Расчет ректификационной установки

  МИНИСТЕРСТВО  ПРОСВЕЩЕНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

  НАЦИОНАЛЬНЫЙ  ФАРМАЦЕВТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

  КУРСОВАЯ  РАБОТА

  по ПАХТ

  Студентки 4 курса

  группы  ТФП

  заочного  отделения НФаУ

  факультета  промышленной фармации

  Кайда Юлия Владимировна

  Харьков 2008

 

Исходные  данные

  Разделяемая смесь: толуол - хлорбензол.

  М (С₆Н₅СН₃) = 12∙6 +5 + 12 +3 = 92 г/моль (легколетучий);

  М (С₆Н₅Cl) = 12∙6 + 5 + 35∙5 = 112,5 г/моль (труднолетучий).

  Производительность: 5500 т/ч.

  

  Давление  греющего пара в кубе 3 ат.

  Давление  в колоне 400 мм рт. ст.

  Тип колонны: колпачковая.

   = 30°С.

 

1. Цель и задачи  расчёта

  Целью расчёта ректификационной установки  непрерывного действия является определение  основных размеров оборудования, входящего  в технологическую схему установки, размеров внутренних устройств ректификационного  аппарата, мат. потоков и затрат тепла. При этом следует помнить, что  ректификация представляет собой процесс  разделения жидких смесей на компоненты, при котором происходит переход  вещества из жидкой фазы в паровую и наоборот. В большинстве случаев ректификация осуществляется в противоточных колоннах с контактными элементами.

  Принципиальная  схема ректификационной установки  представлена на рисунке 1. Исходная смесь  из промежуточной ёмкости 1 центробежным насосом 2 подаётся в теплообменник 3, где подогревается до температуры  кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колону 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси Х_ƒ.

  Стекая  вниз по колонне, жидкость взаимодействует  с поднимающимся вверх паром, который образуется при кипении  кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен  составу кубового остатка Х_w, т.е. обеднён легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкости (флегмиат) состава Х_р, которая получается в дефлегматоре 6 путём конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выходит из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллятора, который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в промежуточную ёмкость 8. Из кубовой части колонны насосом 11 непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащённый труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 9 и направляется в ёмкость 10.

  Таким образом, в ректификационной колонне  происходит непрерывный неравновесный  процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят с высоким  содержанием легколетучего компонента и кубовый остаток, обогащённый  труднолетучим компонентом.

  При выполнении курсового проекта необходимо провести:

  материальный, гидравлический, тепловой расчёты ректификационной колонны;

  материальный и тепловой расчёты дефлегматора, подогревателя исходной смеси и холодильников для охлаждения готовых продуктов разделения;

  выбор питающего насоса по расходуемой  энергии конденсатоотводчика;

  определить  размеры ёмкостей для исходной смеси  дистиллята и кубовой жидкости.

 

2. Исходные данные  к расчёту

  Исходная  смесь подаётся в колонну на питающую тарелку при температуре кипения  на ней.

  

   Рис.1. Принципиальная схема ректификационной установки непрерывного действия:

  1 - ёмкость для исходной смеси;

  2, 11 - насосы;

  3 - теплообменник-подогреватель;

  4 - кипятильник;

  5 - ректификационная колонна;

  6 - дефлегматор;

  7 - холодильник дистиллята;

  8 - ёмкость для сбора дистиллята;

  9 - холодильник кубовой жидкости;

  10 - ёмкость для кубовой жидкости.   

 

3. Расчёт ректификационной  колонны

  Расчёт  ректификационной колонны сводится к определению основных геометрических размеров - диаметра и высоты. Обе  эти величины определяются нагрузкой  по пару и жидкости, типом контактного  устройства, физическими свойствами взаимодействующих фаз.

3.1 Расчёт материальных  потоков

  Материальные  расчёты процесса ректификации в  основном выполняются в мольных  количествах. Если заданы концентрации летучего компонента в массовых долях  или процентах, перевод в мольные  доли или проценты осуществляется по зависимостям:

  

  

  Расчёт  средних молекулярных масс дистиллята, исходной смеси и кубового остатка  производится по формулам:

    

  или  ,

  где

  М_ср - средняя молекулярная масса потока, кг/моль;

  Х - мольная концентрация компонента, моль. доли;

   - массовая концентрация компонента, масс. доли.

  

  Для расчёта материальных потоков составляем уравнения материального баланса  для всего количества смеси (3.1) и  летучего компонента (3.7):

  

  где  - массовый расход дистиллята, исходной смеси, кубового остатка, кг/с.

  

  Полученные  расходы, концентрации, давления и температуры  наносят на технологическую схему.

 

3.2 Определение флегмогового числа

  Пользуясь справочной литературой, выписывают таблицу  равновесных составов жидкости и  пара. Строят диаграммы t - x,y, и y-x. При отсутствии экспериментальных данных о фазовом равновесии идеальной смеси строят равновесную линию, исходя из давления насыщенных паров компонентов исходной смеси в интервале между температурами кипения легколетучего и труднолетучего компонентов.

  Х_Л.К. и Y_Л.К. рассчитываются по формулам:

      

  Последовательно получаем:

  

  

  

  

  

  

  

  На  диаграмме Y-X по оси абсцисс откладывают составы жидкой фазы, по оси ординат - паровой. Зависимость между составами жидкой и паровой фазы выражается линией равновесия. Кроме равновесной линии на диаграмму наносят вспомогательную линию - диагональ, уравнение которой y = x.

  На  диагонали находят точку А с координатами Х_р = Y_p, а затем проводят вертикаль из точки Х_ƒ пересечения с равновесной линией в точке В. Линия АВ - теоретическая рабочая линия верхней части колонны при минимальном флегмовом числе R_min.

  Пересечение этой линии с осью ординат даёт точку В_mаx. Минимальное флегмовое число равно

  

  Реальное  флегмовое число R больше R_min, причём отношение   и называется коэффициентом избытка флегмы и колеблется на практике в довольно широких пределах (от 1,05 до 10) в зависимости от свойств разделяемой смеси, рабочих параметров и экономических факторов.

  Поскольку пределы изменения β достаточно широки, необходимо определить флегмовое число и соответствующий коэффициент избытка флегмы. Несмотря на математическую простоту, эта задача очень трудоёмкая, поскольку требует проведения полного технико-экономического расчёта при различных значениях флегмового числа R.

  Учитывая, что масса колонны, зависящая  от числа ступеней разделения, является определяющей в стоимости процесса ректификации, приближенно R_опт, можно рассчитать следующим образом. По уравнению (3.3) определяют минимальное флегмовое число R_min. Затем, задав несколько значений коэффициента избытка флегмы в пределах примерно 1,05¸5,0, графически определяют соответствующее им число теоретических ступеней N_t. Для этого, при каждом значении ректификации, между ними и равновесной линией проводят отрезки, параллельные осям координат. Число ступеней, образующихся в результате такого построения в пределах изменения концентраций Х_р-Х_ƒ, будет соответствовать числу теоретических тарелок в верхней части колонны, а число ступеней, образующееся в пределах изменения концентраций Х_р-Х_w - числу теоретических тарелок в нижней части колонны.

  Результаты  расчёта подаём в виде таблицы: