Ректификация

Санкт-Петербургский государственный технологический институт.

Кафедра процессов и аппаратов


Курсовой проект

на тему: Ректификация


Выполнил:

Проверил: .


2008 г.

Задание по курсовому проектированию N 34-01


Спроектировать ректификационную установку для непрерывного разделения смеси: ацетон-метиловый спирт под атмосферным давлением. Сделать подробный расчет ректификационной колонны и водяного подогревателя исходной смеси. Куб-испаритель, дефлегматор, холодильник кубового остатка и холодильник дистиллята рассчитать приближенно, используя коэффициенты теплопередачи из “Примеров и задач…". Выбрать стандартные аппараты. Сделать чертеж общего вида подогревателя исходной смеси и эскиз технологической схемы.

Исходные данные для расчета

Колонна насадочная

Производительность установки по исходной смеси 6.6 т/час.

Концентрация легколетучего компонента в исходной смеси 30%масс.

Концентрация легколетучего компонента в дистилляте 80%масс.

Концентрация легколетучего компонента в кубовом остатке 2%масс.

Температура исходной смеси 100С.

Начальная температура охлаждающего воздуха 100С.

Готовые продукты охлаждаются до 300С.

Температура греющей воды меняется от 98 до 70 0С.

Дата выдачи задания 12 февраля 2008 г.

Руководитель курсового проекта, Ст. преподаватель, к. т. н.

Студент

Содержание


Введение

1. Технологические расчеты

1.1 Расчет ректификационной колонны

1.1.1 Материальный баланс колонны

1.1.2 Определение массовых и объёмных расходов пара и жидкости

1.1.3 Гидравлический расчет колонны

1.1.3.1 Определение рабочей скорости пара

1.1.3.2 Определение диаметра колонны и плотности орошения

1.1.3.3 Гидравлическое сопротивление 1 м насадки

1.1.3.4 Определение активной поверхности насадки

1.1.4 Расчет высоты колонны

1.1.5 Тепловой баланс ректификационной колонны

1.2 Расчет теплообменных аппаратов, входящих в общую схему работы ректификационной колонны

1.2.1 Расчет теплообменного аппарата для подогрева исходной смеси водой

1.2.2 Расчет конденсатора-дефлегматора

1.2.3 Расчет куба-испарителя.

1.2.4 Расчет холодильников для охлаждения продуктов ректификации

Вывод

Список литературы

Приложения


Введение


В химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности часто возникает необходимость разделить смеси двух или большего числа жидкостей на отдельные составляющие. Наиболее характерным примером является разделение нефтепродуктов на отдельные фракции, обладающие различными летучестями.

Процесс разделения основан на том, что все жидкости, составляющие смеси, имеют разные летучести или, иначе говоря, - разные температуры кипения при одинаковом внешнем давлении. Следствием такого свойства жидкостей является различное количество паров компонентов над жидкой смесью. Пары над смесью оказываются обогащенными парами более летучих компонентов. Если смесь таких паров отделить от жидкой фазы и полностью сконденсировать, то состав полученного конденсата будет таким же, что и состав паров. Следовательно, новая жидкая смесь окажется в большей степени обогащенной относительно более летучим компонентом по сравнению с исходной жидкой смесью.

Для этого широко применяют ректификацию, которая осуществляется в аппаратах, называемых ректификационными колоннами. Они бывают с непрерывным контактом фаз - насадочные колонны, и со ступенчатым контактом фаз - аппараты тарельчатого типа (с колпачковыми, ситчатыми, клапанными и решетчатыми тарелками).

Основной объем насадочной колонны заполняется беспорядочно насыпанной дисперсной насадкой, т.е. твердым материалом, химически инертным по отношению к обеим фазам и к целевому компоненту (кольца Рашига, Седла Берля, Инталокс и др.). Назначение слоя насадки - создание значительной поверхности контакта жидкой и газовой фаз в результате стекания жидкости по всей поверхности элементов насадки в виде пленки и прохождения газового потока в пустотах между элементами насадки и внутри них. Поверхность контакта фаз приблизительно равна суммарной поверхности насадки.

В тарельчатой колонне жидкая и газовая фазы контактируют только на тарелках, где газ барботирует через слой жидкости. Жидкость перетекает с верхней тарелки на нижнюю по вертикальным перетокам, а газовая фаза проходит снизу вверх через отверстия тарелок и всплывает в слоях жидкости в виде многочисленных пузырьков. Поверхностью контакта фаз является суммарная поверхность всех газовых пузырьков, в слоях жидкости на тарелках.

Подлежащая разделению бинарная смесь начального состава вводится на некоторую промежуточную по высоте колонны тарелку (или промежуточную точку по высоте насадочной колонны). Смесь подается при температуре ее кипения (или близкой к ней). В кубе-испарителе из кипящей в нем кубовой жидкости непрерывно образуется пар. Чтобы поддержать энергоемкий процесс парообразования, в куб необходимо подавать греющий водяной пар, при конденсации которого выделяется необходимая теплота. Образующиеся в кубе-испарителе пары движутся вверх, вступают в контакт с жидкой фазой, обогащаются летучим компонентом. При этом жидкость обедняется им. Пройдя весь путь пар поступает в дефлегматор, где конденсируется, делится на два потока (флегму и дистиллят). Флегма возвращается в колонну, чтобы паровому потоку было из чего извлекать летучий компонент, обедняется более летучим компонентом и приходит в куб-испаритель. Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный процесс разделения подаваемой в колонну исходной смеси на дистиллят и кубовый остаток. Основные достоинства насадочных колонн - способность работать при больших нагрузках по жидкости, на потоках жидкости и пара, содержащих механические примеси, на агрессивных потоках. Эти колоны просты по монтажу и изготовлению, долговечны.

1. Технологические расчеты


1.1 Расчет ректификационной колонны


Необходимо спроектировать ректификационную установку для непрерывного разделения исходной смеси. Тип насадки будет подбираться по ходу расчетов, однако основные из них будут керамические седла Берля и кольца Рашига.


1.1.1 Материальный баланс колонны

Для начала отметим, что легколетучим компонентом данной смеси является ацетон, а инертной фазой - метиловый спирт (метанол).

Зная производительность колонны по исходной смеси Ректификацияи необходимые концентрации (массовые), можно найти производительность колонны по дистилляту (Ректификация) и кубовому остатку (Ректификация) на основании уравнения материального баланса.


Ректификация (1)

Ректификация (2)


где Ректификация - массовые доли легколетучего компонента в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке соответственно, Ректификация.

Отсюда, решая систему двух уравнений с двумя неизвестными


Ректификация

Ректификация


получим:

Ректификация

Ректификация


Нагрузка ректификационной колонны по пару и жидкости определяется рабочим флегмовым числом R и уравнениями рабочих линий в верхней и нижней частях колонны.


Ректификация (3)


где Ректификация - минимальное флегмовое число, вычисляемое по формуле


Ректификация (4)


гдеРектификация - молярные доли легколетучего компонента в жидкости, Ректификация; Ректификация - концентрация легколетучего компонента в паре, находящегося в равновесии с жидкостью, Ректификация. Для перехода от массовых долей легколетучего компонента к молярным используем соответствующие формулы:


Ректификация (5а), Ректификация (5б)

Ректификация. (5в)


где М1, М2 - молярные массы легколетучего компонента и инертной фазы (M1 = 58 кг/кмоль, M2 = 32 кг/кмоль). Тогда получим:

Ректификация

Ректификация

Ректификация.


По диаграмме y-x, интерполяционной формулой Лагранжа (приложение2), находим Ректификация при соответствующем значении Ректификация:


Ректификация.


Используя формулу (4) получим:


Ректификация.


Далее по формуле (3):


Ректификация.


Найдем уравнения рабочих линий:

а) для верхней (укрепляющей) части колонны:


Ректификация (6), Ректификация (6а)


б) для нижней (исчерпывающей) части колонны:


Ректификация (7)

где F - относительный молярный расход питания.


Ректификация. Уравнение нижней части имеет вид:

Ректификация. (7а)


1.1.2 Определение массовых и объёмных расходов пара и жидкости

Найдем средние массовые расходы жидкости Ректификация,Ректификация и пара Ректификация,Ректификация для верхней (индекс в) и нижней (индекс н) частей колонны по соответствующим формулам:

Для жидкости:


Ректификация (8)

Ректификация (8а)


где Ректификация - мольные массы дистиллята, кубового остатка и питания исходной смеси, определяемые по формулам (9а, б, в), кг/кмоль; Ректификация - средние мольные массы жидкостей в верхней и нижней частях колонны, определяемые по формулам (10а, б), кг/кмоль.


Ректификация (9а)

Ректификация (9б)

Ректификация (9в)

Ректификация (10а)

Ректификация (10б)

где Ректификация и Ректификация - средний молярный состав жидкостей в верхней и нижней частях колонны соответственно, определяемый по формулам:


Ректификация

Ректификация.


Таким образом получим:


Ректификация

Ректификация

Ректификация

Ректификация

Ректификация.


Подставляя полученные величины в уравнения (8) и (9) получим:


Ректификация

Ректификация. Для пара:

Ректификация (11а) , Ректификация (11б)


где Ректификация - средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны, кг/кмоль, определяемые по формулам:


Ректификация (12а)

Ректификация. (12б)


В данных формулах присутствуют средние молярные концентрации паров в верхней и нижней частях колонны, которые можно найти по уравнениям рабочих линий (6а) и (7а).


Ректификация

Ректификация.


Тогда получим:


Ректификация

Ректификация.


Подставляя полученные величины в уравнения (12) и (13) получим:


Ректификация

Ректификация.


Для нахождения средних объёмных расходов жидкости и пара в верхней и нижней частях колонны необходимо найти их средние плотности.

Плотность жидкости определяем по формуле:


Ректификация (13а)

Ректификация (13б)


где Ректификация - массовые концентрации легколетучего компонента в верхней (индекс в) и нижней (индекс н) частях колонны,

Ректификация; r1 и r2 - плотности ацетона и метилового спирта соответственно, кг/м3. Они зависят от температуры и подчиняются зависимостям:


Ректификация (14а)

Ректификация (14б)


Температуру жидкостей составов Ректификация и Ректификациянайдем используя диаграмму температура-состав (приложение1) и интерполяционную формулу Лагранжа.


Ректификация при Ректификация

Ректификация при Ректификация.


Тогда, используя формулы (14а, б), получим:


Ректификация748.75 кг/м3

Ректификациякг/м3

Ректификациякг/м3

Ректификациякг/м3.

Следует иметь в виду, что в формулах (13а, б) средняя концентрация легколетучего компонента в верхней и нижней частях колонны подставляется в массовых долях.


Ректификация

Ректификация.


Далее по формулам (13а, б):


Ректификациякг/м3

Ректификациякг/м3.


Плотность пара определяем по формуле:


Ректификация (15а)

Ректификация (15б)


где Т0 = 273 К; Ректификация - из формул (12а, б); Ректификация - средние температуры паров в верхней (индекс в) и нижней (индекс н) частях колонны, К.

Их определяем по диаграмме температура-состав (приложение 1), используя интерполяционную формулу Лагранжа.


Ректификация при Ректификация

Ректификация при Ректификация.


Тогда получим:


Ректификациякг/м3

Ректификациякг/м3.


Теперь определяем объемные расходы пара и жидкости:

Для жидкости:


Ректификация

Ректификация.

Для пара

Ректификация

Ректификация.


1.1.3 Гидравлический расчет колонны

Гидравлический расчет насадочных колонн включает в себя: определение рабочей скорости пара; определение диаметра колонны; расчет плотности орошения; расчет гидравлического сопротивления 1 м орошаемой насадки; определение активной поверхности насадки.

1.1.3.1 Определение рабочей скорости пара

В ректификационных колоннах при противотоке пара и жидкости необходимо знать так называемую рабочую скорость движения потоков пара, так как от этого зависит интенсивность процесса переноса целевого компонента между газовым потоком и пленкой жидкости. Чем больше скорость, тем интенсивнее процесс переноса, однако при больших скоростях сильно возрастает гидродинамическое сопротивление, что может привести к уносу жидкости из вертикального аппарата.

Для определения рабочей скорости сначала найдем предельную скорость пара wпр, при которой произойдет захлёбывание колонны. Для её нахождения используем экспериментальную зависимость, обобщающую многие экспериментальные данные для процесса ректификации и абсорбции [1].


Ректификация (16)


где Ректификация - предельная скорость пара в критических точках, м/с; а - удельная поверхность насадки, м2/м3; ε - свободный объём насадки, м3/м3; μх - динамический коэффициент вязкости жидкости, мПа∙с; Ректификация и Ректификация - массовые расходы жидкой и паровой (газовой) фаз, кг/с; Ректификация и Ректификация - плотность жидкости и пара соответственно, кг/м3; А и В - коэффициенты, значения которых можно найти в таблицах [1,2].

Динамический коэффициент вязкости жидкости в верхней и нижней частях колонны, в виду аддитивности данного свойства, найдем по формуле:


Ректификация (17а)

Ректификация (17б)

где Ректификация - средний мольный состав жидкостей в верхней и нижней частях колонны, Ректификация; m1 и m2 - динамические коэффициенты вязкости ацетона и метанола соответственно, Ректификация. Они зависят от температуры и подчиняются зависимостям:


Ректификация (18а)

Ректификация (18б)


Температуры жидкостей были найдены ранее:


Ректификация при Ректификация

Ректификация при Ректификация. Тогда:

Ректификация

Ректификация

Ректификация

Ректификация


Согласно уравнениям (17а, б) получим:


Ректификация

Ректификация


Далее рассмотрим каждый интересующий нас тип насадки.

Седла Берля 12.5 мм: (a = 460 м2/м3; e = 0.68 м3/м3; A = 0.340; B = 1.75)


Верхняя часть:


Ректификация

Ректификация

Ректификация.


Нижняя часть:


Ректификация

Ректификация , Ректификация.

Седла Берля 25 мм: (a = 260 м2/м3; e = 0.69 м3/м3; A = 0.415; B = 1.75)


Верхняя часть:


Ректификация

Ректификация

Ректификация.


Нижняя часть:


Ректификация

Ректификация

Ректификация.

Седла Берля 38 мм: (a = 165 м2/м3; e = 0.7 м3/м3; A = 0.415; B = 1.75)


Верхняя часть:


Ректификация

Ректификация

Ректификация.

Нижняя часть:


Ректификация

Ректификация

Ректификация.

Керамические кольца Рашига 25*25*3: (a = 204 м2/м3; e = 0.74 м3/м3; A = - 0.125; B = 1.75)


Верхняя часть:


Ректификация

Ректификация

Ректификация.

Нижняя часть:


Ректификация

Ректификация

Ректификация.

Керамические кольца Рашига 35*35*4: (a = 140 м2/м3; e = 0.78 м3/м3; A = - 0.125; B = 1.75)


Верхняя часть:


Ректификация

Ректификация

Ректификация.


Нижняя часть:


Ректификация

Ректификация

Ректификация.

Стальные кольца Рашига 25*25*0.8: (a = 220 м2/м3; e = 0.92 м3/м3; A = - 0.125; B = 1.75)


Верхняя часть:

Ректификация

Ректификация

Ректификация

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.
Подробнее

Поможем написать работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту

Похожие рефераты: