Основные допущения при построении рабочих линий. Система уравнений материального баланса ректификационной колонны. Определение минимального и оптимального флегмового числа, производимого методом итераций. Мольная доля легколетучего компонента в дистилляте
При низкой оригинальности работы "Расчёт ректификационной установки непрерывного действия для разделения 18 000 кг/ч смеси бензол-толуол", Вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100%
Ректификация - процесс разделения жидкой гомогенной смеси летучих веществ, осуществляемый путем испарения части разделяемой жидкой смеси и последующей конденсации образующегося пара, с организацией массообмена между движущимися противотоком потоками жидкости и пара. Дополнительный контакт между фазами, организуемый при проведении процесса ректификации, приводит к массообмену, в результате которого паровая фаза обогащается, а жидкая фаза обедняется легколетучими компонентами. Ректификационная колонна состоит из трех основных элементов: куба-кипятильника, где производится испарение части разделяемой жидкой смеси; контактного устройства, представляющего собой цилиндрическую колонну и служащего для обеспечения массообмена между жидкой и паровой фазами; дефлегматора, где конденсируются поступающие из контактного устройства пары, часть которых отбирают в виде продукта (дистиллят), а другую часть направляют на орошение контактного устройства (флегма). В тарельчатой колонне межфазная поверхность образуется за счет барботажа пара через жидкость, в результате которого на тарелках образуется барботажный слой (пена), обладающий большой площадью поверхности контакта фаз. 1): исходная смесь (обозначается индексом F), кубовая жидкость (обозначается индексом W), дистиллят (обозначается индексом P или D), флегма (обозначается индексом Ф).
Введение
Цель работы
Целью курсового проектирования является приобретение навыков принятия самостоятельных конструктивных решений, усвоение последовательности разработки технологических установок, закрепление учебного материала по расчету основных процессов и аппаратов химической технологии.
Поставленная задача
Задачей курсового проекта является разработка промышленной ректификационной установки для разделения 18 000 кг/ч бинарной смеси бензол-толуол.
Основные понятия
Ректификация - процесс разделения жидкой гомогенной смеси летучих веществ, осуществляемый путем испарения части разделяемой жидкой смеси и последующей конденсации образующегося пара, с организацией массообмена между движущимися противотоком потоками жидкости и пара.
Необходимым условием для проведения процесса ректификации является различие составов кипящей жидкости и равновесного с ней пара. Это различие обусловлено разной летучестью компонентов, образующих смесь, в результате чего в паровую фазу переходит преимущественно легколетучие компоненты. Дополнительный контакт между фазами, организуемый при проведении процесса ректификации, приводит к массообмену, в результате которого паровая фаза обогащается, а жидкая фаза обедняется легколетучими компонентами.
Аппарат, в котором осуществляется процесс ректификации, называют ректификационной колонной. Ректификационная колонна состоит из трех основных элементов: куба-кипятильника, где производится испарение части разделяемой жидкой смеси; контактного устройства, представляющего собой цилиндрическую колонну и служащего для обеспечения массообмена между жидкой и паровой фазами; дефлегматора, где конденсируются поступающие из контактного устройства пары, часть которых отбирают в виде продукта (дистиллят), а другую часть направляют на орошение контактного устройства (флегма).
Контактное устройство - устройство, увеличивающее площадь поверхности контакта между жидкой и паровой фазами и, тем самым, интенсифицирующее массообмен между фазами. Контактное устройство представляет собой цилиндрическую колонну, заполненную элементами насадки (насадочная колонна), либо снабженную барботажными тарелками (тарельчатая колонна). В насадочной колонне, работающей в пленочном режиме, межфазная поверхность образуется за счет пленочного течения жидкости по элементам насадки. В тарельчатой колонне межфазная поверхность образуется за счет барботажа пара через жидкость, в результате которого на тарелках образуется барботажный слой (пена), обладающий большой площадью поверхности контакта фаз.
Основные потоки в ректификационной установке (рис. 1): исходная смесь (обозначается индексом F), кубовая жидкость (обозначается индексом W), дистиллят (обозначается индексом P или D), флегма (обозначается индексом Ф). Кубовая жидкость - жидкость, обогащенная высококипящими компонентами, отбираемая из куба ректификационной колонны в качестве нижнего продукта. Дистиллят - часть образующегося в дефлегматоре конденсата, отбираемая в качестве верхнего продукта. Флегма - часть образующегося в дефлегматоре конденсата, возвращаемая на орошение контактного устройства. Кроме вышеперечисленных выделяют также потоки внутри самой колонны: нисходящий поток жидкости (обозначается индексом L) и восходящий поток пара (обозначается индексом G).
Ректификационная колонна разделяется на нижнюю (исчерпывающую) и верхнюю (укрепляющую) части. К верхней части относится та часть контактного устройства, что находится выше точки ввода исходной смеси. Сама точка ввода исходной смеси и часть контактного устройства, находящаяся ниже этой точки, относятся к нижней части ректификационной колонны. Ввод исходной смеси осуществляется на предназначенную для этого тарелку, называемую тарелкой питания. Тарелка питания присутствует как в тарельчатой, так и в насадочной колонне. Верхняя часть колонны орошается потоком флегмы (LB = Ф), нижняя часть суммарным потоком исходной смеси и флегмы (LH = F Ф).
Рис. 1. Основные потоки в ректификационной колонне
Наиболее простым методом расчета насадочной ректификационной колонны является расчет через число единиц переноса, применяемый для расчета бинарной ректификации. Этот метод является частным случаем метода расчета через основное уравнение массопередачи. Метод включает построение линии равновесия, рабочей линии и линии питания на графике зависимости состава паровой фазы от состава жидкой фазы (x,y-диаграмма). Построение вышеперечисленных линий на диаграмме представлено на рис. 2. Линия равновесия - кривая, характеризующая зависимость состава пара от состава жидкости в состоянии межфазного равновесия y* = f(x). Рабочая линия - кривая, характеризующая реальную зависимость состава пара от состава жидкости в ректификационной колонне y = f(x). Движущей силой процесса ректификации является разность между равновесным и рабочим составами пара ?y = y* - y. Линия питания - прямая, являющаяся геометрическим местом точек пересечения рабочих линий для укрепляющей и исчерпывающей части колонны.
Рис. 2. Бинарная ректификация на x,y-диаграмме: 1 - линия равновесия; 2 - линия питания;
3, 4 - рабочая линия нижней и верхней части, соответственно Положение линии питания на x,y-диаграмме зависит от температуры и фазового состояния смеси, подаваемой в колонну. В том случае, если смесь подается в колонну в виде жидкости, нагретой до температуры кипения, линия питания занимает вертикальное положение. Если температура жидкой смеси ниже температуры кипения (недогретая смесь), то линия питания отклоняется вправо (поворачивается по часовой стрелке относительно точки пересечения с диагональю, как это показано на рис. 2). При подаче в колонну перегретой жидкой смеси или парожидкостной смеси (ректификация с долей пара в питании), линия питания отклоняется влево (против часовой стрелки). Отклонение происходит тем дальше, чем больше доля пара в смеси. В случае питания колонны паровой смесью, линия питания занимает горизонтальное положение.
Числом единиц переноса называют отношение изменения концентрации в колонне к движущей силе массопередачи. При расчете насадочной ректификационной колонны находят число единиц переноса по паровой фазе методом графического интегрирования. Для этого на основе рабочей и равновесной линии строят графическую зависимость f(y) = 1/(y*-y), и находят площади двух криволинейных трапеций.
Основные допущения при построении рабочих линий
При графоаналитическом расчете бинарной ректификации принимают ряд допущений, позволяющих упростить построение рабочей линии процесса ректификации на x,y-диаграмме.
2) Отсутствие теплового эффекта смешения компонентов ?HСМ = 0;
3) Отсутствие тепловых потерь в окружающую среду Qп = 0;
4) Отсутствие разделяющего действия кипятильника и дефлегматора, выражающееся в равенстве составов жидкости и пара в этих аппаратах XW = YW, XP = YP.
Следствия из допущений: 1) Из допущений 1-3 следует, что при конденсации из пара 1 моля высококипящего компонента выделяется ровно столько тепловой энергии, сколько необходимо на испарение из жидкости 1 моля низкокипящего компонента, и это тепло не теряется и целиком идет на испарение. В результате мольные потоки жидкости и пара постоянны в пределах рассматриваемой части колонны, что в итоге дает возможность считать рабочие линии прямыми.
2) Из допущения 4 следует, что рабочая линия нижней части колонны пересекает диагональ в точке XW, а рабочая линия верхней части колонны пересекает диагональ в точке XP.
Основные сечения колонны
Расчет бинарной ректификации с построением рабочих линий на x,y-диаграмме подразумевает расчет нескольких ключевых сечений. В пособии [1, с. 227-235] представлен расчет по средним сечениям верхней и нижней части ректификационной колонны. Однако усреднение проведено не по составам, а по всем рассчитываемым параметрам и свойствам, что допустимо с учетом невысокой точности расчета, но делает расчет более громоздким. Поэтому корректней высоту насадки, соответствующую единице переноса по газовой фазе, считать по средним составам жидкости.
В данной работе ограничимся рассмотрением шести сечений (рис. 3): Сечение W - нижнее сечение колонны, соответствует точке входа в колонну потока пара из куба-кипятильника и составу жидкости XW;
Сечение Н - среднее сечение нижней части колонны, соответствует составу жидкости x = (XW XF)/2;
Сечение F - тарелка питания колонны, соответствует точке ввода в колонну исходной смеси и составу жидкости XF;
Сечение F" - тарелка над точкой питания, соответствует точке, находящейся чуть выше точки ввода питания, и так же, как и сечение F, соответствует составу жидкости XF, однако относится уже не к нижней, а к верхней части колонны;
Сечение В - среднее сечение верхней части колонны, соответствует составу жидкости x = (XF XP)/2;
Сечение P - верхнее сечение колонны, соответствует точке ввода флегмы и составу жидкости XP.
Рис. 3. Основные сечения колонны
В соответствии с допущением, считаем мольный расход паровой фазы постоянным по всей высоте колонны. Объемный расход паровой фазы увеличивается с ростом температуры и уменьшается с ростом давления. Поскольку в первом приближении мы пренебрегаем гидравлическим сопротивлением колонны и изменением давления по ее высоте, то считаем объемный расход паровой фазы зависящим только от температуры. Следовательно, наибольший объемный расход паровой фазы будет наблюдаться для сечения W, где наблюдается наибольшая температура. Поэтому при расчете диаметра колонны рекомендовано ориентироваться на это сечение.
Материальный баланс
Система уравнений материального баланса ректификационной колонны:
Массовые расходы исходной смеси, дистиллята и кубовой жидкости: ;
Кубовая жидкость W 11,78 3,271 0,03561 128,2 0,0170 0,0200 91,86
Исходная смесь F 18,00 5,000 0,05768 207,6 0,3500 0,3884 86,69
Дистиллят D 6,22 1,729 0,02207 79,4 0,9800 0,9830 78,35
Определение минимального флегмового числа
Данные по парожидкостному равновесию для системы бензол-толуол взяты из [2, с. 783-785] таблицы №1453, 1454, 1457, 1458 (давление 760 мм. рт. ст.).
Равновесный состав жидкости на тарелке питания в случае подачи в колонну исходной смеси, нагретой до температуры кипения (вертикальное положение линии питания), равен составу исходной смеси: .
Равновесный состав пара на тарелке питания определяется по линии равновесия (графически или линейной интерполяцией по табличным данным): .
Минимальное флегмовое число: .
Определение оптимального флегмового числа
Определение оптимального флегмового числа производится методом итераций. Задаем начальное значение коэффициента избытка флегмы и итерационный шаг .
Оптимальным флегмовым числом считаем флегмовое число, соответствующее минимальному объему ректификационной колонны. Поскольку высота колонны пропорциональна числу теоретических ступеней (тарелок) , а площадь сечения колонны пропорциональна флегмовому числу плюс единица , то объем колонны, равный произведению площади сечения на высоту, пропорционален произведению этих величин . Таким образом коэффициент оптимизации .
Первая итерация
Коэффициент избытка флегмы: .
Флегмовое число: .
Число теоретических ступеней (тарелок) находим по x-y диаграмме, предварительно построив рабочие линии, соответствующие флегмовому числу данной итерации: (см. Приложение, с. ??).
Коэффициент оптимизации: .
Вторая итерация
Коэффициент избытка флегмы: .
Флегмовое число: .
Число теоретических ступеней: (см. Приложение, с. ??).
Коэффициент оптимизации: .
Таблица 3. Определение оптимального флегмового числа
№ итерации Коэф. избытка флегмы ? Флегмовое число R Число теор. ступеней NTT Коэф. оптимизации k
1 1,20 2,111 19,9 61,9
2 1,25 2,199 18,8 60,1
3 1,30 2,287 18,0 59,3
4 1,35 2,375 17,4 58,7
5 1,40 2,463 16,8 58,1
6 1,45 2,551 16,4 58,1
7 1,50 2,639 16,0 58,2
8 1,55 2,726 15,7 58,5
9 1,60 2,814 15,4 58,6
10 1,65 2,902 15,0 58,7
11 1,70 2,990 14,7 58,7
Рис. 6. Определение минимума коэффициента оптимизации k = NTT·(R 1)
Список литературы
Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию. Под ред. Дытнерского Ю. И.
В. Б. Коган, И. М. Фридман, В. В. Кафаров. Равновесие между жидкостью и паром. Справочное пособие. Книга вторая. «Наука». М.-Л. 1966.
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
