Курсовая работа: Ректификация и ее применение

Содержание

Введение

1. Характеристика сырья и готовой продукции

2. Описание технологической схемы

3. Технологический расчёт

4. Гидравлический расчет тарелок

5. Описание основного аппарата

6. Охрана окружающей среды

Вывод

Литература

Введение

С развитием производственных технологий и мануфактур, а в особенности химической технологии XVII--XX веков появилась необходимость в комплексной инженерной науке, обобщающей закономерности технологических и производственных процессов, создающей методы расчётов аппаратов исходя из их принципов наиболее эффективного достижения целевого технологического эффекта. Процессы и аппараты - следует относить не просто к техническим наукам и дисциплинам, а к области высоких технологий и инноваций, интегрированным научным и инженерным знаниям. В развитых странах мира - подготовка специалистов в области процессного инжиниринга (химическая инженерия) - является основной. ректификация жидкий фаза

"Процессы и аппараты химической технологии" предусматривает изучение основных химико-технологические процессов, их физической сущности, теоретических основ, принципиальных схем осуществления этих процессов, конструкций типовых машин и аппаратов и методов их расчета, методов повышения производительности оборудования, способов интенсификации технологических процессов.

Ректификацией называется диффузионный процесс разделения жидких смесей взаимно растворимых компонентов, различающихся по температуре кипения, который осуществляют путем противоточного, многократного контактирования неравновесных паровой и жидкой фаз.

Применяется для получения продуктов с заданной концентрацией компонентов и высокими выходами, широко используется в нефтегазопереработке, химической, нефтехимической, пищевой и других отраслях промышленности.

Ректификацию широко применяют в промышленности, например, для получения этанола с отделением сивушных масел и альдегидных фракций, для выделения бензинов, керосинов и других фракций из нефти, а также получения компонентов воздуха (кислорода, азота, инертных газов).

1. Характеристика сырья и готовой продукции

Толуол получен впервые П. Пеллетье в 1835 при перегонке сосновой смолы. В 1838 выделен А. Девилем из бальзама, привезенного из города Толу в Колумбии, в честь которого получил своё название.

Бесцветная подвижная летучая жидкость с характерным запахом, проявляет слабое наркотическое действие. Смешивается в неограниченных количествах с углеводородами, многими спиртами, простыми и сложными эфирами, плохо растворяется в воде.

Показатель преломления для D-линии натрия 1,4969 при 20 °C. Горюч, горит коптящим пламенем.

Для толуола характерны реакции электрофильного замещения в ароматическом кольце и замещения в метильной группе по радикальному механизму. Электрофильное замещение в ароматическом кольце идёт преимущественно в орто- и пара-положениях относительно метильной группы. Кроме реакций замещения, толуол вступает в реакции присоединения (гидрирование), озонолиза. Некоторые окислители (щелочной раствор перманганата калия, разбавленная азотная кислота) окисляют метильную группу до карбоксильной. Температура самовоспламенения 535 °C. Температура вспышки 4 °C.

Впервые бензолсодержащие смеси, образующиеся в результате перегонки каменноугольной смолы, описал немецкий химик Иоганн Глаубер в книге Furni novi philosophici, опубликованной в 1651 году.

Бензол как индивидуальное вещество был описан Майклом Фарадеем, выделившим это вещество в 1825 году из конденсата светильного газа, получаемого коксованием угля. Вскоре, в 1833 году, получил бензол - при сухой перегонке кальциевой соли бензойной кислоты - и немецкий физико-химик Эйльгард Мичерлих. Именно после этого получения вещество стали называть бензолом. К 1860-м годам было известно, что соотношение количества атомов углерода и атомов водорода в молекуле бензола аналогично таковому у ацетилена, и эмпирическая формула их - CnHn. Изучением бензола серьёзно занялся немецкий химик Фридрих Август Кекуле, которому в 1865 году и удалось предложить правильную - циклическую формулу этого соединения.

Бензомл (C6H6, PhH; редко употребляемые синонимы: бензйн, фениловый водород) (циклогекса-1,3,5-триен органическое химическое соединение, бесцветная жидкость со специфическим сладковатым запахом. Простейший ароматический углеводород. Широко применяется в промышленности, является исходным сырьём для производства лекарств, различных пластмасс, синтетической резины, красителей. Хотя бензол входит в состав сырой нефти, в промышленных масштабах он синтезируется из других её компонентов. Токсичен, канцерогенен.

Бесцветная жидкость со своеобразным резким запахом. Температура плавления = 5,5 °C, температура кипения = 80,1 °C, плотность = 0,879 г/смі, молярная масса = 78,11 г/моль. Подобно ненасыщенным углеводородам бензол горит сильно коптящим пламенем. С воздухом образует взрывоопасные смеси, хорошо смешивается с эфиром, бензином и другими органическими растворителями, с водой образует азеотропную смесь с температурой кипения 69,25 °C (91 % бензола). Растворимость в воде 1,79 г/л (при 25 °C).

Коксование каменного угля был первым и служил основным источником бензола до Второй мировой войны. В настоящее время доля бензола, получаемого этим способом, составляет менее 10 %. Следует добавить, что бензол, получаемый из каменноугольной смолы, содержит значительное количество тиофена, что делает такой бензол сырьем, непригодным для ряда технологичных процессов.

Процесс каталитического риформинга бензиновых фракций нефти является основным источником бензола. В данном процессе кроме бензола образуются толуол и ксилолы.

2. Описание технологической схемы

Исходная смесь из промежуточной емкости 13 центробежным насосом 12 подается в теплообменник 1, где подогревается до температуры кипения насыщенным водяным паром. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 2 на тарелку питания верхнюю тарелку исчерпывающей части колонны, где смешивается с флегмой из укрепляющей части колонны. Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром. Образующимся кипение кубовых жидкости в кипятильнике. В результате этого из жидкости удаляется легко летучий компонент. Пар обогащённый НК поднимается вверх по колонне и поступает в делительный стакан 4 где конденсат разделяется на два потока один флегма возвращается на орошение колонны, второй дистиллят поступает в холодильник дистиллятор 5 и далее в промежуточную емкость 7 из кубовой части колонны непрерывно отводится кубовый остаток продукт, обогащённый ВК, который охлаждается в теплообменнике 6 и направляется в ёмкость 9. Подогреватель исходной смеси и кипятильник обогреваются насыщенным водяным паром образовавшийся конденсат возвращаться на ТЭЦ. Охлаждающая вода нагревается в холодильниках и дефлегматоре и поступает для охлаждения на градирню. После охлаждения вода возвращается в цикл.

Схема автоматизирована. Основными регулируемыми параметрами являются; 1) состав жидкости в верхней и нижней частях колонны; 2) расход и температура исходной смеси; 3) давление в верхней части колонны;4)температура и уровень жидкости в кубе.

Расход исходной смеси стабилизируется при помощи регулятора расхода. Диафрагма и исполнительное устройство этого регулятора устанавливаются до теплообменника, так как после нагрева исходной смеси до температуры кипения поток жидкости в теплообменнике содержит паровую фазу, что нарушает работу диафрагмы и исполнительного устройства.

Если исходная смесь поступает в колонну с меньшей температурой, чем температура кипения, то ее нужно подогреть парами, идущими из нижней части колонны. Конденсация паров при этом увеличивается, что нарушает весь режим процесса ректификации. Поэтому температуру исходной смеси стабилизируют изменением расхода пара, подаваемого в подогреватель 1.

Стабилизация давления в верхней части колонны необходима не только для поддержания заданного состава целевого продукта, но и для обеспечения нормального гидродинамического режима колонны. Давление стабилизируется путем изменения подачи охлаждающей воды, подаваемой в дефлегматор.

При уменьшении температуры жидкости в кубе при помощи регулятора температуры увеличивается расход пара в кипятильнике. Уровень жидкости в кубе стабилизируется путем изменения расхода кубового остатка.

Схемой предусмотрена стабилизация уровней жидкости в сборниках. В процессе ректификации контролируются расходы, давления, темпера­ туры технологических потоков при помощи контрольно-измерительных при­ боров (КИП).

3. Технологический расчёт

1. Рассчитать и спроектировать тарельчатую ректификационную колонну для разделения бинарной смеси бензол-толуол, производительностью F=20 т/ч. Исходные данные: Х_F = 17%; Х_Р=93%; Х_W=2%; t_F=29°С; Р = 0,38 МПа

G_D - массовый расход дистиллята, кг/ч

G_W - массовый расход кубового остатка, кг/ч

G_F - массовый расход питания колонны, кг/ч

G_D + G_W = G_F G_D + G_W = 20000

G_D•x_D + G_W•x_W = G_F·x_F G_D·0,93 + G_W·0,02 = 20000•0,17

Решая систему, находим:

G_W = 3906,25 кг/ч

G_D = 1093,75 кг/ч

Выразим концентрации в мольных долях:

Питание:

Дистиллят:

Кубовый остаток:

Относительный мольный расход питания:

Кривую равновесия строим по таблице:

По графику находим =0,5 при =0,14.

Определяем минимальное число флегмы:

Рабочее число флегмы:

R=1,3·R_min + 0,3 = 1,3·1,22 + 0,3 = 1,89

Запишем уравнения рабочих линий для:

а) верхней (укрепляющей) части колонны:

y = 0,65x + 0,32

б) нижней (исчерпывающей) части колонны:

y = 3,06x - 0,01

Определение скорости пара и диаметра колонны:

Средние концентрации жидкости:

а) в верхней части колонны:

х_.^| _ср = (x_F + x_D)/2 = (0,14 + 0,94)/2 = 0,54

б) в нижней части колонны:

х ^|| _ср. = (х_F + x_W)/2 = (0,14 + 0,004)/2 = 0,072

Средние концентрации пара находим по уравнению рабочих линий:

а) в верхней части колонны:

y ^|_ср. = 0,65•0,54 + 0,32 = 0,67

б) в нижней части колонны:

y ^||_ср. = 3,06·0,072 - 0,01 = 0,21

Средние температуры определяем по диаграмме t - x,y (график 2):

а) при у ^|_ср = 0,67 t ^|_ср = 78⁰С

б) при y ^||_ср = 0,21 t ^||_ср = 94⁰С

Средние мольные массы и плотности пара:

а) М ^|_ср=М_сп*у ^|_ср+М_вод*(1- у ^|_ср)

М ^|_ср = 0,67*32 +(1-0,67)*18 = 27,38 кг/моль

Т ^|_ср=273+ t^|_ср

б) М ^||_ср=М_сп*у ^||_ср+М_вод*(1- у ^||_ср)

Т ^||_ср =273+ t ^||_ср

М^||_ср = 0,21*32 +(1-0,21)*18 = 20,94 кг/моль

о п

Средняя плотность пара в колонне:

с_п = (с ^|_ср + с ^||_ср)/2 = (0,95+0,69)/2 = 0,82 кг/м ³

По диаграмме t - х, у (график 2) находим:

Температура вверху колонны при Х_D = 0,94 равна t = 65,5⁰С

в кубе-испарителе при Х_W = 0,006 равна t = 99⁰C

Плотность жидкого метанола при t = 65,5⁰С равна с = 750 кг/м ³,

Плотность воды при t = 99⁰С равна с = 957 кг/м ³

Средняя плотность жидкости в колонне:

с_ж = (957 + 750)/2 = 853,5 кг/м ³

Расстояние между тарелками принимаем h = 300 мм

Для колпачковых тарелок по графику рис.7.2 [1] находим С = 0,03

Скорость пара в колонне:

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

t_ср = (78 + 94)/2 = 86⁰С

где М_D - мольная масса дистиллята, равная

М_D = 0,97·32 + 0,01•18 = 31,22 кг/кмоль

Диаметр колонны:

Принимаем D = 1000 мм

Тогда скорость пара в колонне будет:

Определение числа тарелок и высоты колонны.

а) наносим на диаграмму х-у рабочие линии верхней и нижней части колонны и находим число ступеней изменения концентрации n_т.

В верхней части колонны n^|_т = 5, в нижней части n^||_т = 5. Всего 10 ступеней.

Число тарелок рассчитываем по уравнению:

- число теоретических тарелок

Для определения среднего КПД тарелок находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов б = Р_сп./Р_вод. И динамический коэффициент вязкости исходной смеси м при средней температуре в колонне t_ср = 86⁰С

При этой температуре давление насыщенного пара метилового спирта:

Р_сп = 1600 мм.рт.ст., воды Р_вод = 450,9 мм.рт.ст., откуда б = 1600/450,9 = 3,55

Динамический коэффициент вязкости метилового спирта при 86 ⁰С равен м_сп = 0,275 сП, воды м_вод = 0,335 сП

м_см = 0,22•0,275 + 0,78·0,335 = 0,32 сП

Тогда

По графику (рис.7.4) находим з = 0,45

Длина пути жидкости на тарелке:

К.П. Д. тарелок з = 0,45

Число тарелок:

в верхней части колонны: n^| = n^|_Т/з_l = 5/0,45 = 12

в нижней части колонны: n^|| = n^||_T/з_l = 5/0,45 = 12