.

Расчёт бинарной ректификации с построением рабочих линий на x,y-диаграмме подразумевает расчёт нескольких ключевых сечений. В пособии [1, с. 227-235] представлен расчёт по средним сечениям верхней и нижней части ректификационной колонны. Однако усреднение проведено не по составам, а по всем рассчитываемым параметрам и свойствам, что допустимо с учётом невысокой точности расчёта, но делает расчёт более громоздким. Поэтому корректней высоту насадки, соответствующую единице переноса по газовой фазе, считать по средним составам жидкости.

В данной работе ограничимся рассмотрением шести сечений (рис. 3):

Сечение W - нижнее сечение колонны, соответствует точке входа в колонну потока пара из куба-кипятильника и составу жидкости xW;

Сечение Н - среднее сечение нижней части колонны, соответствует составу жидкости x = (xW+xF)/2;

Сечение F - тарелка питания колонны, соответствует точке ввода в колонну исходной смеси и составу жидкости xF;

Сечение F' - тарелка над точкой питания, соответствует точке, находящейся чуть выше точки ввода питания, и так же, как и сечение F, соответствует составу жидкости xF, однако относится уже не к нижней, а к верхней части колонны;

Сечение В - среднее сечение верхней части колонны, соответствует составу жидкости x = (xF+xP)/2;

Сечение P - верхнее сечение колонны, соответствует точке ввода флегмы и составу жидкости xP.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Основные сечения колонны

В соответствии с допущением, считаем мольный расход паровой фазы постоянным по всей высоте колонны. Объёмный расход паровой фазы увеличивается с ростом температуры и уменьшается с ростом давления.

Поскольку в первом приближении мы пренебрегаем гидравлическим сопротивлением колонны и изменением давления по её высоте, то считаем объёмный расход паровой фазы зависящим только от температуры.

Следовательно, наибольший объёмный расход паровой фазы будет наблюдаться для сечения W, где наблюдается наибольшая температура. Поэтому при расчёте диаметра колонны рекомендовано ориентироваться на это сечение.

МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС

Система уравнений материального баланса ректификационной колонны:

Массовые расходы исходной смеси, дистиллята и кубовой жидкости:

;

;

.

Молярные массы компонентов [2, с.13]:

легколетучего (бензола) - .

высококипящего (толуола) - .

Мольная доля легколетучего компонента в исходной смеси:

.

Мольная доля легколетучего компонента в дистилляте:

.

Мольная доля легколетучего компонента в кубовой жидкости:

.

Молярные массы потоков:

исходной смеси

;

дистиллята

;

кубовой жидкости

.

Молярные расходы потоков:

исходной смеси:

;

дистиллята:

куб. жидкости:

.

Таблица 1. Материальный баланс ректификационной колонны

Определение оптимального флегмового числа производится методом итераций. Задаём начальное значение коэффициента избытка флегмы и итерационный шаг .

Оптимальным флегмовым числом считаем флегмовое число, соответствующее минимальному объёму ректификационной колонны. Поскольку высота колонны пропорциональна числу теоретических ступеней (тарелок) , а площадь сечения колонны пропорциональна флегмовому числу плюс единица , то объём колонны, равный произведению площади сечения на высоту, пропорционален произведению этих величин

Таким образом коэффициент оптимизации

Первая итерация

Коэффициент избытка флегмы: .

Флегмовое число:

.

Число теоретических ступеней (тарелок) находим по x-y диаграмме, предварительно построив рабочие линии, соответствующие флегмовому числу данной итерации: .

Коэффициент оптимизации:

.

Вторая итерация

Коэффициент избытка флегмы: .

Флегмовое число: .

Число теоретических ступеней: .

Коэффициент оптимизации: .

Таблица 3. Определение оптимального флегмового числа

Рис. 6. Определение минимума коэффициента оптимизации k = NTT·(R+1)

ЛИТЕРАТУРА

1. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию. Под ред. Дытнерского Ю. И.

2. В. Б. Коган, И. М. Фридман, В. В. Кафаров. Равновесие между жидкостью и паром. Справочное пособие. Книга вторая. «Наука». М.-Л. 1966.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Данные по парожидкостному равновесию

Определение оптимального флегмового числа

Определение числа теоретических ступеней при ? = 1,2 (R = 2,111)

Определение числа теоретических ступеней при ? = 1,25 (R = 2,199)

Определение числа теоретических ступеней при ? = 1,3 (R = 2,287)

Определение числа теоретических ступеней при ? = 1,35 (R = 2,375)

Определение числа теоретических ступеней при ? = 1,4 (R = 2,463)

Определение числа теоретических ступеней при ? = 1,45 (R = 2,551)

Определение числа теоретических ступеней при ? = 1,5 (R = 2,639)

Определение числа теоретических ступеней при ? = 1,55 (R = 2,726)

Определение числа теоретических ступеней при ? = 1,6 (R = 2,814)

Определение числа теоретических ступеней при ? = 1,65 (R = 2,902)