Расчет ректификационной колонны непрерывного действия для разделения смеси бензол-толуол

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение ……………………………………………………….	3
1 Конструкция и схема  установки ……………………………	5
1.1 Ректификационная колонна  непрерывного действия …..	5
1.2 Тарельчатые ректификационные  колонны ………………	6
2 Расчет ректификационной  колонны непрерывного действия для разделения смеси бензол-толуол ………………….	10
2.1 Анализ исходных  данных для расчетов и проектирования …………………………………………………….	10
2.2 Расчет материальных  потоков …………………………….	10
2.2 Определение флегмового  числа …………………………..	12
2.3 Расчет высоты и  диаметра ректификационной колонны ..	17
2.3.1 Расчет параметров  жидкостной смеси ………………….	17
2.3.2 Расчет параметров  смеси пара …………………………..	18
2.3.3 Определение среднего  диаметра колонны ……………..	19
2.4 Построение кинетической  кривой ………………………..	19
2.5 Тепловой расчет ректификационной колонны  ………….	24
2.5.1 Определение расхода  греющего пара ………………….	24
2.5.2 Определение поверхности  теплопередачи испарителя ..	28
2.5.3 Определение толщины  изоляции ……………………….	28
2.6 Конструктивный расчет  ректификационных колонн ……	28
2.7 Расчет гидравлического  сопротивления ректификационных  колонн ……………………………………….	29
2.8 Расчет дефлегматора ………………………………………	30
2.9 Расчет подогревателя  исходной смеси и холодильника  для охлаждения дистиллята и  кубового остатка ………………...	31
2.10 Расчет питающего  насоса ………………………………..	33
2.11 Расчет вместительности  и размеров хранили ..................	35
2.12 Выбор конструктивных  материалов для аппарата …….	35
Выводы ........................................................................................	37
Список использованной литературы …………………………	38

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Ректификация – это  массообменный процесс, который  осуществляется в большинстве случаев  в противоточных аппаратах (колонных) с контактными элементами (насадка, тарелки). Этот процесс основан на различной летучести составляющих смесь компонентов, т.е. на различии в температурах кипения компонентов при одинаковом давлении. Процесс ректификации осуществляют в аппаратах, называемых ректификационными колоннами. В промышленности наибольшее распространение получили тарельчатые ректификационные колонны с колпачковыми, ситчатыми, клапанными и решетчатыми тарелками.

Через ректификационную колонну противотоком движутся пар  и жидкость. Пар идет снизу вверх, жидкость стекает сверху вниз. На каждой тарелке колонны они вступают в контакт благодаря барботажу – прохождение пузырьков и струек пара через слой жидкости на тарелке. Вследствие отсутствия термодинамического равновесия между паром и жидкостью при этом возникают процессы тепло- и массообмена, в результате которого состояние двухфазной системы приближается к равновесному. Пар становится богаче более летучим (низкокипящим) компонентом, а жидкость – менее летучим (высококипящим). Температура пара падает, жидкости – возрастает.

Пар образуется в кубе-испарителе при кипении жидкости, стекающей в него с нижней тарелки колонны. Концентрация легколетучего компонента, как в жидкости, так и в образующемся при ее кипении паре – низкая. Из куба-испарителя пар поступает в колонну под нижнюю тарелку. По мере продвижения через тарелки пар все в большей степени обогащается легколетучим компонентом. С верхней тарелки пар уходит в конденсатор (дефлегматор), где он полностью конденсируется. Часть образовавшегося конденсата – жидкости с высокой концентрацией легколетучего компонента – поступает на верхнюю тарелку колонны. Эту часть жидкости называют флегмой. Остальную жидкость отбирают в качестве верхнего продукта – дистиллята. Флегма, стекая вниз по тарелкам, обедняется более летучим компонентом и приходит в куб-испаритель. Часть жидкости отбирают в качестве нижнего продукта разделения – кубового остатка. Исходную бинарную смесь (питание) подают на одну из тарелок средней части колонны, на которой состав жидкости близок к составу питания. Тарелка, на которую поступает исходная смесь, называется питающей. Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется процесс многократного контакта между неравновесными жидкой и паровой фазами.

Происходит непрерывный  процесс разделения подаваемой в  колонну исходной смеси на дистиллят и кубовый остаток. Концентрация получаемых продуктов разделения зависят от числа тарелок в колонне и от режима ее работы.

Для обогрева испарителей  ректификационных колонн наиболее часто  применяют насыщенный водяной пар. Реже используют электронагреватель, топочные газы и высокотемпературные органические теплоносители. Охлаждение конденсаторов (дефлегматоров) производят чаще всего водой.

Ректификацию можно  проводить периодическим и непрерывным  способом.

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.

Целью данной курсовой работы есть расчет и проектирование ректификационной установки непрерывного действия для  разделения смеси бензол – толуол.

 

1 КОНСТРУКЦИЯ И СХЕМА  УСТАНОВКИ

 

1.1 Ректификационная колонна  непрерывного действия

 

При непрерывной ректификации (рис. 1.1) смесь подаётся в среднюю  часть колонны через теплообменник 1, обогреваемый остатком или паром. В верхней части колонны 2, расположенной выше точки ввода смеси, происходит укрепление паров. В нижней части колонны 3, расположенной ниже точки ввода смеси, происходит исчерпывание жидкости. Из исчерпывающей колонны жидкость стекает в кипятильник (куб) 4, обогреваемый паром. В кипятильнике образуются пары, поднимающиеся вверх по колонне; остаток непрерывно отводится из куба. Пары, выходящие из укрепляющей части колонны, поступают в дефлегматор 5, откуда флегма возвращается в колонну, а дистиллят направляется в холодильник 7.

Ректификационные колонны  отличаются, в основном, конструкцией внутреннего устройства для распределения  жидкой и паровой фаз. Взаимодействие жидкости и пара осуществляется в  колоннах путём барботирования пара через слой жидкости на тарелках или  же путём поверхностного контакта пара и жидкости на насадке или на поверхности жидкости, стекающей тонкой плёнкой.

В ректификационных установках применяют три основных типа колонн:

1) колпачковые,

2) ситчатые,

3) насадочные,

4) барботажные.

Разработаны также конструкции аппаратов для ректификации, в которых интенсификация процесса разделения достигается под действием центробежной силы (центробежные ректификаторы).

 

Рисунок 1.1 - Схема ректификационной установки непрерывного действия:

1-теплообменник; 2-укрепляющая колонна; 3-исчерпывающая колонна; 4-кипятильник; 5-дефлегматор; 6-распределительный стакан; 7-холодильник; 8-вентиль, регулирующий отбор дистиллята.

 

1.2 Тарельчатые ректификационные  колонны

 

Наиболее распространенными  абсорбционными аппаратами являются тарельчатые колонны. По своему устройству они делятся на колонны с колпачковыми тарелками и колонны с ситчатыми тарелками.

Поскольку вариантом  задания предусмотрено проектирование ректификационную установку непрерывного действия с ситчатыми тарелками рассмотрим более подробно именно их конструкцию.

Колонны этого типа (рис. 1.2) состоят из вертикального цилиндрического корпуса 1 с горизонтальными тарелками 2, в которых просверливается значительное число мелких отверстий, равномерно распределенных по всей поверхности тарелки. Для слива жидкости и регулирования ее уровня на тарелке служат переливные трубки 3. Нижние концы трубок 3 погружены в стаканы 4 на лежащих ниже тарелках и образуют гидравлические затворы.

 

 

Рисунок 1.2 - Схема устройства ситчатой колонны: 1 – корпус; 2 – ситчатая тарелка; 3 – переливная трубка; 4 – стакан.

Пар проходит через отверстия  тарелки (рис. 1.3) и распределяется в жидкости в виде мелких струек; лишь на некотором расстоянии от дна тарелки образуется слой пены и брызг – основная область массообмена и теплообмена на тарелке.

 

 

Рисунок 1.3 - Схема работы ситчатой тарелки

 

В определенном диапазоне  нагрузок ситчатые тарелки обладают большим коэффициентом полезного действия (КПД), чем колпачковые. Однако допустимые нагрузки по жидкости и пару для ситчатых колонн относительно невелики. При слишком малой скорости пара (около 0,1 м/сек) происходит просачивание жидкости через отверстия тарелки и в связи с этим резкое падение КПД тарелки.

Давление и скорость пара, проходящего через отверстия сетки, должны быть достаточными для преодоления давления слоя жидкости на тарелке и должны препятствовать ее стекания через отверстия.

Проскок жидкости у ситчатых тарелок  возрастает с увеличением диаметра тарелки и отклонением ее от строго горизонтального положения. Поэтому диаметр и число отверстий следует подбирать так, чтобы жидкость удерживалась на тарелках и не увлекалась механически паром. Обычно диаметр отверстий ситчатых тарелок принимают равным 0,8 – 3 мм.

Ситчатые колонны эффективно работают только при определенных скоростях ректификации, и регулирование режима их работы затруднительно. Кроме того, ситчатые тарелки требуют весьма тщательной горизонтальной установки, так как иначе пары будут проходить через часть поверхности сетки, не соприкасаясь с жидкостью.

Ситчатые тарелки уступают колпачковым  по допустимому верхнему пределу  нагрузки; при значительных нагрузках  потеря напора в них больше, чем  у колпачковых.

При внезапном прекращении подвода  пара или значительном снижении его  давления тарелки ситчатой колонны полностью опоражниваются от жидкости, и требуется заново запускать колонну для достижения заданного режима ректификации.

Очистка, промывка и ремонт ситчатых тарелок производятся относительно удобно и легко.

Чувствительность к колебаниям нагрузки, а также загрязнениям и осадкам, которые образуются при перегонке кристаллизующихся веществ и быстро забивают отверстия тарелки, ограничивают область использования ситчатых колонн; их применяют, главным образом, при ректификации спирта и жидкого воздуха (кислородные установки).

Для повышения КПД в ситчатых тарелках (как и в колпачковых) создают более длительный контакт между жидкостью и паром.

 

 

2 РАСЧЕТ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСИ БЕНЗОЛ-ТОЛУОЛ

 

2.1 Анализ исходных данных для расчетов и проектирования

 

Согласно варианта задания необходимо рассчитать ректификационную колонну  непрерывного действия для разделения бинарной смеси бензол – толуол со следующими параметрами:

Производительность  кг/час.

Концентрации: % моль; % моль; % моль.

Давление греющего пара в кубе: 5 атм.

Давление в колонне: 1200 мм.рт.ст. = 0,16 МПа

Начальная температура  смеси, конечная температура дистиллята и кубовой жидкости – 30⁰.

Тип колонны – ситчатая.

В данном курсовом проекте  рассматривается смесь бензол –  толуол. Известно, что:

t _{кип бензол} = 80,2º С

t _{кип толуол} = 110,8º С

Следовательно, в качестве легколетучего компонента в дальнейшем по умолчанию будет рассматриваться бензол.

М_б = 78,11 кг/кмоль – молекулярная масса бензола;

М_т = 92,13 кг/кмоль – молекулярная масса толуола.

 

2.2 Расчет материальных  потоков

 

Материальные расчеты  процесса ректификации в основном производятся в мольных долях. если заданы процессы ректификации легколетучего компонента в массовых долях или процентах, перевод в мольные доли производится по формуле:

; ; .

Нам заданы именно мольные  доли, поэтому из данных уравнений нужно выразить  массовые доли: