Министерство  общего  и  профессионального     образования                                       

                              Российской Федерации           

Ивановский  Государственный  Химико -Технологический  Университет 
 

Кафедра «Процессы и аппараты химической технологии»

Курсовой  проект

 

по теме 

«Ректификационная установка для  разделения бензол -толуол» 
 
 
 
 
 
 
 

                                              Студент:

                                              Группа:

                                              Преподаватель 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Иваново 2010 

Задание на курсовой  проект

      Рассчитать  ректификационную  колонну  непрерывного  действия с колпачковыми тарелками для разделения  смеси бензол-толуол. Производительность  по  исходной  смеси  1200 кг/ч. Концентрация НКК: в исходной  смеси X_F= 0,4%, в дистилляте  X_D = 0.9% и в  кубовом  остатке  X_W=0.06%.Давление в колонне 760 мм рт. ст.

    Выполнить:  материальный, конструктивный  и   гидравлический  расчёты  колонны.  Число  тарелок  определить  графическим  методом  с   использованием  кинетической  линии.

     
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Описание  процесса ректификации.

 

  Ректификация – разделение жидких однородных смесей на составляющие вещества или группы составляющих веществ в результате противоточного взаимодействия паровой смеси и жидкой смеси.

  Возможность разделения жидкой смеси на составляющие её компоненты ректификацией обусловлена  тем, что состав пара, образующегося  над жидкой смесью, отличается от состава  жидкой смеси в условиях равновесного состояния пара и жидкости.

  Сущность  процесса ректификации рассмотрим на простейшем примере разделения двухкомпонентной смеси, как и в случае нашего задания  по курсовому проектированию, где  требуется спроектировать ректификационную установку для разделения смеси  «вода- уксусная кислота». При ректификации исходная смесь делится на две части: часть, обогащенную легколетучим компонентом (ЛЛК), называемую дистиллятом, и часть, обедненную ЛЛК, называемую  кубовым остатком.

  Обозначим: Gf – количество смеси, поступающей на ректификацию;

             Gp – количество поступающего дистиллята;

             Gw – количество получающегося кубового остатка;

             Xf, Xp, Xw – содержание ЛЛК в исходной смеси, дистилляте и

             кубовом остатке соответственно.

  Тогда материальный баланс разделения:

• для всей смеси:

    Gf = Gp + Gw;

• для легколетучего компонента в смеси:

    Gf*Xf = Gp*xp + Gw*Xw.

  Обычно  ректификационный аппарат состоит  из двух частей: верхней и нижней, каждая из котрых представляет собой организованную поверхность контакта фаз между паром и жидкостью.

  В нижней части исходная смесь взаимодействует  с паром, начальный состав которого равен составу кубового остатка. Вследствие этого из смеси извлекается  легколетучий компонент.

  В верхней ступени пар начального состава соответствующий составу  исходной смеси, взаимодействует с  жидкостью, начальный состав которой  равен составу дистиллята. Вследствие этого пар обогащается легколетучим компонентом до требуемого предела, а менее летучий компонент  извлекается из паровой фазы.

  Пар для питания ректификационной колонны  получается многократным испарением жидкости, имеющей тот же состав, что и  кубовый остаток, а жидкость –  многократной конденсацией пара, имеющего состав, одинаковый с составом дистиллята.

  Рассматривая  взаимодействие пара и жидкости в  колонне, принимается допущение:

1. Мольные теплоты испарения компонентов одинаковы, поэтому каждый кмоль пара при конденсации испаряет соответственно кмоль жидкости и, следовательно, мольный поток пара, движущегося снизу вверх, одинаков в любом сечении аппарата.
2. При конденсации пара в конденсаторе не происходит изменения состава пара, и, следовательно, состав пара, уходящего из колонны, равен составу дистиллята: Xp = Yp.
3. При испарении жидкости в нижней части аппарата не происходит изменения ее состава, и, следовательно, состав пара, образующегося в испарителе, равен составу кубового остатка: Xw = Yw.

    Полученный в конденсаторе дистиллят  делится на две части. Одна  часть направляется обратно в  колонну – флегма, другая является отбираемым продуктом – дистиллят. Отношение количества возвращенного в колонну дистиллята (флегмы) к количеству дистиллята, отобранного в виде продукта – называется флегмовым числом R.

  Количество  пара, полученного в нижней части  колонны, и проходящего по ней, равно: 

                                

  при D = R + 1.

  Это равенство доказывает, что разделение смеси при ректификации возможно в результате взаимодействия потоков  пара и жидкости в колонне, при  кратности испарения равной R + 1, и кратности конденсации, равной R.

  Флегмовое число:

                              

  Уравнения рабочих линий для верхней  и нижней частей ректификационной колонны  соответственно:

                              

                              

                                  

  Эти уравнения связывают составы  в паре (Y)  и жидкости (X) в любом произвольном сечении в соответственно укрепляющей и исчерпывающей частях колонны. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Описание  технологической  схемы ректификационной установки.

         

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                  Технологическая схема ректификационной  установки 
 

    Исходная  смесь из расходной емкости РЕ центробежным насосом подается в  подогреватель П, где нагревается  до температуры кипения и поступает  на питающую  тарелку ректификационной колонны РК. Стекая по тарелкам жидкость, попадает в куб, из которого поступает  в кипятильник К. Из кипятильника пары жидкости поступают в нижнюю часть колонны и двигаются  навстречу исходной смеси, барботируя через нее и обогащаясь низкокипящим компонентом. Выходя из колонны пары,  попадают в дефлегматор Д и  конденсируются. Дистиллят поступает  разделитель Р, где разделяется  на два потока: одна часть в качестве флегмы возвращается в колонну и  стекает по тарелкам вниз, обогащаясь при этом высококипящим компонентом, а другая часть поступает в  холодильник Х1, охлаждается и  попадает в приемную емкость ПЕ2. По мере работы часть жидкости из куба отводится в холодильник Х2 и  поступает в приемную емкость  ПЕ1 в качестве кубового остатка. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3.Расчет ректификационной колонны.

3.1.Построение  равновесной кривой  и рабочих линий   процесса  ректификации.

                      Равновесная кривая «бензол-толуол» 
 

М_а=78,1 г/моль- молярная масса бензола;

М_в=92,1 г/моль- молярная масса толуола;

Кривая  равновесия  точек  перегиба  не  имеет.

Минимальное  флегмовое число:

R_мин=   ,где  x_D – мольная доля легколетучего компонента в дистилляте;

x_F- то же в исходной жидкости (питании) колонны;

y_F* - то же в паре, равновесном с жидкостью питания;

y_F*   определим по равновесной кривой; y*_F =0,60  

R_мин= = 1,5

Рабочее (действительное) число флегмы определим по  уравнению:

R= 1,3R_min +0.3 = 1.3*1,5+0.3 = 2,25 

Уравнение  рабочей  линии  верхней (укрепляющей)  части  колонны:

y =*x+  

      [2;320]

y =*x +    или

y = 0,69х+0,28

Отложив  на  оси  ординат  0,28,наносим рабочую линию АВ  для верхней части колонны. Через точки  А и С проводим  рабочую линию для нижней  части колонны.

Уравнение  нижней (исчерпывающей)  части  колонны.

y= *x- *x_w ; где

F- относительный  мольный  расход  питания;

                                                      F= ;

F = = 2,47

y= *x- *0,15

y= 1,45x – 0,07

Относительный  мольный  расход  кубового  остатка:

      W =

W== 1,47

Выполним  по  диаграмме  построение  ломаной  линии  (начиная  от  точки  В),находим  необходимое  число  ступеней  изменения  концентрации: в  верхней  части  колонны оно  составляет 4 ,в  нижней 5 ,всего 13.

Проверка  материального  баланса:

                                                  F = 1+ W,

где F- относительный мольный расход  питания;

F= 1+ 1,47 = 2,47 → верно; 

3.2. Определение производительности по дистилляту и кубовому остатку. 

       Материальный баланс всей ректификационной колонны может быть представлен двумя уравнениями:   по всему продукту:

                                              G_D + G_W = G_F ,

по легколетучему  компоненту:

                                      x_D* G_D + x_w* G_W = G_F х_F,где

G_D ,G_W,G_F –расходы  питания, дистиллята  и кубового  остатка

 Xf, Xp, Xw – молярные составы (мольные доли) легколетучего компонента (ЛЛК) соответственно в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке.  

G_D + G_W = 1200/78,1=15,4

0.90* G_D  + 0.06* G_W = 0.4*15,4= 6,2

0.84 G_D = 5,28 → G_D = 6,3моль/ч=490 кг/час

G_W = 15,4-6,3 = 9,1моль/ч=710  кг/ч 

3.3.Определение потоков пара по колонне. 

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

                                            V=    ,                            [2;353]

где М_D – мольная  масса  дистиллята;

М_D = 0,90*78,1+ 0,1*92,1 = 79,5 кг/кмоль;

Определим  среднюю  температуру  в  колонне t_ср.

Средние  концентрации  жидкости:

а).в  верхней части колонны: х'_ср= (x_F + x _D)/2=(0,4+0,9)/2= 0,65