Расчет установки для разделения четырехкомпонентной смеси

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

Введение 3

1 Характеристика исходных компонентов 5

2 Разделение смеси методом многократного испарения 8

3 Выбор и обоснование схемы разделения исходной смеси 9

4 Расчет по определению оптимального ввода сырья и оптимального размера колонн 10

5 Расчет основных параметров работы ректификационных колонн 19

6 Расчет контактных устройств и основных размеров колонн 26

7 Основные параметры материальных потоков 31

8 Основные параметры аппаратов 32

Заключение 33

Список используемой литературы 34

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение [1]

 

Одним из наиболее распространенных методов разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или большего числа компонентов, является перегонка (дистилляция и ректификация).

В широком смысле перегонка представляет собой процесс, включающий частичное испарение разделяемой смеси и последующую конденсацию образующихся паров, осуществляемые однократно или многократно. В результате конденсации получают жидкость, состав которой отличается от состава исходной смеси.

Если бы исходная смесь состояла из летучего или нелетучего компонентов, то ее можно было бы разделить на компоненты путем выпаривания. Посредством же перегонки разделяют смеси, все компоненты которых летучи, т. е. обладают определенным, хотя и разным давлением пара. Разделение перегонкой основано на различной летучести компонентов смеси при одной и той же температуре. Поэтому при перегонке все компоненты смеси переходят в парообразное состояние в количествах, пропорциональных их фугитивности.

В простейшем случае исходная смесь  является бинарной, т. е. состоит только из двух компонентов. Получаемый при  ее перегонке пар содержит относительно большее количество легколетучего, или низко- кипящего, компонента (НК), чем исходная смесь. Следовательно, в процессе перегонки жидкая фаза обедняется, а паровая фаза обогащается НК. Неиспарившаяся жидкость, естественно, имеет состав, более богатый трудно летучим, или высококипящим, компонентом (ВК).

Эта жидкость называется остатком, а  жидкость, полученная в результате конденсации паров, — дистиллятом, или ректификатом.

Ректификация представляет собой  процесс многократного частичного испарения жидкости и конденсации паров. Процесс осуществляется путем контакта потоков пара и жидкости, имеющих различную температуру, и проводится обычно в колонных аппаратах. При каждом контакте из жидкости испаряется преимущественно НК, которым обогащаются пары, а из паров конденсируется преимущественно ВК, переходящий в жидкость. Такой двусторонний обмен компонентами, повторяемый многократно, позволяет получить в конечном счете пары, представляющие собой почти чистый НК- Эти пары после конденсации в отдельном аппарате дают дистиллят (ректификат) и флегму — жидкость, возвращаемую для орошения колонны и взаимодействия с поднимающимися парами. Пары получают путем частичного испарения снизу колонны остатка, являющегося почти чистым ВК.

Ректификация известна с начала XIX века как один из важнейших технологических  процессов главным образом спиртовой  и нефтяной промышленности. В настоящее время ректификацию все шире применяют в самых различных областях химической технологии, где выделение компонентов в чистом виде имеет весьма важное значение (в производствах органического синтеза, изотопов, полимеров, полупроводников и различных других веществ высокой чистоты).

Процессы перегонки осуществляются периодически или непрерывно. Ниже рассмотрены характеристики двухфазных систем жидкость — пар, необходимые  для анализа и расчета процессов  перегонки.

В данном курсовой проекте мы рассчитываем установку для разделения четырехкомпонентной  смеси с выделением чистых компонентов (0,999 мольн. дол.) в программной среде Petro SIM.

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Характеристика исходных компонентов

 

Задание варианта. Состав исходной смеси приведен в таблице 1.

Таблица 1 – Состав исходной смеси

Номер варианта	Компоненты	Мольная доля	Расход смеси, кг/с
12	н-гексан	0,20	32
	н-гептан	0,30
	н-октан	0,40
	н-нонан	0,10

 

 

Основные  свойства компонентов приведены  в таблице 2.

 

Таблица 2 – Основные свойства компонентов

№ п/п	Свойство	Компонент
		н-гексан	н-гептан	н-октан	н-нонан
1	Химическая формула	С6H14	С7H16	С8H18	С9H20
2	Молярная масса	86,18	100,2	114,2	128,3
3	Нормальная температура кипения	68,73	98,43	125,7	150,8
4	Стандартная плотность жидкости, кг/м3	662,7	686,8	705,4	720,2
5	Критическая температура, °С	234,7	267,0	295,4	321,4
6	Критическое давление, кПа	3032	2737	2497	2300
7	Теплота образования, кДж/кмоль	-1,673 105	-1,879 105	-2,086 105	-2,292 105
8	Теплота сгорания, кДж/кмоль	-3,889 106	-4,504 106	-5,119 106	-5,734 106

 

Коэффициенты, зависящие от температуры приведены в таблице 3.

 

Таблица 3 – Коэффициенты (a-i), зависящие от температуры

Энтальпия пара
Коэффициент	C6H14	C7H16		C8H18	C9H20
a	7,4513	7,1410		1,2651ˑ102	4,9787ˑ109
b	-9,6697 10-2	-9,6895∙10-2		-2,7010ˑ10-1	-6,5290∙10-2
c	3,4765 10-3	3,4730 10-3		3,9983 10-3	3,4029 10-3
d	-1,3212 10-6	-1,3302 10-6		-1,9730 10-6	-1,2535 10-6
e	2,5237ˑ10-10	2,5577ˑ10-10		6,2280 10-10	2,0096 10-10
f	-1,3447ˑ10-14	-1,3773ˑ10-14		-9,3814 10-14	-2,2376 10-23
Давление насыщенных паров
Коэффициент	C6H14	C7H16	C8H18		C9H20
a	7,0427	7,8329	8,6997		1,1198ˑ102
b	-6,0557∙103	-6,9470∙103	-7,8906∙103		-9,5585∙103
c	0	0	0		0
d	-8,3787	-9,4487	-1,0626		-1,4270
e	6,6167 10-6	6,4748∙10-6	6,4744 10-6		8,4603 10-6

 

На основании  таблицы 3 и формул (1.1) и (1.2) вычисли  зависимость энтальпии паров  и давления насыщенных паров компонентов  в интервале от 0 до 200 °С.

 

   (1.1)

 

где H– энтальпия паров;

       Т– температура, К;

       a-f– коэффициенты компонента.

 

    (1.2)

 

где P– давление насыщенных паров;

       Т– температура, К;

       a-e– коэффициенты компонента.

 

При помощи программы Microsoft Excel произвели расчет и построили график зависимостей энтальпии  и давления насыщенных паров от температуры (Рисунки 1.1-1.2).

 

 

 

Рисунок 1.1 – Зависимость энтальпии паров  от температуры

 

 

Рисунок 1.2 – Зависимость давления насыщенных паров от температуры

 

2 Разделение смеси методом многократного испарения

 

Задание: Необходимо выделить и-гексан из исходной смеси методом многократного испарения чистотой не менее 0,9 (мольная доля), при этом степень извлечения компонента должна быть не менее 0,9 (по массе).

Таблица 4 – Основные параметры рабочих  потоков

№ п/п	Наименование потока	Расход, кг/с	Содержание искомого компонента, мол. доля
1	Сырье	32,00	0,2000
2	Пар с С-1	15,42	0,2906
3	Пар с С-2	7,43	0,4033
4	Пар с С-3	3,58	0,5289
5	Пар с С-4	1,74	0,6521
6	Пар с С-5	0,85	0,7585
7	Пар с С-6	0,42	0,8407
8	Пар с С-7	0,21	0,8991
9	Пар с С-8	0,10	0,9380
10	Пар с С-9	0,05	0,9628
11	Пар с С-10	0,03	0,9781

 

Степень извлечения и-гексана составила:

 

                                     (2.1)

где и - массовый расход исходного и конечного потоков соответственно, кг/с;

       и - массовая доля искомого компонента в исходном и конечном потоке соответственно.

 

3 Выбор и обоснование схемы разделения исходной смеси

 

При использовании  метода многократной конденсации нам  удалось выполнить задание варианта, использовав при этом очень сложную технологическую схему с большим числом рециклов. Разделять данную смесь таким способом будет очень неэффективно ввиду больших затрат и для разделения воспользуемся системой ректификационных колонн для получения чистых компонентов с чистотой 0,999 (мольная доля).  Ввиду того, что в исходной смеси равное содержание легких и тяжелых углеводородов (таблица 1), целесообразно отделить их друга от друга. В следующей колонне разделяем бинарные смеси на чистые  компоненты.

Описание  технологической схемы ректификации.

Сырье с  давлением 150 кПа и температурой 123,8 °С поступает в качестве питания в колонну К-1, где с куба выделяется смесь н-октана и н-нонана, которая поступает в колонну К-3,  верхняя смесь н-гексана и н-гептана поступает в колонну К-2. Затем эти смеси разделяем в колоннах К-2 и К-3 на чистые компоненты.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок  3.1 – Технологическая схема

4 Расчет по определению оптимального ввода сырья и оптимального размера колонн

 

Таблица 4.1 –  Данные для определения оптимального флегмового числа для колонны К-1

№ п/п	Число теоретических      тарелок N	Флегмовое число F	N(F+1)
1	23	44	1035,00
2	24	16,3	415,20
3	25	10,5	287,50
4	26	7,81	229,06
5	27	6,39	199,53
6	28	5,45	180,60
7	29	4,81	168,49
8	30	4,36	160,80
9	31	3,98	154,38
10	32	3,75	152,00
11	33	3,49	148,17
12	34	3,35	147,90
13	35	3,16	145,60
14	36	3,08	146,88
15	37	2,93	145,41
16	38	2,89	147,82
17	39	2,77	147,03
18	40	2,74	149,60
19	41	2,64	149,24
20	42	2,62	152,04