Ректификационная колонна непрерывного действия

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Томский политехнический  университет

 

 

 

 

 

 

 

Химико-технологический  факультет

 

Кафедра общей химической технологии

 

 

 

 

 

 

Курсовой проект по курсу

«Процессы и аппараты химической технологии»

Ректификационная колонна  непрерывного действия.

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

студент гр. 5060

Галкин Д.В.                                                                 

                                                                                               

 

 

 

 

 

Проверил: Доцент

Лотова Л.Г.                                                                 

 

 

 

 

 

 

Томск 2009

 

СОРДЕРЖАНИЕ

Введение...................................................................................................3

 

1. Технологический расчёт......................................................................5

 

1.2 Перечень допускаемых упрощений……………………………..5

 

1.1Исходные данные…………………………………………………5

 

1.3 Материальный баланс……………………………………………….…5

 

1.4 Построение фазовых диаграмм………………………………….…6

 

1.5 Диаграмма t-x,y ………………………..………………………...6

 

1.6 Определение рабочего флегмового ………………………………….6

 

 

2. Определение геометрических размеров............................................9

2.1. Определение  скорости пара и диаметра колонны……………….9

 

2.2 Определение  действительного числа тарелок……………………11

2.3 Определение высоты колонны…………………………………..12

 

3. Гидравлический расчёт.......................................................................12

 

4. Тепловой расчет...................................................................................13

 

5. Расчет тепловой изоляции..................................................................14

 

6. Расчет  теплообменного аппарата……………………………..….15

 

7. Эскиз ректификационной колонны……………………………… 18

 

8. Эскиз теплообменника (Дефлегматора)………………………….19

Приложение…………………………………………………………..22

Заключение..............................................................................................25

 

Литература…………………………………………………………. . ..26

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ.

 

Ректификацией называется массообменный  процесс разделения жидких гомогенных смесей летучих компонентов путем  многократного последовательно  повторяющихся процессов испарения  и конденсации.

Для практической реализации такого процесса необходимым условием является то, что паровая и жидкая фазы до вступления в контакт между  собой должны находиться в неравновесном  состоянии. Поскольку давление для  фаз остается одинаковыми постоянным, то, следовательно, температуры фаз  должны быть разными. При контакте между  фазами происходит теплообмен: температура  пара выше температуры жидкости, следовательно, пар конденсируется и отдает свое тепло жидкости, которая в свою очередь испаряется. В результате такого тепло- массообмена образующийся пар обогащается низкокипящим компонентом, а жидкость - высококипящим компонентом. Так как система стремится к равновесию, то температуры образующихся паров и жидкости выравниваются.

Подобное многократное контактирование  паров и жидкости на практике осуществляют в ректификационных колоннах, объем  которых заполнен контактными устройствами для формирования поверхности контакта фаз. как правило, ректификационные колонны действуют по принципу противотока в целом по всему аппарату, в то время как на каждом отдельном участке формирования поверхности контакта фаз, схемы взаимодействия фаз могут быть самыми разнообразными. Для обеспечения неравновесных состояний пара и жидкости в нижнюю часть колонны (куб) подводится теплота, а в верхней части колонны теплота отбирается (дефлегматор). Схема ректификационной установки непрерывного действия для разделения бинарной смеси приведена на рис. 1.1.

Исходная смесь, с содержанием  низкокипящего компонента Х_f в количестве F поступает на питающую тарелку (эвапорационное пространство) с температурой t_f. На питающей тарелке происходит процесс однократного испарения (ОИ), в результате которого образуется паровая фаза, обогащенная НК и жидкая фаза, обогащенная ВК. Жидкая фаза стекает с питающей тарелки вниз и поступает в куб колонны, где происходит интенсивное испарение. Образующийся пар подается вниз колонны и движется навстречу стекающей жидкости. На всем пути происходит тепломассообмен между паром и жидкостью, т.к. поступающий на каждую тарелку пар имеет температуру выше, чем жидкость, поступающая на эту тарелку сверху. В результате массообмена на выходе из колонны пар дистиллята содержит главным образом низкокипящий компонент, а жидкость в кубе колонны - в основном высококипящий компонент.

Выходящий пар дистиллята из колонны  подвергается процессу дефлегмации  с дальнейшим разделением потока на продукт (Р) с содержанием НК Х_р и жидкую фазу, флегму в количестве (Ф) с содержанием НК Х_ф. Флегма подается на орошение колонны сверху. Высокое содержание НК в потоке флегмы предопределяет, что в верхней части колонны (от питающей тарелки вверх) происходит, главным образом, укрепление паровой фазы низкокипящим компонентом. По этой причине верхняя часть колонны называется укрепляющей или концентрационной. Нижняя часть колонны (от питающей тарелки вниз) называется исчерпывающей или отгонной частью, поскольку именно в этой части происходит основной отгон НК из жидкости в пар. В самом общем случае орошение колонны флегмой может осуществляться по разным вариантам.

Однако с целью упрощения  расчетов в данных методических указаниях  предлагается следующий вариант  орошения:  пар дистиллята состава  У_G поступает в дефлегматор,  где происходит  его полная конденсация и затем образующийся  конденсат разделяется на  два потока: горячая флегма подается на орошение, а оставшаяся часть конденсата, пройдя через холодильник, выводится из установки и поступает в виде готового продукта Р с содержанием НК Х_р в рефлюксную емкость. Исходная смесь в количестве F с содержанием НК Х_f может подаваться на питающую тарелку в колонну в различных состояниях и при различной температуре. Чаще всего исходная смесь предварительно подогревается в теплообменнике до температуры кипения и подается в виде кипящей жидкости.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1.1. Схема ректификационной установки непрерывного действия для разделения бинарных

смесей.

1 - ректификационная колонна; 2 - подогреватель исходной смеси; 3 - дефлегматор; 4 - кипятильник (куб)  колонны; 5 - теплообменник

 

 

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ.

1.1Исходные данные.

Смесь: бензол – толуол.

F = 13000кг/ч -производительность колонны по исходной смеси;

x_f = 0,15 -содержание НК в исходной смеси;

x_p = 0,96 -содержание НК в продукте;

x_w = 0,09 -содержание НК в кубовом остатке;

П = 10⁵ Па -давление в колонне;

  

1.2 Перечень допускаемых упрощений.

При расчете колоны, в основе лежат  расчетные формулы  и указания взятые из методического  указания «процессы и аппараты химической технологи» и « проектирование ректификационных колон». Табличные значения взяты [1].

С целью упрощения расчетов процесса ректификации допускается принимать  следующие допущения:

1. Вследствие того, что удельные  мольные теплоты испарения неограниченно  растворимых друг в друге компонентов  смеси достаточно близки между  собой, то принимается, что  паровая и жидкая фазы в  результате контактного тепломассообмена  обмениваются между собой веществами  в эквимолекулярном соотношении.  Из этого следует, что мольные  расходы фаз по высоте укрепляющей  и исчерпывающей частей ректификационной  колонны не изменяются.

2. Укрепляющим действием дефлегматора  пренебрегается и считается, что  состав пара дистиллята, выходящего  из колонны, составы флегмы  и продукта равны между собой,  т.е.:

                                           

3. Составы жидкости и пара  в кубе колонны равны между  собой, т.е.:

                                                           

4. Удельные мольные теплоты смешения  компонентов незначительны и  ими можно пренебречь.

1.3 Материальный баланс.

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

G_д+G_w=13000

G_д*0.96+G_w*0.09=0.15*13000

G_д=13000-G_w

(10800-G_w)*0.96+G_w*0.09=13000*0.15

12480-0.96*G_w+G_w*0.09=1950

G_w=12103 кг/ч

G_w=13000-G_д

0.96*G_д+(13000-G_д)*0.09=1950

G_д=896.5 кг/ч

 

Для дальнейших расчетов выразим концентрации питания, дистиллята и кубового остатка в мольных долях [2]:

Питание:

кмоль/кмоль(1)

Дистиллят:

кмоль/кмоль

Кубовый остаток:

кмоль/кмоль

 

    

1.4 Построение фазовых диаграмм.

 

С целью проведения дальнейших материальных расчетов требуется построение линии  равновесия и t-x,y диаграммы.

Обычно расчеты проводят в табличном  варианте.

 

 

Таблица 1.

Построение t-x,y

x	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
y	0	21,4	38	51,1	61,9	71,2	79	85,4	91	95,9	100
t	110,6	106,1	102,2	98,6	95,2	92,1	89,4	86,8	84,4	82,3	80,2

 

Графическое изображение расчетной  линии равновесия приведено на рис. 2.

Диаграмма t-х,у является основой для технологического расчета процессов разделения жидких смесей ректификацией, поскольку с ее помощью по известным значениям составов паров и жидкостей в любой точке аппарата определяются значения локальных температур, а так же решается обратная задача.

 

                               1.6 Определение рабочего флегмового числа.

Нагрузки ректификационной колонны  по пару и жидкости определяются рабочим флегмовым числом R; его оптимальное значение R_ОПТ можно найти путем технико-экономического расчета. Ввиду отсутствия надежной методики оценки R_ОПТ используют приближенные вычисления, основанные на определении коэффициента избытка флегмы (орошения) . Здесь

Rmin— минимальное флегмовое число: ₍₂₎

где и - мольные доли легколетучего компонента соответственно в исходной смеси и дистилляте, кмоль/кмоль смеси;

       - концентрация легколетучего компонента в паре, находящимся в равновесии с исходной смесью, кмоль/кмоль смеси.

Обычно коэффициент избытка  флегмы, при котором достигается  оптимальное флегмовое число, не превышает 1,3.

Определим R по этому методу. По рис. (1-6) [Приложение 1] при . Определим Rmin:

₍₃₎

 

Определение оптимального рабочего флегмового числа

Таблица 2.

β =1.05	R1=4.5	NT1=14	N(R+1)=77	B1=0.176
β =1.35	R2=5.9	NT2=11	N(R+1)=75.9	B2=0.140
β =1.75	R3=7.66	NT3=11	N(R+1)=95.26	B3=0.111
β =2.35	R4=10.28	NT4=9	N(R+1)=101.52	B4=0.0858
β =3.3	R5=14.44	NT5=8	N(R+1)=123.52	B5=0.0626
β=6.25	R6=27.36	NT6=8	N(R+1)=226.88	B6=0.0341

 

где B – отрезок, отсекаемый рабочей линией укрепляющей части колонны на оси ординат.

Рабочее флегмовое  число: R=6(рис.9);

Мольную массу дистиллята в данном случае можно принять равной мольной  массе легколетучего компонента — бензол. Средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равны:

 ₍₄₎

 

где и   - мольные массы исходной смеси;

   

 

  и - средний мольный состав жидкости соответственно в верхней и нижней частях колонны:

₍₅₎

         

Средние массы  концентрации пара находим по уравнению  рабочей линии:

Средние массы  концентрации пара.

 ₍₆₎

 

 

Средние мольные массы:

          ₍₇₎

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ ТАРЕЛЬЧАТЫХ КОЛОНН, С КОЛПАЧКОВЫМИ ТАРЕЛКАМИ.

 

Средняя температура паров в колонне: