Курсовая работа: Расчёт ректификационной установки непрерывного действия для разделения бинарной смеси ацетон-бензол

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

ПОЛОЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра технологии и оборудования переработки нефти и газа

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

ПО ПАХТ

НА ТЕМУ: «РАСЧЁТ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ БИНАРНОЙ СМЕСИ АЦЕТОН - БЕНЗОЛ»

Разработал:

Студент группы

Панурин Б.И.

Проверила:

Доц. Каф. ХТ и ОТ

Сафронова Е.В.

Новополоцк 2023

Содержание

Введение

1. Материальный баланс

2. Построение равновесной и рабочей линий и диаграммы

3. Определение скорости пара и диаметра колонны

4. Определение гидравлического сопротивления тарелок и давления в кубе колонны

5. Определение числа тарелок и высоты колонны

6. Расчет теплового баланса колонны

7. Расчет и подбор теплообменного оборудования

8. Расчет и подбор сырьевого насоса

9. Расчет и подбор штуцеров

Литература

Введение

Во многих производствах химической, нефтяной, пищевой и смежных с ними областях промышленности в результате технологических процессов получаются смеси жидкостей и газов.

Для разделения жидких смесей применяют способы простой перегонки (дистилляции), перегонки под вакуумом и с водяным паром, ректификации, экстракции, адсорбции и т.д.

Ректификация, называемая часто перегонкой, представляет собой термический процесс разделения жидких смесей на их составные части. Её широко используют в промышленности для наиболее полного разделения смесей летучих жидкостей, частично или целиком растворимых одна в другой. Ректификация заключается в противоточном взаимодействии паров, образующихся при перегонке, с жидкостью, получающейся при конденсации паров. Процесс ректификации осуществляется в установках, где происходит нагрев, испарение смеси, а затем многократный тепло - и массообмен между жидкой и паровой фазами, легкокипящий компонент переходит из жидкой фазы в паровую, а высококипящий компонент - из паровой фазы в жидкую.

Данный курсовой проект является работой по закреплению знаний, полученных при изучении курса ПАХТ. Его основой является расчет тарельчатой ректификационной установки для разделения бинарной смеси хлороформ-бензол.

Огромное разнообразие тарельчатых контактных устройств затрудняет выбор оптимальной конструкции тарелки. При этом наряду с общими требованиями (высокая интенсивность единицы объема аппарата, его стоимость и др.) ряд требований может определяться спецификой производства: большим интервалом устойчивой работы при изменении нагрузок по фазам, способностью тарелок работать в среде загрязненных жидкостей, возможность защиты от коррозии и т.п. Зачастую эти качества становятся превалирующими, определяющими пригодность той или иной конструкции для использования в каждом конкретном процессе.

Размеры тарельчатой колонны (диаметр и высота) обусловлены нагрузками по пару и жидкости, типом контактного устройства (тарелки), физическими свойствами взаимодействующих фаз.

Рис. 1. Принципиальная схема ректификационной установки

1 - емкость для исходной смеси; 2,9 - насосы; 3 - теплообменник-подогреватель; 4 - кипятильник; 5 - ректификационная колонна; 6 - дефлегматор; 7 - холодильник дистиллята; 8 - емкость для сбора дистиллята; 10 - холодильник кубовой жидкости; 11 - емкость для кубовой жидкости.

Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рис. 1. Исходную смесь из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подают в теплообменник 3, где она 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 жидкость (флегмой) состава x_Р, получаемой в дефлегматоре 6 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится 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 бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента) и кубовой остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).

ректификационная установка разделение смесь хлороформ бензол

1 Материальный баланс

Из уравнений материального баланса (7.4 и 7.5, [1]):

(1.1)

; (1.2)

где - массовые расходы сырья, дистиллята и кубового остатка соответственно.

(1.3)

. (1.4)

Для дальнейших расчетов необходимо перевести массовые концентрации низкокипящего компонента (ацетон) в мольные:

Исходная смесь:

Дистиллят:

Кубовой остаток:

где -молярная масса ацетона;

- молярная масса бензола.

2. Построение равновесной и рабочей линий и диаграммы

Для построения диаграммы t-x, y расчёт равновесных концентраций по паровой и жидкой фазам для давления 2000 мм.рт.ст. сведём таблицу 2.2

Таблица 2.2

Мольную концентрацию ацетона в жидкой фазе определим по закону Дальтона:

Мольную концентрацию бензола в паровой фазе определим по уравнению (6.8, [1]):

(2.2)

В результате получаем диаграмму для бинарной смеси хлороформ - бензол (рис. 2.2):

Рис. 2.2. Диаграмма .

где - мольные концентрация низкокипящего компонента (бензола) в жидкой и паровой фазе смеси хлороформ-бензол соответственно.

Далее используем данные, представленные в таблице 2.2, для построения равновесной линии () для заданной смеси.

Для построения рабочей линии необходимо найти флегмовое число R, чтобы это сделать найдем сначала минимальное флегмовое число по уравнению (7.10, [1]):

, (2.3)

где - мольная доля хлороформа в паре, равновесном с жидкостью питания. Находим из диаграммы :

Рис. 2.3. Диаграмма с изображением равновесной линии процесса ректификации.

Рабочее число флегма определяется по уравнению (7.12, [1]):

(2.5)

Для построения линий рабочих концентраций укрепляющей и исчерпывающей части колонны откладываем на оси абсцисс точки A, C, D (рис 2.4), соответствующие составам кубового остатка , исходной смеси и дистиллята , проводим через точки A и D вертикали до пересечения с диагональю и получаем точки A1, и D1. Откладываем на оси ординат отрезок OB, длина которого определяется соотношением . Через точки D₁ и B проводим прямую D₁B, а через точку C -- вертикаль до пересечения с линией D₁B и получаем точку C₁. Соединяем точки А₁ и C₁ линией A₁C₁. Отрезок C₁D₁ -- линия рабочих концентраций верхней части колонны, отрезок А₁С₁--линия концентраций нижней части колонны(рис.2.4). Число теоретических тарелок найдем путем построения ступенчатой линии между линией равновесия и линиями рабочих концентраций в пределах от до (рис. 5.1).

Уравнения рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части колонны:

(2.7)

б) нижней (исчерпывающей) части колонны:

где - относительный мольный расход исходной смеси:

Нанесем рабочие линии на диаграмму на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Диаграмма с изображением рабочих линий процесса ректификации.

3. Определение скорости пара и диаметра колонны

Средние концентрации жидкости:

а) в верхней части колонны:

б) в нижней части колонны:

Средние концентрации пара находим по уравнениям рабочих линий:

а) в верхней части колонны (2.7):

; (3.3)

б) в нижней части колонны (см. формула 2.11):

(3.4)

Средние температуры пара определяем по диаграмме (рис. 3.1):

Рис. 3.1. Диаграмма для нахождения температур пара и

Средние мольные массы и плотности пара:

а) в верхней части колонны:

(3.5)

;

б) в нижней части колонны:

(3.7)

;

Средняя плотность пара в колонне:

Температура в верху колонны при равняется , а в кубе-испарителе при она равна (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Диаграмма для нахождения температур пара и

Плотность жидкого бензола и жидкого ацетона определим по таблицам (табл. 19 и 29, [2]).

Плотность бензола и ацетона при :

(3.10)

Плотность ацетона и бензола при:

(3.11)

В верхней части колонны:

Средние плотности жидкости в колонне находим по формуле:

В верхней части колонны при

В нижней части колонны при :

Определяем скорость пара вверху и внизу колонны определим по уравнению (7.17 a, [1]):

По данным каталога-справочника «Колонные аппараты» [3] принимаем расстояние между тарелками . Для клапанных тарелок по графику (рис. 7.2, [1]) находим .

В верхней части колонны:

В нижней части колонны:

Объёмный расход проходящего через колонну пара при средней температуре в колонне:

где - мольная масса дистиллята, равная:

(3.17)

Объемный расход проходящего через колонну пара при средней температуре вверху колонны:

Внизу колонны:

Диаметр колонны:

Вверху колонны:

(3.20)

Внизу колонны:

(3.21)

Принимаем по каталогу-справочнику «Колонные аппараты» (тип ТКП ОСТ 26-02-1401-77) . Тогда скорость пара в колонне будет:

Вверху колонны:

Внизу колонны:

4. Определение числа тарелок и высоты колонны

Находим число ступеней изменения концентрации в колонне по диаграмме (рис. 5.1):

Рис. 4.1. Диаграмма c изображением теоретических тарелок.

В верхней части колонны , в нижней части колонны , всего 19 ступеней.

Число тарелок рассчитываем по уравнению (7.19, [1]):

где - число теоретических тарелок;

- средний к.п.д. тарелок.

Для определения среднего к.п.д. тарелок находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов

(4.2)

и динамический коэффициент вязкости исходной смеси при средней температуре, равной (см. табл. 2.2).

При этой температуре давление насыщенного пара бензола , хлороформа (табл. 2.2), откуда:

Динамический коэффициент вязкости бензола при равен , ацетона (табл. 9, [1]).

Принимаем динамический коэффициент вязкости смеси:

(4.3)

где концентрации низкокипящего компонента в исходном растворе.

Тогда:

(4.4)

По графику (рис. 7.4, [1]) находим . Длина пути жидкости на тарелке:

(4.5)

найдем из системы уравнений: (4.6)

где - радиус тарелки; - приближенное значение площади сегмента; П =1,24- периметр сливной перегородки.

Решение дает:

Тогда длина пути жидкости на тарелке:

По графику (рис. 7.5, [1]) находим значение поправки на длину пути . Средний к.п.д. тарелок определяем по уравнению (7.20, [1]):

(4.7)

Число тарелок:

а) в верхней части колонны:

(4.8)

б) в нижней части колонны: