Ректификационная установка непрерывного действия

 

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное  учреждение высшего  профессионального  образования

«Ярославский государственный  технический университет»

Кафедра процессов и аппаратов химической технологии

 

                                                                           

 

 

 

                                                                                      Курсовой проект защищён

                                                                                 с оценкой___________

                                                                   Преподаватель  

                                                                 к.т.н., доцент                                           

                                                                                ________ Галицкий И В.

                                                 дата   

 

 

 

 

 

РЕКТИФИКАЦИОННАЯ УСТАНОВКА НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ

Расчетно-пояснительная  записка к курсовому проекту по курсу:

“Процессы и аппараты химической технологии”

ПАХТ 0108. 240401.     КП

 

 

 

 

 

 

 

                                                                     Отчет выполнил

                                                                                     студент группы ХТР – 47

                                                                                 ______Демичев Д В.

                                                     дата  

 

 

 

 

 

 

 

 

2005

РЕФЕРАТ

59 с., 2 табл., 10 рис., 3 лит.

РЕКТИФИКАЦИЯ, ЭТИЛАЦЕТАТ, ТОЛУОЛ, ДИСТИЛЛЯТ, ФЛЕГМА, ДЕФЛЕГМАТОР.

В задании на курсовое проектирование проводится расчет двух ректификационных установок непрерывного действия для разделения смеси этилацетат - толуол.

Целью расчета ректификационных колонн является определение основных размеров колонны (диаметра и высоты), материальных и тепловых балансов, подбор дополнительного оборудования и гидравлический расчет колонны.

Были изучены мероприятия по технике безопасности на предприятиях химической промышленности и оказание первой помощи пострадавшим.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

Введение……………………………………………………………………………..…....5 Технологическая схема установки и ее описание……………………………………………6

1. Расчет тарельчатой ректификационной колонны непрерывного действия  …………...8
1. Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число……………..……......8

       1.2   Определение плотности и вязкости.....…………………………...............................13

1.3   Скорость пара и диаметр колонны…..…………………….........................................17

1.4   Высота колонны.…………………………..…..............................................................18

1.5   Высота светлого слоя жидкости на тарелке и паросодержание барботажного слоя ……................................................................................................…………………….20

1.6   Коэффициенты массопередачи и высота колонны ……………................................21

1.7   Гидравлическое сопротивление тарелок колонны …………….................................27

2. Тепловой баланс ректификационной установки…………………………..……………...30
3. Подробный расчёт подогревателя исходной смеси…………………………………….....33
4. Подбор кожухотрубчатого конденсатора………………………………………………….42
5. Подбор кипятильника...………………………………………….………………………….45

6 Подбор холодильника………………………………......……………………………………..47

7 Механический расчет…………...……………………....……………………………………..50

8 Подбор насоса и трубопроводов…………………....………………......……………………..51

9 Мероприятия по технике безопасности и оказание первой медицинской помощи.......…..54

Заключение…………………………………………………………………………………57

Список использованной литературы……………………………………………………...58

Приложение

Лист 1 - Установка ректификационная

Лист 2 - Колонна ректификационная

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Ректификация - массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаев в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными используемыми в процессе абсорбции. Поэтому методы подхода к расчету  и проектированию ректификационных и абсорбционных установок имеют много общего. Тем не менее ряд особенностей процесса ректификации (различное соотношение нагрузок по жидкости и пару в нижней и верхней частях колонны, переменные по высоте колонны физические свойства фаз и коэффициент распределения, совместное протекание процессов массо- и теплопереноса) осложняет его расчет.

Одна из сложностей заключается  в отсутствии обобщенных закономерностей  для расчета кинетических коэффициентов процесса ректификации. В наибольшей степени это относится к колоннам диаметром более 800 мм с насадками и тарелками, широко применяемым в химических производствах. Большинство рекомендаций сводится к использованию для расчета ректификационных колон кинетических зависимостей, получаемых при исследовании абсорбционных процессов.

Большое 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, способность тарелок работать в среде загрязненных жидкостей, возможностью 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.

Ректификацию жидкостей, не содержащих взвешенные частицы и не инструктирующих, при атмосферном давлении в аппаратах большой производительности часто осуществляют на ситчатых переточных тарелках.

 

Технологическая схема 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

 

 Рисунок 1 – Принципиальная  схема ректификационной установки

 

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_p.

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует  с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении в 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 жидкостью (флегмой) состава x_p, 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 обогащены 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 кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Расчет тарельчатой ректификационной колонны непрерывного действия.

 

1. Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число.

Производительность колонны по дистилляту Р и кубовому остатку  W определим из уравнений материального баланса колонны:

                                                                   (1.1)

где F, P и W – производительность колонны по исходному веществу, по дистилляту и по ку-бовому остатку, соответственно, кг/с.

                                                            (1.2)

Отсюда находим:

                                                             (1.3)

где , и - массовые доли по дистилляту, исходной смеси и кубового остатка, соот-ветственно, кг/кг смеси.

Пересчитаем составы фаз  из мольных долей в массовые доли по соотношению:

                                                   (1.4)

где , и - мольные доли по дистилляту, исходной смеси и кубового остатка соответственно, кмоль/кмоль смеси;

        , - молекулярные массы соответственно этилацетата и толуола, кг/кмоль.

                                                 (1.5)

                                                (1.6)

Находим производительность по кубовому остатку:

Находим производительность колоны по дистилляту:

Нагрузки ректификационной колоны по пару и жидкости определяется рабочим флегмовым числом R; его оптимальное значение R_опт можно найти путём технико-экономического расчёта. Ввиду отсутствия надёжной методики оценки R_опт используют приближённые вычисления, основанные на определении коэффициента избытка флегмы (орошения) Здесь - минимальное флегмовое число:

                                               (1.7)

где и - мольные доли легколетучего компонента соответственно в исходной смеси и дистилляте, кмоль/кмоль смеси;

        - концентрация легколетучего компонента в паре, находящемся в равновесии с ис-ходной смесью, кмоль/кмоль смеси.

Один из возможных приближённых методов расчёта R заключается в нахождении такого флегмового числа, которому соответствует минимальное произведение N(R+1), пропор-циональное объёму ректификационной колонны (N – число ступеней изменения концент-рации или теоретических тарелок, определяющее высоту колонны, а (R+1) − расход паров и, следовательно, сечение колонны).  

Задавшись различными значениями коэффициентов  избытка флегмы , определим соот-ветствующие флегмовые числа.

                                                               (1.8)

Графическим построением ступеней изменения концентраций между равновесной  и рабочими линиями на диаграмме состав пара Y – состав жидкости X, находим число ступеней N. Равновесные данные приведены в справочнике [3 с.36].

Результаты расчётов рабочего флегмового числа, представлены на рисунке 2 и приведены ниже:

 

 

Рисунок 2 — Изображение рабочих линий в диаграмме y – x  при действительном флегмовом  числе

Таблица 1 – Результаты расчетов рабочего флегмового числа 

	1,050	1,350	1,750	2,350	3,300
R	1,813	2,129	2,760	3,706	5,204
N	19	15	12,5	11	10
N(R+1)	53,447	46,935	47,000	51,766	62,040

         Рисунок  3 – Определение рабочего флегмового числа.

 

 Минимальное произведение N(R+1) соответствует флегмовому числу R=2,023. При этом коэффициент избытка флегмы На рисунке 2,  изображены рабочие линии и ступени изменения концентраций для верхней (укрепляющей) и нижней (исчерпывающей) частей колоны в соответствии с найденным значением R.