Ректификационной установки для разделения бинарной установки

 

Государственное образовательное  учреждение высшего  профессионального  образования 
 
 
 
 
 

Расчетно – пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине 

«Процессы и аппараты химической технологии» на тему: 

« Проектирование тепло- и массообменной аппаратуры»

Расчет  ректификационной установки  для разделения бинарной установки 
 

Студент ______________________________                  

                                                         (подпись, дата, ф.и.о.)

Специальность _______________                             Шифр_________________

Руководитель  проекта________________________________

                                                      (подпись, дата, ф.и.о.)

Проект  защищен _________________    Оценка_________________________

                                     (дата) 
 
 
 

Содержание

Задание на курсовой проект………………………………………………....4

Введение……………………………………………………………………...5

1. Описание технологической схемы ректификационной колонны….9
2. Технологические расчеты……………………………………………11
1. Материальный баланс ректификационной колонны …………..11
2. Определение рабочего флегмового числа……………………….13
3. Построение линии равновесия и рабочих линий……………….14
3. Расчёт скорости пара и определение диаметра колонны…………..15
4. Расчёт гидравлического сопротивления ………..…………………..19
5. Расчёт высоты ректификационной колонны………………………..23
6. Тепловой расчет дефлегматора………………….…………………...27

Библиографический список……………………………………………..31

  
 
 
 
 
 
 
 
 

Задание на проектирование.

     Выполнить проект ректификационной установки  непрерывного действия для разделения бинарной смеси. Тип колонны : тарельчато-колпачковая . Колонна работает под атмосферным давлением. Исходная смесь, содержащая 35% низкокипящего компонента, имеет температуру 20ºС и перед подачей в колонну подогревается в кожухотрубчатом теплообменнике до температуры кипения. Давление греющего пара 0,2 МПа . Расход исходной смеси 2,0 кг/с . Содержание низкокипящего компонента в дистилляте 90% , в кубовом остатке 6% . В дефлегматоре пары дистиллята конденсируются полностью. Продукты разделения охлаждаются в холодильниках до 20ºС. Начальную температуру охлаждающей воды принять

15 ºС .Выполнить подробный расчет ректификационной колонны и подогревателя исходной смеси.

     Представить  технологическую схему установки  и выполнить чертёж ректификационной  колонны.

Исходные данные :

Исходная смесь  -  бензол- уксусная кислота.

  -  2.0 кг/с

р  - 0,2 МПа

x _F = 35% (мол.)

х _D = 90% (мол.)

x _W = 6% (мол.)

t_H  - 20ºС

t_К - 20ºС

t_в - 15ºС

Тип колонны : тарельчато-колпачковая

Теплообменник рассчитываемый подробно : подогреватель  исходной смеси.

     М_Б и М_УК – мольные масса бензола и уксусной кислоты

     М_Б= 78 кг/моль; М_УК= 60 кг/моль

Введение.

  В ряде производств  химической, нефтяной, пищевой и  других отраслей промышленности в результате различных технологических процессов  получают смеси жидкостей, которые  необходимо разделить на составные  части.

  Для разделения смесей жидкостей и сжиженных  газовых смесей в промышленности применяют способы простой перегонки (дистилляции), перегонки под вакуумом и с водяным паром, молекулярной перегонки и ректификации. Ректификацию широко используют в промышленности для полного разделения смесей летучих  жидкостей, частично или целиком  растворимых одна в другой.

  Сущность процесса ректификации сводится к выделению из смеси двух или в общем случае нескольких жидкостей с различными температурами кипения одной или нескольких жидкостей в более или менее чистом виде. Это достигается нагреванием и испарением такой смеси с последующим многократным тепло- и массообменом между жидкой и паровой фазами; в результате часть легколетучего компонента переходит из жидкой фазы в паровую, а часть менее летучего компонента—из паровой фазы в жидкую.

  Процесс ректификации осуществляют в ректификационной установке, включающей ректификационную колонну, дефлегматор, холодильник-конденсатор, подогреватель исходной смеси, сборники дистиллята и кубового остатка. Дефлегматор, холодильник-конденсатор и подогреватель  представляют собой обычные теплообменники. Основным аппаратом установки является ректификационная колонна, в которой  пары перегоняемой жидкости поднимаются  снизу, а навстречу парам сверху стекает жидкость, подаваемая в верхнюю  часть аппарата в виде флегмы. В  большинстве случаев конечными  продуктами являются дистиллят (сконденсированные  в дефлегматоре пары легколетучего  компонента, выходящие из верхней части колонны) и кубовый остаток (менее летучий компонент в жидком виде, вытекающий из нижней части колонны).

  Процесс ректификации может протекать при  атмосферном давлении, а также  при давлениях выше и ниже атмосферного. Под вакуумом ректификацию проводят, когда разделению подлежат высококипящие  жидкие смеси. Повышенные давления применяют  для разделения смесей, находящихся  в газообразном состоянии при  более низком давлении. Степень разделения смеси жидкостей на составляющие компоненты и чистота получаемых дистиллята и кубового остатка зависят  от того, насколько развита поверхность  фазового контакта, а следовательно, от количества орошающей жидкости (флегмы) и устройства ректификационной колонны.

     В промышленности применяют колпачковые, ситчатые, насадочные, пленочные трубчатые  колонны и центробежные пленочные  ректификаторы. Они различаются  в основном конструкцией внутреннего  устройства аппарата, назначение которого — обеспечение взаимодействия жидкости и пара. Это взаимодействие происходит при барботировании пара через слой жидкости на тарелках (колпачковых  или ситчатых) либо при поверхностном  контакте пара и жидкости на насадке  или поверхности жидкости, стекающей  тонкой пленкой.

     Колпачковые колонны

     Эти колонны наиболее распространены в  ректификационных установках. На рис.1. схематически изображена колонна небольшого диаметра, состоящая из тарелок 1, на каждой из которых имеется один колпачок 2 круглого сечения и патрубок 3 для прохода пара. Края колпачка погружены в жидкость. Благодаря этому на тарелке создается гидравлический затвор, и пар, выходящий из колпачка, должен проходить через слой жидкости, находящийся на тарелке. Колпачки имеют отверстия или зубчатые прорези для раздробления пара на мелкие пузырьки, т.е. для увеличения поверхности его соприкосновения с жидкостью.

     Приток  и отвод жидкости, а также высоту жидкости на тарелке регулируют при  помощи переливных трубок 4, которые  расположены на диаметрально противоположных  концах тарелки; поэтому жидкость течет  на соседних тарелках во взаимно противоположных  направлениях.

     Схема работы колпачковой тарелки изображена на рис. 2. Выходящие через прорези колпачки пузырьки пара сливаются в струйки, которые проходят через слой жидкости, находящейся на тарелке, и над жидкостью образуется слой пены и брызг, – основная область массообмена и теплообмена между паром и жидкостью на тарелке.

     При движении струйки пара обычно сливаются  друг с другом; при этом некоторая  часть сечения прорезей обнажается, и образуются каналы, по которым  газ проходит из-под колпачка сквозь жидкость. Поэтому поверхность взаимодействия газа с жидкостью непосредственно  в зоне барботажа невелика. Основная зона фазового контакта находится в  области пены и брызг над жидкостью, которые образуются вследствие распыления пара в жидкости и уноса брызг  при трении пара о жидкость.

     Рис. 1. Схема устройства тарельчатой (колпачковой) колонны: 1 – тарелка; 2 – колпачок; 3 – паровой патрубок; 4 – переливная трубка.

     Рис.2. Схема работы колпачковой тарелки. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Описание технологической схемы установки.

   Принципиальная  схема ректификационной установки  приведена на рис.1. Исходная смесь  из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подается в теплообменник 3, где подогревается до температуры  кипения. Нагретая смесь поступает  на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси X_F.

   Стекая  вниз по колонне, жидкость взаимодействует  с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой  жидкости в кипятильнике 4. Начальный  состав пара примерно равен составу  кубового остатка X_W, 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) состава X_P, которая получается в дефлегматоре 6 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выходит из дефлегматора в виде готового продукта разделения – дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7, и направляется в промежуточную емкость 8.

   Из  кубовой части колонны насосом 9 непрерывно выводится кубовая жидкость – продукт, обогащенный труднолетучим  компонентом, который охлаждается  в теплообменнике 10 и направляется в емкость 11.

   Таким образом, в ректификационной колонне  осуществляется непрерывный неравновесный  процесс разделения исходной смеси  на дистиллят с высоким содержанием  легколетучего компонента и кубовый  остаток, обогащенный труднолетучим  компонентом.

   Рис. 1. Принципиальная схема ректификационной установки

   1- Промежуточная ёмкость; 2- Центробежный  насос; 3- Теплообменник;

   4- Кипятильник; 5- Ректификационная колонна; 6- Дефлегматор;

   7- Теплообменник; 8- Промежуточная ёмкость; 9- Центробежный насос;

   10- Теплообменник; 11- Ёмкость. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Технологические расчёты.

2.1. Материальный баланс ректификационной колонны. 

     Составляем  материальный баланс колонны , рассчитаем массовые расходы исходной смеси, дистиллята, кубового остатка. Определим средние молярные массы дистиллята, кубового остатка, исходной смеси.  

5.1. Пересчитаем  составы фаз из мольных масс  в массовые по соотношению: 

=             ;         =  

  = = 0,41 

   = = 0,92 

= =  0,077 

     Расчёт  средних молекулярных масс дистиллята, исходной смеси и кубового остатка  производится по формулам:   

где -  молярная масса низкокипящего компонента; -  молярная масса высококипящего компонента. 

 

Производительность  по дистиляту и кубовому остатку определяют из уравнений материального баланса колонны

 

            ;      

Отсюда находим 

                   = = 0,79 кг/с