Проектирование ректификационной установки для разделения смеси бинарной бензол - уксусная кислота, производительностью по дистилляту 200 кг/ч - Курсовая работа
Описание технологической схемы установки для разделения бензола и уксусной кислоты. Материальный баланс колонны. Рабочее флегмовое число. Скорость пара, тепловой баланс. Приближённый расчёт теплообменной аппаратуры. Дефлегматор и холодильник дистиллята.
При низкой оригинальности работы "Проектирование ректификационной установки для разделения смеси бинарной бензол - уксусная кислота, производительностью по дистилляту 200 кг/ч", Вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100%
В качестве аппаратов служащих для проведения ректификации используются ректификационные колонны - состоящие из собственно колонны, где осуществляется противоточное контактирование пара и жидкости, и устройств, в которых происходит испарение жидкости и конденсация пара - куба и дефлегматора. Как в насадочных, так и в тарельчатых колоннах кинетическая энергия пара используется для преодоления гидравлического сопротивления контактных устройств и для создания динамической дисперсной системы пар - жидкость с большой межфазной поверхностью. Исходная смесь (обычно при температуре кипения) подается в колонну, где смешивается с так называемой извлеченной жидкостью, стекающей по контактным устройствам (тарелкам или насадке) исчерпывающей секции противотоком к поднимающемуся потоку пара.
Введение
Ректификация - один из способов разделения жидких смесей основанный на различном распределении компонентов смеси между жидкой и паровой фазами. В качестве аппаратов служащих для проведения ректификации используются ректификационные колонны - состоящие из собственно колонны, где осуществляется противоточное контактирование пара и жидкости, и устройств, в которых происходит испарение жидкости и конденсация пара - куба и дефлегматора. Колонна представляет собой вертикально стоящий полый цилиндр внутри которого установлены так называемые тарелки (контактные устройства различной конструкции) или помещен фигурный кусковой материал - насадка. Куб и дефлегматор - это обычно кожухотрубные теплообменники (находят применение также трубчатые печи и кубы-испарители.
Назначение тарелок и насадки - разделение межфазной поверхности и улучшение контакта между жидкостью и паром. Тарелки, как правило, снабжаются устройством для перелива жидкости. В качестве насадки ректификационных колонн обычно используются кольца, диаметр которых равен их высоте.
Как в насадочных, так и в тарельчатых колоннах кинетическая энергия пара используется для преодоления гидравлического сопротивления контактных устройств и для создания динамической дисперсной системы пар - жидкость с большой межфазной поверхностью. Существуют также ректификационные колонны с подводом механической энергии, в которых дисперсная система создается при вращении ротора, установленного по оси колонны. Роторные аппараты имеют меньший перепад давления по высоте, что особенно важно для вакуумных колонн.
По способу проведении различают - непрерывную и периодическую ректификацию. В первом случае разделяемая смесь непрерывно подается в ректификационную колонну, а из колонны непрерывно отводятся две или более число фракций, обогащенных одними компонентами и обедненных другими. Полная колонна состоит из двух секций укрепляющей и исчерпывающей. Исходная смесь (обычно при температуре кипения) подается в колонну, где смешивается с так называемой извлеченной жидкостью, стекающей по контактным устройствам (тарелкам или насадке) исчерпывающей секции противотоком к поднимающемуся потоку пара. Достигая низа колонны, жидкость обогащается тяжелолетучими компонентами. В низу жидкость частично испаряется в результате нагрева подводящимся теплоносителем, и пар снова поступает в исчерпывающую секцию. Пройдя ее, обогащенный легколетучими компонентами, пар поступает в дефлегматор, где обычно полностью конденсируется подходящим хладагентом. Полученная жидкость делится на два потока - дистиллят и флегму. Дистиллят является продуктовым потоком, а флегма поступает на орошение укрепляющей секции, по контактным устройствам которой стекает. Часть жидкости выводится из куба колонны в виде так называемого кубового остатка (также продуктовый поток).
Если исходную смесь нужно разделить непрерывным способом на число фракций больше двух, то применяется последовательное либо параллельно - последовательное соединение колонн.
При периодической ректификации исходная жидкая смесь единовременно загружается в куб колонны, емкость, которая соответствует желаемой производительности. Пары поступают в колонну и поднимаются к дефлегматору, где происходит их конденсация. В начальный период весь конденсат возвращается в колонну, что отвечает режиму полного орошения. Затем конденсат делится на дистиллят и флегму. По мере отбора дистиллята (либо при постоянном флегмовом числе, либо с его изменением из колонны выводятся сначала легколетучие компоненты, затем среднелетучие и так далее). Нужную фракцию (или фракции) отбирают в соответствующий сборник. Операция продолжается до полной переработки первоначально загруженной смеси.
Основные области промышленного применения ректификации - получение отдельных фракций и индивидуальных углеводородов из нефтяного сырья в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, окиси этилена, акрилонитрила, акрилхлорсиланов - в химической промышленности. Ректификация широко используется и в других отраслях народного хозяйства: коксохимической, лесохимической, пищевой, химико-фармацевтической промышленностях.
Задание по курсовому проектированию
Спроектировать ректификационную установку для непрерывного разделения смеси: бензол - уксусная кислота под атмосферным давлением. Сделать подробный расчет ректификационной колонны и водяного холодильника кубового остатка (режим движения теплоносителей - турбулентный). Куб-испаритель, подогреватель исходной смеси, холодильник дистиллята и воздушный дефлегматор рассчитать приближенно, используя коэффициенты теплопередачи из «Примеров и задач…». Выбрать стандартные аппараты. Сделать чертеж общего вида холодильника и эскиз технологической схемы установки.
Исходные данные для расчета
1. Колонна насадочная
2. Производительность установки по дистилляту 270 кг/час
3. Концентрация легколетучего компонента в исходной смеси 10 % масс
4. Концентрация легколетучего компонента в дистилляте 68 % масс
5. Концентрация легколетучего компонента в кубовом остатке 1 % масс
6. Температура исходной смеси 25 С°
7. Давление греющего пара 3.5 атм. (изб.).
1. Описание технологической схемы
Исходная смесь из промежуточной емкости Е1 центробежным насосом H1 подается в теплообменник П, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в середину ректификационной колонны КР на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси.
Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике К. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка, т.е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой), получаемой в дефлегматоре Д путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике Х2 и направляется в промежуточную емкость ЕЗ.
Из кубовой части колонны насосом непрерывно выводится кубовая жидкость -продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике X1 и направляется в емкость Е2.
Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента) и кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).
2. Расчеты
2.1 Расчет ректификационной колонны
Материальный баланс колонны
Производительность колонны по кубовому остатку и дистилляту определим из уравнений материального баланса колонны:
Отсюда находим:
Мольные доли воды в дистилляте, исходной смеси и в кубовой жидкости:
Расход исходной и кубовой жидкости:
Рабочее флегмовое число
Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются рабочим флегмовым числом R. Минимальное флегмовое число Rmin определяем по формуле:
где и - мольные доли легколетучего компонента соответственно в исходной смеси и дистилляте; - концентрация легколетучего компонента в паре, находящемся в равновесии с исходной смесью,
Рабочее флегмовое число:
Относительный мольный расход питания:
Уравнения рабочих линий: а) верхней (укрепляющей) части колонны б) нижней (исчерпывающей) части колоны
Диаграмма х-у с рабочими линиями
Расчет средних физических величин для смеси
Средние мольные доли бензола по колонне:
Средние мольные доли паров бензола по колонне (определяется по уравнениям рабочих линий):
Средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равны:
Мольные массы исходной смеси и дистиллята:
Средние массовые доли бензола в верхней и в нижней частях колонны:
Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости для верхней и нижней частей колонны определим из соотношений:
Средние массовые потоки пара в верхней и нижней частях колонны соответственно равны:
Средние мольные массы паров в верхней и нижней части колонны:
Из этого следует:
Средние температуры пара и жидкости определяем по диаграмме t - x, y: Для пара: а) при б) при
Для жидкости: а) при б) при
Плотности паров по колонне: , где
Плотность жидкой смеси в колонне:
Вязкости жидкой смеси находим по уравнению:
Поверхностное натяжение жидкой смеси:
Коэффициент диффузии в паровой фазе:
где T - средняя температура в соответствующей части колонны, К;
и - мольные объемы компонентов в жидком состоянии при температуре кипения
Мольные объемы компонентов находим как сумму атомных объемов:
Коэффициент диффузии в жидкости при средней температуре:
Коэффициент диффузии при 20 °С можно вычислить по приближенной формуле:
где A, B - коэффициенты, зависящие от свойств растворенного вещества и растворителя;
Вязкость смеси при температуре 20 °С:
Тогда коэффициент диффузии в жидкости для верхней части колонны при 20 °С равен:
Для нижней части колонны:
Температурный коэффициент b определим по формуле:
где и принимают при температуре 20 °С
Плотность жидкой смеси при температуре 20 по Цельсию:
Верхняя часть колонны
Нижняя часть колонны:
Отсюда:
Скорость пара и диаметр колонны
Выбор рабочей скорости паров обусловлен многими факторами и обычно осуществляется путем технико-экономического расчета для каждого конкретного процесса. Для ректификационных колонн, работающих в пленочном режиме при атмосферном давление, рабочую скорость можно принять на 20-30 % ниже скорости захлебывания. Предельную фиктивную скорость пара , при которой происходит захлебывание насадочных колонн, определяют по уравнению:
где - предельная скорость пара в критических точках, м/с; а - удельная поверхность насадки, м2/м3; ? - свободный объем насадки, м3/м3; ?х - динамический коэффициент вязкости жидкости, МПА•с; и - массовые расходы жидкой и паровой (газовой) фаз, кг/с; и - плотность пара и жидкости соответственно, кг/м3; А и В - коэффициенты.
Выбираем кольца Рашига 50 мм: Верх: Низ:
Рабочая скорость пара (газа) рассчитывается по соотношению:
Для определения диаметра колонны пользуются формулой:
где - объемный расход пара (газа) при рабочих условиях в колонне, м3/с.
Выбираем стандартный аппарат с диаметром 0.4 м для обеих частей колонны и уточняем рабочую скорость пара и Уточненную рабочую скорость проверяют по графической зависимости Эдулджи, где комплексы Y и X имеют следующий вид:
где - критерий Фруда рассчитывается по номинальному размеру насадки d (м); - критерий Рейнольдса (условный), также рассчитывается по номинальному размеру d; и - соответственно плотность воды и орошаемой жидкостью, кг/м3.
где и - объемные расходы жидкости и пара (газа), м3/с; U - плотность орошения.
Расчет плотности орошения производится по формуле:
где U - плотность орошения, м3/(м2•с); Vx - объемный расход жидкости, м3/с; S - площадь поперечного сечения колонны, м2.
Критерий Рейнольдса:
Критерий Фруда:
Рассчитаем КОМПЛЕКСЫУ и X:
Точки (Хв,Ув) и (Хн, Ун) лежат ниже линии захлебывания, которая соответствует неустойчивому режиму работы. Это означает, что работа колонны устойчива и выбор диаметра колонны правильный.
Определение гидравлического сопротивления 1 м насадки:
где скорость пара (газа) в свободном сечении насадки (действительная);
В результате получаем:
Полученный результат меньше допустимого, следовательно, необходимые параметры выбраны верно!
Активная поверхность насадки. При нагрузках ректификационной насадочной колонны ниже точки подвисания в большинстве случаев не вся поверхность насадки смочена жидкостью и не вся смоченная поверхность активна для процесса массопереноса. Доля активной поверхности насадки, участвующей в процессе массопереноса. Определяется по соотношению:
где U - плотность орошения, м3/(м2с) a - удельная поверхность насадки, м2/м3 p и q - постоянные, зависящие от типа и размера насадки (кольца Рашига 50 мм: 1.019 10-5 и 0.0086)
При расчете были соблюдены минимальные допустимые значения , следовательно, были правильно выбраны диаметр колонны и размер насадки кольца Рашига 50 мм.
Расчет высоты насадки и колонны.
Высоту насадки Н рассчитываем по модифицированному уравнению массопередачи.
Общее число единиц переноса вычисляют по уравнению:
Обычно этот интеграл определяют численными методами или методами графического интегрирования. Используем численный метод трапеции и программный код Mathcad находим общее число единиц переноса в верхней и нижней части колонны:
Находим общую высоту единиц переноса:
где - тангенс угла наклона рабочей линии или удельный расход жидкой фазы, . и - частные высоты единиц переноса по паровой и жидкой фазам, м.
Высота единицы переноса по паровой фазе:
где - высота единицы переноса по паровой фазе, м; ?- коэффициент, определяемый по рис; - диффузионный критерий Прандтля; - массовая плотность орошения, ; - массовый расход жидкости, ; D - диаметр колонны, м; z - высота насадки одной секции (z не должна превышать - 3 м), м; , - динамический коэффициент вязкости жидкости, МПА•с; ;
,
и - поверхностное натяжение воды при и жидкости при средней температуре в колонные, .
Высота единицы переноса для жидкой фазы: ректификационная колонна смесь бензол где - высота единиц переноса по жидкой фазе, м; Ф и с - коэффициенты, определяемые по рис. из учебных пособий; - диффузионный эффект Прандтля. Выбранные коэффициенты из графика: в: Ф =0,05 , с =1 , =200 ,
н: Ф =0,05 , с =1 , =215 ,
Рассчитаем высоту чисел переноса по жидкости: .
.
Тогда высота чисел переноса по пару равна:
Общая высота единиц переноса для верхней и нижней частей колонны:
Высота насадки для верха и низа колонны:
Общая высота насадки колонны:
Общую высоту колонны определяют по формуле:
где - высота насадки одной секции, м; - число секций ( ); - высота промежутков между секциями, м; и - высота сепарационного пространства над насадкой и расстояние между днищем колонны и насадкой, соответственно, м.
В соответствии с рекомендациями: Диаметр колонны, м , м , м
0,4 - 1,0 0,6 1,5
Величина зависит от размеров распределительных тарелок (ТСН-3) и при проектировании м.
Тогда общая высота колонны будет:
Расчет гидравлического сопротивления колонны
Гидравлическое сопротивление насадки при пленочном режиме находят по приближенному соотношению:
где b - коэффициент;
U - плотность орошения
Тепловой баланс ректификационной колонны
Тепловой баланс ректификационной колонны выражается общим уравнением:
где QK - тепловая нагрузка куба; QD -количество теплоты, передаваемой от пара к воде; Qпот - тепловые потери (5%); -теплоемкости соответствующие дистилляту, кубовому остатку и исходной смеси; - температуры соответствующие дистилляту, кубовому остатку и исходной смеси (находим из диаграммы «Зависимость температуры от равновесных составов пара и жидкости»): , , Найдем удельную теплоту конденсации паров дистиллята по аддитивной формуле:
Определим тепловую нагрузку дефлегматора:
Определим теплоемкости смеси: При температуре кипения кубовой жидкости:
При температуре кипения дистиллята:
При температуре кипения исходной смеси:
Тогда:
2.2 Приближенный расчет теплообменной аппаратуры
В качестве греющего агента выберем пар абсолютным давлением 3.5 кг·с/см2, выбор обусловлен тем, что разница между температурой кипения кубовой жидкости и пара должна составлять 20-25 градусов
Примем, что вода имеет начальную температуру 10°С.
Произведем ориентировочные расчеты пяти теплообменников: куба- испарителя, подогревателя и двух холодильников (дистиллята и кубового остатка).
Куб-испаритель
Исходные данные: Q=83430 Вт - тепловой баланс куба - испарителя тг.п.= 147°С - температура конденсации водяного пара
TW=117.576 °С - температура кипения кубовой жидкости
Средняя движущая сила:
Для куба-испарителя коэффициент теплопередачи Кор=1000Вт/(м2.К): Определим поверхность теплообмена по формуле: