Реферат: Расчет разделения смеси диоксан-толуол в насадочной ректификационной колонне

Министерство общего и профессиональногообразования РФ

Алтайский государственный технический университет

им. И. И. Ползунова

Кафедра химической техники и инженерной экологии

Курсовойпроект защищён

соценкой ______________

Руководительканд. техн.

наук,доцент Андреева Н. Г.

Насадочная ректификационнаяколонна

для разделения бинарной смесидиоксан – толуола

Пояснительная записка курсового проекта по дисциплине

«Процессы и аппараты химической технологии»

КП 68.170500.29.000.ПЗ

Проект выполнил студент

гр. МАХП -01

Нормоконтролёр

канд. техн. наук, доцент Андреева Н. Г.

Барнаул 2004
Содержание

TOC o «1-3» h z u Введение. PAGEREF _Toc67021310 h 3

1 Физико – химические основы… PAGEREF _Toc67021311 h 4

2 Технологическая схема ректификационной установки. PAGEREF _Toc67021312 h 6

3 Расчётная часть. PAGEREF _Toc67021313 h 8

3.1 Задание и исходные данные. PAGEREF _Toc67021314 h 8

3.2 Материальный баланс и рабочее флегмовое число. PAGEREF _Toc67021315 h 9

3.3 Скорость пара и диаметр колонны… PAGEREF _Toc67021316 h 12

3.4 Высота слоя насадки и колонны… PAGEREF _Toc67021317 h 13

3.5 Гидравлическое сопротивление насадки. PAGEREF _Toc67021318 h 15

3.6 Тепловой расчет установки.PAGEREF _Toc67021319 h 15

4 Механический расчет установки. PAGEREF _Toc67021320 h 17

4.1 Расчет толщины обечаек. PAGEREF _Toc67021321 h 17

4.2 Расчет толщина крышки и днища. PAGEREF _Toc67021322 h 18

4.3 Расчёт изоляции колонны… PAGEREF _Toc67021323 h 18

4.4 Расчёт штуцеров.PAGEREF _Toc67021324 h 19

4.4.1 Штуцер для ввода исходной смеси.PAGEREF _Toc67021325 h 19

4.4.2 Штуцер для ввода флегмы… PAGEREF _Toc67021326 h 19

4.4.3 Штуцер для отвода кубового остатка. PAGEREF _Toc67021327 h 19

4.4.4 Штуцер для вывода паров дистиллята. PAGEREF _Toc67021328 h 19

4.4.5 Штуцер для ввода паров кубовой смеси. PAGEREF _Toc67021329 h 20

4.5 Емкости. PAGEREF _Toc67021330 h 20

4.6 Насосы… PAGEREF _Toc67021331 h 21

Заключение. PAGEREF _Toc67021332 h 23

Список использованной литературы… PAGEREF _Toc67021333 h 24

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

Приложение Д

Введение

Ректификация – процессразделения гомогенных смесей летучих жидкостей путём двустороннего массообменаи теплообмена между неравновесными жидкой и паровой фазами, имеющими различнуютемпературу и движущимися противоположно друг другу.

Разделение осуществляетсяобычно в колонных аппаратах при многократном или непрерывном контакте фаз. Прикаждом контакте из жидкости испаряетсяпреимущественно низкокипящий компонент,которым обогащаются пары, а из паровой конденсируется преимущественновысококипящий компонент переходящий вжидкость. В результате обмена компонентами между фазами в конечном счете парыпредставляют собой почти чистый низкокипящий компонент. Эти пары выходящие изверхней части колоны после их конденсации в отдельном аппарате дают дистиллят(верхний продукт) и флегму — жидкость, возвращающую для орошения колоны ивзаимодействия с поднимающимися в колоне парами. Снизу удаляется жидкостьпредставляющая собой почти чистый высококипящий компонент — кубовый остаток(нижний продукт). Часть остатка испаряют в нижней части колоны для получениявосходящего потока пара.

Ректификация известна сначала девятнадцатого века, как один из важнейших технологических процессовглавным образом спиртовой и нефтяной промышленности. В настоящее времяректификацию всё шире применяют в самых различных областях химическойтехнологии, где выделение компонентов в чистом виде имеет весьма важноезначение (в производных органического синтеза, изотопов, полупроводников иразличных других веществ высокой чистоты).

1 Физико – химические основы

Достаточновысокая степень разделения однородных жидких смесей на компоненты может быть достигнутапутем ректификации. Сущность процессов, из которых складывается ректификация, иполучаемые при этом результаты можно проследить с помощью t – х – у – диаграммы.

Нагревисходную смесь состава x1 до температуры кипения получим находящийсяв равновесии с жидкостью пар (точка b). Отбор и конденсация этого пара даютжидкость состава х2 обогащенную НК (х2>х1).Нагревэту жидкость до температуры кипения t2, получим пар (точка d), конденсация которого дает жидкость с ещебольшим содержанием НК, имеющую состав x3, и т. д. Проводя таким образом последовательно рядпроцессов испарения жидкости и конденсации паров, можно получить в итогежидкость (дистиллят), представляющую собой практически чистый НК.

Аналогично, исходя из паровой фазы,соответствующей составу жидкости x4, путем проведения рядапоследовательных процессов конденсации и испарения можно получить жидкость(остаток), состоящую почти целиком из ВК.

Впростейшем виде процесс многократного испарения можно осуществить в многоступенчатойустановке, в первой ступени которой испаряется исходная смесь. На вторуюступень поступает на испарение жидкость, оставшаяся после отделения паров впервой ступени, в третьей ступени испаряется жидкость, поступившая из второйступени (после отбора из последней паров) и т. д. Аналогично может бытьорганизован процесс многократной конденсации, при котором на каждую следующуюступень поступают для конденсации пары, оставшиеся после отделения от нихжидкости (конденсата) в предыдущей ступени.

Придостаточно большом числе ступеней таким путем можно получить жидкую или паровуюфазу с достаточно высокой концентрацией компонента, которым она обогащается.Однако выход этой фазы будет мал по отношению к ее количеству в исходной смеси.Кроме того, описанные установки отличаются громоздкостью и большими потерямитепла в окружающую среду.

Значительноболее экономичное, полное и четкое разделение смесей на компоненты достигаетсяв процессах ректификации, проводимых обычно в более компактных аппаратах- ректификационных колоннах.

Привзаимодействии фаз между ними происходит массо- и теплообмен обусловленныестремлением системы к состоянию равновесия.

Врезультате каждого контакта компоненты перераспределяются между фазами: парнесколько обогащается ПК, а жидкость — ВК.

Многократное контактированиеприводит к практически полному разделению исходной смеси.

Таким образом, отсутствиеравновесия (и соответственно наличие разности температур фаз) при движении фазс определенной относительной скоростью и многократном их контактированииявляются необходимыми условиями проведения ректификации.

Рис1.1 Изображение процесса разделениябинарной смеси путем ректификации на диаграмме t—х—у

Процессы ректификацииосуществляются периодически или непрерывно при различных давлениях: приатмосферном давлении, под вакуумом (для разделения смесей высококипящихвеществ), а также под давлением больше атмосферного (для разделения смесей,являющихся газообразными при нормальных температурах).

2 Технологическая схема ректификационной установки

Принципиальная схемаректификационной установки приведена на рисунке 2.1:

Рис.2.1: Принципиальная схемаректификационной установки:

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

Исходную смесь изпромежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подают втеплообменник 3, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесьпоступает на разделение в ректификационную колонну 5, где состав жидкостиравен составу исходной смеси xF.

Стекая вниз по колонне,жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипениикубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равенсоставу кубового остатка ХW, т. е. обедненлегколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащаетсялегколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонныорошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава хР,получаемой в дефлегматоре 6 путем конденсации пара, выходящего изколонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продуктаразделения — дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7 и направляетсяв промежуточную емкость 8.

Из кубовой части колоннынасосом 9 непрерывно выводится кубовая жидкость — продукт, обогащенныйтруднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 10 инаправляется в емкость 11.

Таким образом, вректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процессразделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучегокомпонента) и кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).

3 Расчётная часть3.1 Задание и исходные данные

Необходиморассчитать насадочную ректификационную колонну для разделения бинарной смесидиоксан – толуол. GD=1000 кг/ч, xF=45% (мол.), xD=90% (мол.), xW=2%(мол.). Давление в колонне составляет 600 мм рт. ст., смесь поступает притемпературе кипения. Равновесные даны о паре и t-x,yдиаграмма представлены ниже.

Таблица 3.1. Данные о

равновесном составе пара

x%, мол.

y*%, мол.

Рис. 3.1. Диаграмма равновесия между паром и жидкостью при постоянном давлении в координатах t-x,y

8,7

12,9

100,72

600

15,2

99,58

23,2

31,8

98,38

40,6

97,38

41,8

96,16

44,9

53,5

96,08

51,4

59,7

95,38

62,2

68,9

94,55

70,5

74,9

94,31

80,6

83,1

93,93

90,8

93,65

Расчетректификационной колонны сводится к определению ее основных геометрическихразмеров — диаметра и высоты. Оба параметра в значительной мере определяютсягидродинамическим режимом работы колонны, который, в свою очередь, зависит, отскоростей и физических свойств фаз, а также от типа и размеров насадок.

Припроведении процессов вакуумной ректификации с целью снижения гидравлическогосопротивления выбирают специальные виды насадок, обладающих большим свободнымобъемом. Наиболее правильно выбор оптимального типа и размера насадки можетбыть осуществлен на основе технико-экономического анализа общих затрат наразделение в конкретном технологическом процессе.

Ориентировочныйвыбор размера насадочных тел можно осуществить исходя из следующих соображений.Чем больше размер элемента насадки, тем больше ее свободный объем (живоесечение) и, следовательно, выше производительность. Однако вследствие меньшейудельной поверхности эффективность крупных насадок несколько ниже. Поэтомунасадку большого размера применяют, когда требуются высокая производительность и сравнительно невысокая степень чистоты продуктов разделения.

Вректификационных колоннах для разделения агрессивных жидкостей, а также в техслучаях, когда не требуется частая чистка аппарата, обычно применяюткерамические кольца Рашига. Но вследствие малой удельной поверхности такихколец и плохой разделяемости данной жидкости для данного случая примем насадкуиз керамических колец Палля размером 35х35х4. Удельная поверхность такойнасадки а=165 м2/м3, свободный объём ε=0,76 м3/м3,насыпная плотность 540 кг/ м3 , dэ=0,018, число штук в м3 18500.

Насадочныеколонны могут работать в различных гидродинамических режимах: пленочном,подвисания и эмульгирования. В колоннах большой производительности с крупнойнасадкой осуществление процесса в режиме эмульгирования приводит к резкомууменьшению эффективности разделения, что объясняется существенным возрастаниемобратного перемешивания жидкости и значительной неравномерностью скорости паровпо сечению аппарата. Ведение процесса в режиме подвисания затруднено вследствиеузкого интервала изменения скоростей пара, в котором этот режим существует.Поэтому выберем плёночный режим работы колонны.

3.2 Материальный баланс и рабочее флегмовое число

Обозначим массовый расходдистиллята через GDкг/с, кубовогоостатка GW кг/с, исходной GFкг/с.

Из уравнений материальногобаланса ректификационной колонны непрерывного действия:

GF= GD+GW; (3.1)

GFXF= GDXD+GWXW, (3.2)

где GF, GD,GW– массовые расходы питания, дистиллята и кубового остатка; XF, XD, XW– содержание легколетучего компонента в питании,дистилляте и кубовом остатке, массовые доли.

Длярасчетов выразим концентрации питания, дистиллята и кубового остатка в массовыхдолях, X.

X = x∙MД/(x∙MД+ (1 – x)∙MТ), (3.3)

где MД=88, MТ=92– мольные массы диоксана и толуола.

XF=(88∙0,45)/(88∙0,45 + (1 – 0,45)∙92) = 0,439 кг/кг смеси.

XD=(88∙0,9)/(88∙0,9 + (1 – 0,9)∙92) = 0,896 кг/кг смеси.

XW= (88∙0,02)/(88∙0,02 + (1 – 0,02)∙92)= 0,019 кг/кг смеси.

Изуравнений материального баланса

GF= GW+1000

GF∙0,439 = GW∙0,019 +1000∙0,896

GF=2088 кг/ч = 0,580 кг/с; GW=1088 кг/ч = 0,302 кг/с; GD=0,278кг/с.

Определяем минимальное числофлегмы по уравнению:

RMIN = (XD-Y*F)/(Y*F–XF); (3.4)

где Y*F= 0,54-мольная доля диоксана в паре (из приложения Д).

RMIN= (0,9 – 0,54)/(0,54 – 0,45) = 4.

Задавшись различными значениями коэффициентов избытка флегмы β, определим соответствующие флегмовые числа.Графическим построением ступеней изменения концентраций между равновесной ирабочей линиям на диаграмме состав параY– состав жидкости Xнаходим N[1]. Определение Nприведены вприложениях А, Б, В, Г, а результаты в таблице 3.2:

Таблица 3.2

1,05

1,35

1,75

2,35

R

4,2

5,4

7

9,4

N

58

42

32

29

N(R+1)

301,6

268,8

256

301,6

Используя данные из таблицы,построим зависимостьN(R+1)=f(R):

Рисунок3.2 Зависимость N(R+1) от R

Минимальное произведение N(R+1)соответствует флегмовому числу R=6,6(из рис.3.2).

Уравнения рабочих линий:

а) верхней(укрепляющей) части колонны:

y= ((R/(R+1))∙x)+(xD/(R+1)); (3.5)

y= 0,868∙x+0,118;

б) нижней (исчерпывающей) части колонны:

y= (R+F)/(R+1)∙x — (F-1)/(R+1)∙ xW,

где F- относительный мольный расход питания.

F= (xD — xW)/(xF-xW);F= (0,9-0,02)/(0,45-0,02)=2,047;

y= 1,138∙x– 0,003.

Из приложения Д nт=35 –число теоретических тарелок, nт в = 20 – числотеоретических тарелок в верхней частиколонны, nт н= 15 – в нижней.

Средние массовые расходы(нагрузки) по жидкости для верхней и нижней частей колонны определяют изсоотношений:

LВ= GDRMВ /MD; (3.6)

LН= GDRMН/MP+GFMН/MF, (3.7)

где МDиМF— мольные массы дистиллята и исходной смеси; МВи МН — средние мольные массы жидкости в верхней и нижнейчастях колонны. Средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частяхколонны соответственно равны:

МВ = МД xср. в+ М Т(1 — xср. в);

МН = МД xср. н+ М Т(1 — xср. н); (3.8)

где МД и МТ— мольные массы диоксана и толуола; хср.в и хср.н—средний мольный состав жидкости соответственно в верхней и нижней частях колонны:

xcр. в=(xD+xF)/2 =(0,9 + 0,45)/2 = 0,675 кмоль/кмоль смеси;

xcр. н= (xF+xW)/2= (0,45 + 0,02)/2 = 0,235 кмоль/кмоль смеси.

Тогда:

МВ= 88 ∙ 0,675 + 92 (1 — 0,675) = 89,30 кг/кмоль;

МН =88 ∙ 0,235 + 92 (1 — 0,235) = 91,06 кг/кмоль.

Мольная масса исходной смеси идистиллята:

MF= 88 ∙ 0,45 + 92(1 — 0,45) = 90,2 кг/кмоль,

MD= 88 ∙ 0,9 + 92(1 — 0,9) = 88,4 кг/кмоль.

Подставимрассчитанные величины в уравнения (3.6) и (3.7), получим:

LВ= 0,278∙ 6,6 ∙ 89,3 / 88,4 =1,853 кг / с;

LН=0,278∙ 6,6 ∙ 91,06 / 88,4 + 0,58 ∙ 91,06 / 90,2 = 2,476 кг/ с.

Средниемассовые потоки пара в верхней GВи нижней GHчастях колоннысоответственно равны:

GВ= GD(R+1)M’В/ M D;

GН= GD(R+1)M’Н/ M D .

(3.9)

Здесь M’В и M’Н — средние мольные массы паров в верхней инижней частях колонны:

М’В= МД yср. в+ М Т(1 — yср. в);

М’Н= МД yср. н+ М Т(1 — yср. н); (3.10)

где

ycр. в=(yD+yF)/2 =(0,9 + 0,51)/2 = 0,705 кмоль/кмоль смеси;

ycр. н= (yF+yW)/2= (0,51 + 0,02)/2 = 0,265 кмоль/кмоль смеси.

Тогда

М’В= 88∙ 0,705 + 92(1 — 0,705) = 89,18 кг/кмоль;

М’Н= 88∙ 0,265 + 92(1 – 0,265) = 90,94 кг/кмоль.

GH= 1,73(2,1 +1) 87,8/78 = 6,04 кг/с.

Подставивчисленные значения в уравнение (3.9), получим:

GВ= 0,278 (6,6+1)89,18 / 88,4 =2,131 кг/с;

GН=0,278 (6,6+1)90,94 / 88,4 = 2,174 кг/с.

3.3 Скорость пара и диаметр колонны

Для ректификационных колонн, работающих в пленочномрежиме при атмосферном давлении, рабочую скорость можно принять на 20—30 % нижескорости захлебывания [5].

Предельную фиктивную скорость пара wп, при которой происходит захлебываниенасадочных колонн, определяют по уравнению [6]:

<img src="/cache/referats/17343/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1029"> (3.11)

где ρx, ρy— средниеплотности жидкости и пара, кг/м3; μx— в мПа-с.

Поскольку отношения L/Gи физическиесвойства фаз в верхней и нижней частях колонны различны, определим скорости захлебывания для каждой части отдельно.

Найдем плотности жидкости ρхв, ρxни пара ρyв, ρyнв верхней и нижней частях колонны при среднихтемпературах в них tви tн. Средниетемпературы паров определим по диаграмме t—х, у (см.рис. 3.2) по средним составам фаз: tВ= 94°С; tн=102 °С. Тогда

ρy в=М’ВT0/(22,4(T0+t0)); ρy н=М’НT0/(22,4(T0+t0)). (3.12)

Отсюдаполучим:

ρyв=89,19∙ 273/(22,4∙ (273+94))=2,95 кг/м3;

ρyн=90,94∙ 273/(22,4∙ (273+102))=2,96 кг/м3

Плотность физических смесейжидкостей подчиняется закону аддитивности:

ρсм = ρ1xоб+ ρ2(1-xоб),

где xоб— объемная доля компонента в смеси.

В рассматриваемом задачеплотности жидких диоксана и толуола близки [7], поэтому можно принять ρxв= ρх н = ρх= 790 кг/м3.

Вязкость жидких смесей ц∙находим по уравнению [8]:

lg μx=xсрlg μxд+ (1-xср) lg μx т, (3.13)

где μxди μxт — вязкости жидких диоксана и толуола притемпературе смеси [7].

Тогда вязкость жидкости вверхней и нижней частях колонны соответственно равна:

lgμxв=0,675 lg0,22+ (1-0,675) lg0,30,

lgμxн=0,235 lg0,21+ (1-0,235) lg0,27,

откуда μxв= 0,243мПа∙с; μxн = 0,254 мПа∙с.

Предельная скорость паров вверхней части колонны:

откуда wпв=1,241 м/с.

Предельная скорость паров внижней части колонны:

откуда wпн=1,172м/с.

Примем рабочую скорость но30% ниже предельной:

wв=1,241∙0,7=0,87 м/с; wн=1,172∙0,7=0,82м/с.

Диаметр ректификационнойколонны определим из уравнения расхода:

<img src="/cache/referats/17343/image016.gif" v:shapes="_x0000_i1032"> (3.14)

Отсюда диаметры верхней и нижней части колонны равны соответственно:

<img src="/cache/referats/17343/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1033"> м; <img src="/cache/referats/17343/image020.gif" v:shapes="_x0000_i1034"> м.

Рационально принятьстандартный диаметр обечайки d= l,2 м одинаковым для обеих частей колонны. При этомдействительные рабочие скорости паров в колонне равны:

wв= 0,87(1,03/1,2)2= 0,64 м/с; wн= 0,82(1,07/1,2)2 = 0,65 м/с,

что составляет соответственно 52 и 55 % от предельныхскоростей.

3.4 Высота слоя насадки и колонны

Высота ректификационнойколонны насадочного типа находится из уравнения:

Нк=Ят+(т-1)рр+Яв+Ян+Нк+Нд (3.15)

где Z=5 м – высотанасадки в одной секции; n– числосекций; hр=1,215 –высота промежутков между секциями насадки, в которых устанавливают распределителижидкости, м: Zв= 1,2 м и Zн= 2 м – соответственно высота сепарационного пространстванад насадкой и расстояние между днищем колонны и насадкой, Нк — высота крышки, Нд – высота днища.

n=(Hв+ Hн)/Z, (3.16)

Hн=<

еще рефераты

Еще работы по технологии. химии

Реферат по технологии. химии

Расчет конденсатора

29 Августа 2013

Реферат по технологии. химии

Описание технологической схемы процесса производства этилового спирта

29 Августа 2013

Реферат по технологии. химии

Получение разделительной смазки по бетону

29 Августа 2013

Реферат по технологии. химии

Конспект по Общей Химической Технологии (ОХТ)

29 Августа 2013