87555

Ректификационная колонна непрерывного действи

Курсовая

Производство и промышленные технологии

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.

Русский

2015-04-21

577.5 KB

6 чел.

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Томский политехнический университет

Факультет – Химико-технологический

Кафедра – ОХТ

Наименование учебной дисциплины – ПАХТ

Курсовой проект по курсу

«Процессы и аппараты химической технологии»

Ректификационная колонна непрерывного действия.

Выполнил:

Студент гр.5а43       И. В. Тюменцева                                                                

                                                                                               

Проверил:        Пьянков

Преподаватель                                                                     

Томск -  2007

СОРДЕРЖАНИЕ

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

Задание.............................................................................................................. 5

1. Технологический расчёт..............................................................................6

2. Определение геометрических размеров.................................................... 11

3. Гидравлический расчёт................................................................................17

4. Тепловой расчет................................................................................................ 19

5. Расчет тепловой изоляции..............................................................................18

6. Конструктивно-механический расчёт........................................................ 22

Заключение........................................................................................................26

Литература……………………………………………………………………… 27

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 тепломассообмена 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 рисунке 1.

Исходная смесь, с содержанием низкокипящего компонента Хf в количестве F поступает на питающую тарелку (эвапорационное пространство) с температурой tf. 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 Хр и жидкую фазу, флегму в количестве (Ф) с содержанием НК Хф. 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 [1,6].

Однако с целью упрощения расчетов в данных методических указаниях предлагается следующий вариант орошения:  пар дистиллята состава  УG 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 Хр в рефлюксную емкость. Исходная смесь в количестве F с содержанием НК Хf 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.

Рисунок 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

ЗАДАНИЕ

на курсовой проект по ПиАХТ на тему:

«Ректификационная колонна непрерывного действия»

Произвести расчет ректификационной колонны непрерывного действия для разделения смеси бензол-толуол, производительность F= 10500 кг/ час. Тип колонны – насадочная.

Содержание НК в смеси:

Давление греющего пара .

Исходная смесь подогревается в подогревателе исходной смеси от температуры 17ос до температуры кипения при рабочем давлении в аппарате 105 Па.

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

1.1 Исходные данные к расчету

Смесь: бензол-толуол

F = 10500 кг/час=2,92кг/с - производительность колонны по исходной смеси;

xf = 0,30 -содержание НК в исходной смеси;

xp = 0,98 -содержание НК в продукте;

xw = 0,01 -содержание НК в кубовом остатке;

П = 105 Па -давление в колонне;

   - давление греющего пара в испарителе;

   - молярная масса бензола;

   - молярная масса толуола.

1.2 Перечень допускаемых допущений

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:

Отсюда находим:

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

Питание:

Дистиллят:

Кубовый остаток:

1.4 Построение фазовых диаграмм

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

Линией равновесия называется графическое изображение зависимости . Для идеальных смесей расчеты и построение линий равновесия  возможны аналитически. Для этого весь интервал температур от температуры кипения ВК до температуры кипения НК (при заданном давлении П) разбивают на ряд интервалов и для каждого значения температуры по справочнику находят соответствующие давления насыщенных паров чистых компонентов Рi0. Затем, используя закон Дальтона, а именно:

                      

находят соответствующие значения равновесных концентраций жидкости Хнк:

                                                     

После этого по уравнению

рассчитывают равновесный состав пара Унк*. Обычно расчеты проводят в табличном варианте.

Для смеси бензол-толуол рассчитаем и построим линию равновесия при общем давлении П=760 мм.рт.ст.

1. Определяем температуры кипения бензола и толуола при П=760 мм.рт.ст.

tкип.б=80,20С - низкокипящий компонент НК

tкип.т.=110,40С - высококипящий компонент ВК

Следовательно, линия равновесия будет выражать зависимость содержания бензола в паре (Уб*) от его содержания в жидкости (Хб), т.е. Уб*=fб).

2. Разбиваем интервал температур от 80,20С до 110,40С на ряд мелких интервалов с шагом, например t=40С. Необходимо отметить, что чем меньше шаг, тем выше точность построения. Обычно рекомендуется не менее десяти внутренних интервалов.

3. По справочным данным для соответствующих температур находим давления насыщенных паров бензола и уксусной кмслоты и производим расчет.

Таблица 1

Расчет равновесных составов паровой и жидкой фаз

смеси бензол-толуол

t,0C

P0б

Р0т.

П

мм.рт.ст

мольные доли

80,2

760

300

760

1

1

84

852

333

760

0,823

0,922

88

957

380

760

0,659

0,830

92

1078

432

760

0,508

0,720

96

1204

493

760

0,376

0,596

100

1344

559

760

0,256

0,453

104

1495

626

760

0,155

0,304

108

1659

705

760

0,058

0,128

110,4

1748

760

760

0

0

Графическое изображение расчетной линии равновесия приведено на рис. 1.

1.5 Диаграмма t-x-y бинарной смеси

Данная диаграмма представляет собой совмещенный график зависимостей температуры кипения жидкости от ее состава и температуры насыщенных паров от их состава. Для ее построения используются данные расчета равновесных составов паровой и жидкой фаз (таблица 1.1). Вначале в координатах t-х наносят точки, соответствующие температурам кипения жидкости и равновесным ее концентрациям Х. Через найденные точки проводят плавную линию, которая носит название линии кипения жидкости (рис.1.2). Затем на эту же диаграмму наносят точки, соответствующие температурам кипения и равновесным составам пара У*. Полученные точки так же соединяют плавной линией, которая называется линией насыщения (или конденсации) рис.1.2.

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 RОПТ можно найти путем технико-экономического расчета. Ввиду отсутствия надежной методики оценки RОПТ используют приближенные вычисления, основанные на определении коэффициента избытка флегмы (орошения). Здесь Rmin— минимальное флегмовое число:

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.

Определим R. По рис. 1 [Приложение 1] при  . Определим Rmin:

- относительный мольный расход питания.

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

 

где и  — мольные массы дистиллята и исходной смеси;

      и  — средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны.

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

где и   - мольные массы бензола и толуола;

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

         

Тогда:

          

Мольная масса исходной смеси:

Тогда:

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

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

Тогда:

Подставив численные значения, получим:

2.ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ ТАРЕДЬЧАТЫХ КОЛОНН

2.1 Определение скорости пара и диаметре колонны

Средняя температура паров в колонне:

Вверху колонны при               

Внизу колонны при  

Определим среднюю плотность паров внизу и вверху колонны:

Средняя плотность пара в колонне:

Плотность бензола и толуола близки, поэтому примем

Предельную фиктивную скорость пара, при которой происходит захлебывание насадочных колонн, определяют по уравнению:

Вязкость жидких смесей находим по уравнению:

Тогда вязкость жидкости вверху колонны при температуре 91,550с:

Вязкость жидкости внизу колонны при температуре 105,780с:

Предельная скорость паров в верхней части колонны:

откуда

Предельная скорость паров в нижней части колонны:

откуда .

Примем рабочую скорость  на 30% ниже предельной:

Диаметр ректификационной колонны находим по уравнению:

 

Отсюда диаметры верхней и нижней частей колонны:

Рационально принять стандартный диаметр обечайки d=1,2м одинаковым для обеих частей колонны. При этом действительные рабочие скорости паров в колонне:

 

что составляет  соответственно 62% от предельных скоростей.

2.2 Определение высоты насадки

Высоту насадки Н рассчитывают по модифицированному уравнению массопередачи:

где  - общее число единиц переноса по паровой фазе;

      - общая высота единицы переноса, м.

Общее число единиц переноса вычисляют по уравнению:

Общее число единиц переноса определяют численными методами. Решим его методом графического интегрирования:

где  - площадь, ограниченная кривой, ординатами yw и yp и осью абсцисс;

- масштабы осей координат.

Данные для графического изображения функции  приведены ниже:

y

y*-y

0,02

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,5

0,545

0,6

0,7

0,75

0,8

0,85

0,9

0,98

0,025

0,06

0,1

0,145

0,225

0,20

0,20

0,32

0,22

0,21

0,09

0,18

0,15

0,13

0,11

0,1

0,06

0,01

40

16,6

10

6,89

4,44

5,0

5,0

3,125

4,55

4,76

9,09

5,55

6,67

7,69

9,09

10

16,6

100

По данному рисунку находим общее число единиц переноса в верхней и нижней частях колонны

Общую высоту единиц переноса определим по уравнению аддитивности:

где  и  - частные высоты единиц переноса соответственно в жидкой и паровой фазах;

       m — средний коэффициент распределения в условиях равновесия для соответствующей части колонны.

Отношение нагрузок по пару и жидкости G/L, кмоль/кмоль, равно:

для верхней части колонны

для нижней части колонны

где

Высота единицы переноса в жидкой фазе

где с и Ф — коэффициенты, определяемые по рис. 6.6[2], а и б ;                            

— критерий Прандтля для жидкости;

Z — высота слоя насадки одной секции, которая из условия прочности опорной решетки и нижних слоев насадки, а также из условия равномерности распределения жидкости по насадке не должна превышать 3 м.

Высота единицы переноса в паровой фазе

где — коэффициент, определяемый по рис. 6.6, а; — критерий Прандтля для пара;

—массовая плотность орошения, кг/(м2-с);

d —диаметр колонны, м

Вязкость паров в колонне

Для верха колонны

Для низа колонны

Коэффициент диффузии при средней температуре равен:

Коэффициент диффузии в жидкости  при 200с равен:

- вязкость жидкости при 200с.

Температурный коэффициент b определяем по формуле:

где  и  принимают при 200с.

Отсюда

Аналогично для нижней части колонны находим:

коэффициент диффузии в паровой фазе:

- средняя температура в соответствующей части колонны, К;

- абсолютное давление в колонне, Па.

Аналогично для нижней части колонны находим:

Таким образом для верхней части колонны

Для нижней части колонны

Находим общую высоту единицы переноса для верхней и нижней частей колонны:

2.3 Определение высоты колонны

Высота насадки в колонне:

Общая высота насадки в колонне:

Н=5,862+5,245=11,107м

С учетом того, что высота слоя насадки в одной секции Z=3м, общее число секций в колонне составляет 4 (2 секций в верхней части и 2 – в нижней).

Общую высоту ректификационной колонны определяют по уравнению:

3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

Гидравлическое сопротивление насадки  находят по уравнению:

Гидравлическое сопротивление сухой неорошаемой насадки   рассчитывают по уравнению:

Критерий Рейнольдса для газа в верхней и нижней частях колонны соответственно равен:

 

Следовательно, режим движения турбулентный.

Для турбулентного движения коэффициент сопротивления сухой насадки в виде беспорядочно засыпанных колец Рашига находят по уравнению:

Для верхней и нижней частей колонны соответственно получим:

Гидравлическое сопротивление сухой насадки в верхней и нижней частях колонны равно:

Плотность орошения в верхней и нижней частях колонны находим по уравнению:

Подставив численные значения, получим:

Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки в верхней и нижней частях:

Общее гидравлическое сопротивление колонны:


EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

55860. Santa’s Little Helper 287 KB
  There are lots of presents in Santa’s sleigh for children around the world. Now they are off! Santa leaves a present for good boys and girls. He eats one mince pie. Then two… three… four! Amy is asleep at home. Santa climbs down the chimney with Amy’s present. But oh dear… he is too fat. He can’t move!
55861. Вибір професії 54.5 KB
  Prior to this lesson your task was to visit my teacher's website and read the materials that would help you in work on the topic of our project. Raise your hands, those who visited the site and looked through the materials. So, what was your homework?
55862. Save our nature 44.5 KB
  Well, you see that there are a lot of problems in our life. Today in our lessons we begin to discuss one of them: “People and nature”. During the lesson we’ll understand the reasons, compare activities in our country and in England and try to find the way out of some problems of our world.
55865. Развитие ситуативной речи 7-9 классы 1.68 MB
  Правила безопасного диалога Мы все дети одной планеты Человек и религия Каждая крупная статья предусматривает после себя три вида заданий: Обсуждаем прочитанное Выполняем задания Выполняем творческие задания.
55866. School in our life 86.5 KB
  After the home, the school is the place where pupils spend a lot of time. School is not only a place of education, it is a place, where pupils develop their personal skills.
55867. SCHOOL LIFE 12.18 MB
  I see that most of you like school and I do hope you go there to get new information. But I think these are not the only reasons why you come to school. Could you tell what you do at school. Look at the screen and make up sentences.
55868. Шкільне життя 131.5 KB
  Мета: ознайомити з новими лексичними одиницями; практикувати навички читання, монологічного мовлення, аудіювання; тренувати учнів у вживанні Future Indefinite Tense. Розвивати пам’ять учнів, виховувати інтерес до різних видів позакласної діяльностіі.