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
и
необходимые
концентрации
(массовые), можно
найти производительность
колонны по
дистилляту
(
)
и кубовому
остатку (
)
на основании
уравнения
материального
баланса.
(1)
(2)
где
- массовые доли
легколетучего
компонента
в исходной
смеси, дистилляте
и кубовом остатке
соответственно,
.
Отсюда, решая систему двух уравнений с двумя неизвестными
получим:
Нагрузка ректификационной колонны по пару и жидкости определяется рабочим флегмовым числом R и уравнениями рабочих линий в верхней и нижней частях колонны.
(3)
где
- минимальное
флегмовое
число, вычисляемое
по формуле
(4)
где
- молярные доли
легколетучего
компонента
в жидкости,
;
- концентрация
легколетучего
компонента
в паре, находящегося
в равновесии
с жидкостью,
.
Для перехода
от массовых
долей легколетучего
компонента
к молярным
используем
соответствующие
формулы:
(5а),
(5б)
.
(5в)
где М1, М2 - молярные массы легколетучего компонента и инертной фазы (M1 = 58 кг/кмоль, M2 = 32 кг/кмоль). Тогда получим:
.
По
диаграмме y-x,
интерполяционной
формулой Лагранжа
(приложение2),
находим
при соответствующем
значении
:
.
Используя формулу (4) получим:
.
Далее по формуле (3):
.
Найдем уравнения рабочих линий:
а) для верхней (укрепляющей) части колонны:
(6),
(6а)
б) для нижней (исчерпывающей) части колонны:
(7)
где F - относительный молярный расход питания.
.
Уравнение
нижней части
имеет вид:
.
(7а)
1.1.2 Определение массовых и объёмных расходов пара и жидкости
Найдем
средние массовые
расходы жидкости
,
и пара
,
для верхней
(индекс в) и нижней
(индекс н) частей
колонны по
соответствующим
формулам:
Для жидкости:
(8)
(8а)
где
- мольные массы
дистиллята,
кубового остатка
и питания исходной
смеси, определяемые
по формулам
(9а, б, в), кг/кмоль;
- средние мольные
массы жидкостей
в верхней и
нижней частях
колонны, определяемые
по формулам
(10а, б), кг/кмоль.
(9а)
(9б)
(9в)
(10а)
(10б)
где
и
- средний молярный
состав жидкостей
в верхней и
нижней частях
колонны соответственно,
определяемый
по формулам:
.
Таким образом получим:
.
Подставляя полученные величины в уравнения (8) и (9) получим:
.
Для пара:
(11а) ,
(11б)
где
- средние мольные
массы паров
в верхней и
нижней частях
колонны, кг/кмоль,
определяемые
по формулам:
(12а)
.
(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).
.
Тогда получим:
.
Подставляя полученные величины в уравнения (12) и (13) получим:
.
Для нахождения средних объёмных расходов жидкости и пара в верхней и нижней частях колонны необходимо найти их средние плотности.
Плотность жидкости определяем по формуле:
(13а)
(13б)
где
- массовые
концентрации
легколетучего
компонента
в верхней (индекс
в) и нижней (индекс
н) частях колонны,
;
r1
и r2
- плотности
ацетона и метилового
спирта соответственно,
кг/м3. Они
зависят от
температуры
и подчиняются
зависимостям:
(14а)
(14б)
Температуру
жидкостей
составов
и
найдем
используя
диаграмму
температура-состав
(приложение1)
и интерполяционную
формулу Лагранжа.
при
при
.
Тогда, используя формулы (14а, б), получим:
748.75
кг/м3
кг/м3
кг/м3
кг/м3.
Следует иметь в виду, что в формулах (13а, б) средняя концентрация легколетучего компонента в верхней и нижней частях колонны подставляется в массовых долях.
.
Далее по формулам (13а, б):
кг/м3
кг/м3.
Плотность пара определяем по формуле:
(15а)
(15б)
где
Т0 = 273 К;
- из формул (12а,
б);
- 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.
при
при
.
Тогда получим:
кг/м3
кг/м3.
Теперь определяем объемные расходы пара и жидкости:
Для жидкости:
.
Для пара
.
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].
(16)
где
- 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;
и
- массовые расходы
жидкой и паровой
(газовой) фаз,
кг/с;
и
- 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:
(17а)
(17б)
где
- средний мольный
состав жидкостей
в верхней и
нижней частях
колонны,
;
m1
и m2
- динамические
коэффициенты
вязкости ацетона
и метанола
соответственно,
.
Они зависят
от температуры
и подчиняются
зависимостям:
(18а)
(18б)
Температуры жидкостей были найдены ранее:
при
при
.
Тогда:
Согласно уравнениям (17а, б) получим:
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:
.
Нижняя часть:
,
.
Седла Берля 25 мм: (a = 260 м2/м3; e = 0.69 м3/м3; A = 0.415; B = 1.75)
Верхняя часть:
.
Нижняя часть:
.
Седла Берля 38 мм: (a = 165 м2/м3; e = 0.7 м3/м3; A = 0.415; B = 1.75)
Верхняя часть:
.
Нижняя часть:
.
Керамические кольца Рашига 25*25*3: (a = 204 м2/м3; e = 0.74 м3/м3; A = - 0.125; B = 1.75)
Верхняя часть:
.
Нижняя часть:
.
Керамические кольца Рашига 35*35*4: (a = 140 м2/м3; e = 0.78 м3/м3; A = - 0.125; B = 1.75)
Верхняя часть:
.
Нижняя часть:
.
Стальные кольца Рашига 25*25*0.8: (a = 220 м2/м3; e = 0.92 м3/м3; A = - 0.125; B = 1.75)
Верхняя часть:
