Проектирование ректификационной установки для разделения бинарной бензол - уксусная кислота, производительностью по дистилляту 200 кг/ч

Санкт-Петербургский государственный  технологический институт

(Технический университет)

 

 

Кафедра процессов и аппаратов    Факультет  4

Курс   3

Группа         483

 

 

 

Учебная дисциплина: Процессы и аппараты химической технологии

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

Тема: Проектирование ректификационной установки для разделения бинарной бензол - уксусная кислота, производительностью  по дистилляту 200 кг/ч

 

Студент    ____________   Марко П. И.

Руководитель,

доцент    _____________   Банных О.П.

Оценка за

курсовой проект   _____________

 

 

 

1. Введение	3
2.1 Техническое задание	5
2.2 Описание  технологической схемы	6
3. РАСЧЁТЫ	7
3.1. Расчёт ректификационной колонны	7
3.1.1 Материальный баланс колонны	7
3.1.2 Рабочее флегмовое число	7
3.1.3 Расчёт средних физических величин для смеси	9
3.1.4 Скорость пара и диаметр колонны	13
3.1.5 Расчет высоты насадки и колонны.	16
3.1.6 Расчет гидравлического сопротивления колонны	19
3.1.7 Тепловой баланс ректификационной колонны	20
3.2 Приближённый расчёт теплообменной аппаратуры	21
3.2.1 Куб - испаритель	21
3.2.2 Дефлегматор	22
3.2.3 Холодильник дистиллята	23
3.2.4 Подогреватель исходной смеси	24
3.3 Подробный расчёт холодильника кубовой жидкости	25
Заключение	30
Список  использованной литературы	31

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

Ректификация - один из способов разделения жидких смесей основанный на различном распределении компонентов  смеси между жидкой и паровой  фазами. В качестве аппаратов служащих для проведения ректификации используются ректификационные колонны - состоящие из собственно колонны, где осуществляется противоточное контактирование пара и жидкости, и устройств, в которых происходит испарение жидкости и конденсация пара — куба и дефлегматора. Колонна представляет собой вертикально стоящий полый цилиндр внутри которого установлены так называемые тарелки (контактные устройства различной конструкции) или помещен фигурный кусковой материал — насадка. Куб и дефлегматор — это обычно кожухотрубные теплообменники (находят применение также трубчатые печи и кубы-испарители.

Назначение тарелок и  насадки - разделение межфазной поверхности  и улучшение контакта между жидкостью  и паром. Тарелки, как правило, снабжаются устройством для перелива жидкости. В качестве насадки ректификационных колонн обычно используются кольца, диаметр  которых равен их высоте.

Как в насадочных, так  и в тарельчатых колоннах кинетическая энергия пара используется для преодоления  гидравлического сопротивления  контактных устройств и для создания динамической дисперсной системы пар — жидкость с большой межфазной поверхностью. Существуют также ректификационные колонны с подводом механической энергии, в которых дисперсная система создаётся при вращении ротора, установленного по оси колонны. Роторные аппараты имеют меньший перепад давления по высоте, что особенно важно для вакуумных колонн.

По способу проведении различают - непрерывную и периодическую ректификацию. В первом случае разделяемая смесь непрерывно подается в ректификационную колонну, а из колонны непрерывно отводятся две или более число фракций, обогащенных одними компонентами и обедненных другими. Полная колонна состоит из двух секций укрепляющей и исчерпывающей. Исходная смесь (обычно при температуре кипения) подается в колонну, где смешивается с так называемой извлеченной жидкостью, стекающей по контактным устройствам (тарелкам или насадке) исчерпывающей секции противотоком к поднимающемуся потоку пара. Достигая низа колонны, жидкость обогащается тяжелолетучими компонентами. В низу жидкость частично испаряется в результате нагрева подводящимся теплоносителем, и пар снова поступает в исчерпывающую секцию. Пройдя её, обогащенный легколетучими компонентами, пар поступает в дефлегматор, где обычно полностью конденсируется подходящим хладагентом. Полученная жидкость делится на два потока - дистиллят и флегму. Дистиллят является продуктовым потоком, а флегма поступает на орошение укрепляющей секции, по контактным устройствам которой стекает. Часть жидкости выводится из куба колонны в виде так называемого кубового остатка (также продуктовый поток).

Если исходную смесь нужно  разделить непрерывным способом на число фракций больше двух, то применяется последовательное либо параллельно - последовательное соединение колонн.

При периодической ректификации исходная жидкая смесь единовременно  загружается в куб колонны, емкость, которая соответствует желаемой производительности. Пары поступают в колонну и поднимаются к дефлегматору, где происходит их конденсация. В начальный период весь конденсат возвращается в колонну, что отвечает режиму полного орошения. Затем конденсат делится на дистиллят и флегму. По мере отбора дистиллята (либо при постоянном флегмовом числе, либо с его изменением из колонны выводятся сначала легколетучие компоненты, затем среднелетучие и так далее). Нужную фракцию (или фракции) отбирают в соответствующий сборник. Операция продолжается до полной переработки первоначально загруженной смеси.

Основные области промышленного  применения ректификации — получение  отдельных фракций и индивидуальных углеводородов из нефтяного сырья  в нефтеперерабатывающей и нефтехимической  промышленности, окиси этилена, акрилонитрила, акрилхлорсиланов - в химической промышленности. Ректификация широко используется и в других отраслях народного хозяйства: коксохимической, лесохимической, пищевой, химико — фармацевтической промышленностях.                                                                                                                    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.1 Задание по курсовому проектированию № 15

 

Спроектировать ректификационную установку для непрерывного разделения смеси: бензол – уксусная кислота  под атмосферным давлением. Сделать  подробный расчет ректификационной колонны и водяного холодильника кубового остатка (режим движения теплоносителей – турбулентный). Куб-испаритель, подогреватель  исходной смеси, холодильник дистиллята и воздушный дефлегматор рассчитать приближенно, используя коэффициенты теплопередачи из «Примеров и задач…». Выбрать стандартные аппараты. Сделать чертеж общего вида холодильника и эскиз технологической схемы установки.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА

1. Колонна насадочная
2. Производительность установки по дистилляту 270 кг/час
3. Концентрация легколетучего компонента в исходной смеси 10 % масс
4. Концентрация легколетучего компонента в дистилляте 68 % масс
5. Концентрация легколетучего компонента в кубовом остатке 1 % масс
6. Температура исходной смеси 25 С°
7. Давление греющего пара 3.5 атм. (изб.).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Описание технологической схемы

Исходная смесь из промежуточной  ёмкости Е1 центробежным насосом H1 подаётся в теплообменник П, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в середину ректификационной колонны КР на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси.

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся  вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике К. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка, 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), получаемой в дефлегматоре Д путём конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике Х2 и направляется в промежуточную ёмкость ЕЗ.

Из кубовой части  колонны насосом непрерывно выводится  кубовая жидкость -продукт, обогащённый труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике X1 и направляется в ёмкость Е2.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента) и кубовый остаток (обогащённый труднолетучим компонентом).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

              

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. РАСЧЁТЫ

3.1 Расчёт ректификационной колонны

   3.1.1 Материальный  баланс колонны

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

 

                                    

       

 

Отсюда находим:

          

 

         

 

Мольные доли воды в дистилляте, исходной смеси и  в кубовой жидкости:

                                                      

 

Расход исходной и кубовой жидкости:

 

 

 

Рабочее флегмовое число

 

Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются рабочим флегмовым числом R. Минимальное флегмовое число Rmin определяем по формуле:

          

где и - мольные доли легколетучего компонента соответственно в исходной смеси и дистилляте; - концентрация легколетучего компонента в паре, находящемся в равновесии с исходной смесью,

Рабочее флегмовое число:

           

Относительный мольный расход питания:

 

Уравнения рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части колонны

           

б) нижней (исчерпывающей) части колоны

         

 

 

 

 

 

Диаграмма х-у

с рабочими линиями

 

 

3.1.3 Расчёт средних  физических величин для смеси

Средние мольные  доли бензола по колонне:

Средние мольные  доли паров бензола по колонне (определяется по уравнениям рабочих линий):

Средние мольные  массы жидкости в верхней и  нижней частях колонны соответственно равны:

Мольные массы  исходной смеси и дистиллята:

   

Средние массовые доли бензола в верхней и в нижней частях колонны:

Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости для  верхней и нижней частей колонны  определим из соотношений:

  

Средние массовые потоки пара в верхней  и нижней частях колонны соответственно равны:

         

         

Средние мольные  массы паров в верхней и  нижней части колонны:  

Из этого следует:

Средние температуры  пара и жидкости определяем по диаграмме  t – x, y :

Для пара:

а) при    

б) при    

Для жидкости:

а) при    

б) при    

 

Плотности паров  по колонне:

, где          

 

Плотность жидкой смеси в колонне:

Вязкости жидкой смеси находим по уравнению:

       

 

 

Поверхностное натяжение  жидкой смеси:

   

 

Коэффициент диффузии в паровой фазе:

       

где T – средняя температура в соответствующей части колонны, К;

 и  - мольные объемы компонентов в жидком состоянии при температуре кипения

Мольные объемы компонентов  находим как сумму атомных  объемов:

   

Коэффициент диффузии в жидкости при средней температуре:

          

Коэффициент диффузии при 20 °С можно вычислить по приближенной формуле:

где A, B – коэффициенты, зависящие от свойств растворенного вещества и растворителя;

Вязкость смеси при  температуре 20 °С:

 

Тогда коэффициент диффузии в жидкости для верхней части колонны  при 20 °С равен:

Для нижней части колонны:

Температурный коэффициент  b определим по формуле:

          

где и принимают при температуре 20 °С

Плотность жидкой смеси при температуре 20 по Цельсию:

Верхняя часть колонны

         

 

 

 

Нижняя часть колонны:

         

Отсюда:

3.1.4 Скорость пара  и диаметр колонны

Выбор рабочей скорости паров  обусловлен многими факторами и  обычно осуществляется путем технико-экономического расчета для каждого конкретного  процесса. Для ректификационных колонн, работающих в пленочном режиме при атмосферном давление, рабочую скорость можно принять на 20-30 % ниже скорости захлёбывания. Предельную фиктивную скорость пара , при которой происходит захлёбывание насадочных колонн, определяют по уравнению:

где   - предельная скорость пара в критических точках, м/с; а – удельная поверхность насадки, м²/м³; ε – свободный объём насадки, м³/м³; μ_х – динамический коэффициент вязкости жидкости, мПа∙с; и - массовые расходы жидкой и паровой (газовой) фаз, кг/с; и - плотность пара и жидкости соответственно, кг/м³; А и В -  коэффициенты.

Выбираем кольца Рашига 50 мм:

Верх:

Низ:

Отсюда:

Рабочая скорость пара (газа) рассчитывается по соотношению:

Для определения  диаметра колонны пользуются формулой:

где - объёмный расход пара (газа) при рабочих условиях в колонне, м³/с.

Выбираем стандартный аппарат с  диаметром 0.4 м для обеих частей колонны и уточняем рабочую скорость пара и

Уточнённую рабочую скорость проверяют по графической зависимости  Эдулджи,  где комплексы Y и X  имеют следующий вид:

 

где – критерий Фруда рассчитывается по номинальному размеру насадки d (м); - критерий Рейнольдса (условный), также рассчитывается по номинальному размеру d; и - соответственно плотность воды и орошаемой жидкостью, кг/м³.

где и - объёмные расходы жидкости и пара (газа), м³/с; U – плотность орошения.

Расчет плотности орошения производится по формуле:

  

где U – плотность орошения, м³/(м²∙с); V_x – объёмный расход жидкости, м³/с; S – площадь поперечного сечения колонны, м².

Критерий Рейнольдса:

Критерий  Фруда:

Рассчитаем комплексыY и X:

Точки (X_в,Y_в) и (X_н, Y_н) лежат ниже линии захлебывания, которая соответствует неустойчивому режиму работы. Это означает, что работа колонны устойчива и выбор диаметра колонны правильный.

 

Определение гидравлического  сопротивления 1 м насадки:

где скорость пара (газа) в свободном сечении насадки (действительная);

 коэффициент сопротивления

  

  

                                  

   

В результате получаем:

Полученный результат  меньше допустимого, следовательно, необходимые  параметры выбраны верно!

Активная поверхность  насадки.

 При нагрузках ректификационной  насадочной колонны ниже точки  подвисания в большинстве случаев не вся поверхность насадки смочена жидкостью и не вся смоченная поверхность активна для процесса массопереноса. Доля активной поверхности насадки, участвующей в процессе массопереноса. Определяется по соотношению:

где U – плотность орошения, м³/(м²с)

a – удельная поверхность насадки, м²/м³

p и q – постоянные, зависящие от типа и размера насадки (кольца Рашига 50 мм: 1.019 10^-5 и 0.0086)

При расчете были соблюдены  минимальные допустимые значения , следовательно, были правильно выбраны диаметр колонны и размер насадки кольца Рашига 50 мм. 

 

3.1.5  Расчет  высоты насадки и колонны.

Высоту насадки Н рассчитываем по модифицированному уравнению массопередачи.

Общее число единиц переноса вычисляют по уравнению:

                                      

Обычно этот интеграл определяют численными методами или методами графического интегрирования. Используем численный  метод трапеции и программный код Mathcad находим общее число единиц переноса в верхней и нижней части колонны: 

Находим общую высоту единиц переноса:

 

где  – тангенс угла  наклона  рабочей  линии или удельный расход жидкой фазы, . и - частные высоты единиц переноса по паровой и жидкой фазам, м.

Высота единицы переноса по паровой фазе:

 

где - высота единицы переноса по паровой фазе, м; ψ- коэффициент, определяемый по рис; - диффузионный критерий Прандтля; - массовая плотность орошения, ; - массовый расход жидкости, ; D – диаметр колонны, м; z – высота насадки одной секции (z не должна превышать – 3 м), м; , - динамический коэффициент вязкости жидкости, мПа∙с; ;

, и - поверхностное натяжение воды при и жидкости при средней температуре в колонные, .

  

     

                  

    

    

Высота единицы переноса  для жидкой фазы:

                          

где - высота единиц переноса по жидкой фазе, м; Ф и с – коэффициенты, определяемые по рис. из учебных пособий; - диффузионный эффект Прандтля.

Выбранные коэффициенты из графика:

в:                              Ф =0,05        , с =1  , =200  ,

н:                              Ф =0,05   ,     с =1  , =215  ,

Рассчитаем высоту чисел переноса по жидкости:

                                 .

                                 .

Тогда высота чисел  переноса по пару равна:

Общая высота единиц переноса для  верхней и нижней частей колонны:

Высота насадки для верха  и низа колонны:

 

Общая высота насадки колонны:

        Общую высоту колонны определяют по формуле:

                    

где - высота насадки одной секции, м; - число секций ( );  - высота промежутков между секциями, м; и - высота сепарационного пространства над насадкой и расстояние между днищем колонны и насадкой, соответственно, м.

В соответствии с рекомендациями:

 

Диаметр  колонны, м	, м	, м
0,4 – 1,0	0,6	1,5

 

Величина  зависит от размеров распределительных тарелок (ТСН-3) и при проектировании м.

Тогда общая высота колонны  будет:

 

 

 

 

 

 

3.1.6  Расчет  гидравлического сопротивления  колонны

Гидравлическое сопротивление  насадки при пленочном режиме находят по приближенному соотношению:

где b – коэффициент;

      U – плотность орошения

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.1.7 Тепловой баланс  ректификационной колонны

Тепловой баланс ректификационной колонны выражается общим уравнением:

где Q_K – тепловая нагрузка куба; Q_D –количество теплоты, передаваемой от пара к воде; Q_пот – тепловые потери (5%); -теплоёмкости соответствующие дистилляту, кубовому остатку и исходной смеси; - температуры соответствующие дистилляту, кубовому остатку и исходной смеси (находим из диаграммы «Зависимость температуры от равновесных составов пара и жидкости»):

  , ,

Найдем удельную теплоту  конденсации паров дистиллята по аддитивной формуле:                                                                               Определим тепловую нагрузку дефлегматора:

 

Определим теплоёмкости смеси:

При температуре кипения кубовой  жидкости:

При температуре кипения дистиллята:

 

При температуре кипения  исходной смеси:

 

 

 

Тогда:  

 

 

 

 

   3.2 Приближённый  расчёт теплообменной аппаратуры 

В качестве греющего агента выберем  пар абсолютным давлением 3.5 кг·с/см², выбор обусловлен тем, что разница между температурой кипения кубовой жидкости и пара должна составлять 20-25 градусов

              

Примем, что вода имеет начальную  температуру 10°С.

Произведем ориентировочные расчеты  пяти теплообменников: куба- испарителя, подогревателя и двух холодильников (дистиллята и кубового остатка).

 3.2.2 Куб-испаритель

Исходные данные:

Q=83430 Вт – тепловой баланс куба – испарителя

t_г.п.= 147°С – температура конденсации водяного пара

t_W=117.576 °С – температура кипения кубовой жидкости

Средняя движущая сила:

Для куба-испарителя коэффициент  теплопередачи К_ор=1000Вт/(м^2.К):

Определим поверхность  теплообмена по формуле:

 

Расход греющего пара:

Характеристика  выбранного теплообменника:

 Диаметр кожуха 

Общее число труб (25×2 мм)

Число ходов 

Длина труб

Площадь поверхности теплообмена 

    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2.2  Дефлегматор

 

Исходные данные:

 

Q_D=74950 Вт

t_D=85.258°С – температура конденсации дистиллята

Примем, что воздух имеет  начальную температуру t_внач=20 °С и нагревается на 40 °С

Определим среднюю движущую силу процесса и среднюю температуру  воды:

Δt_б=t_D-t_внач=85.258-20=65.258 °С

Δt_м=t_D-t_вкон=85.258-40=45.258°С

 

 

 

Поверхность теплообмена (К_ор=50Вт/(м^2.К):

Теплоёмкость воздуха при его средней температуре:

Расход охлаждающей воды:

 

Диаметр кожуха

Общее число труб (20×2 мм)

Число ходов 

Длина труб

Площадь поверхности теплообмена 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2.3 Холодильник дистиллята

 

Исходные данные:

- расход дистиллята

t_D=85.258°С – начальная температура дистиллята

t_кон=20 °С – конечная температура дистиллята

t_внач=15 °С – начальная температура воды

t_вкон=30 °С – конечная температура воды

 

Определим среднюю движущую силу процесса:

Δt_Б=t_D-t_вкон=85.258-30=55.258 °С

Δt_М=t_кон-t_внач=20-15=5°С

   

Средняя температура и теплоёмкость воды:

Средняя температура дистиллята:

t_1ср=t_вср+ Δt_ср=22.5+20.918=43.418°С

Определим теплоемкость дистиллята при  t_1ср:

Тепловой баланс холодильника дистиллята:

Расход охлаждающей воды:

 

Поверхность теплообмена:

Коэффициент теплопередачи в холодильнике К_ор=500Вт/(м^2.К)

 

Характеристика выбранного теплообменника:

 Диаметр кожуховой трубы-

Диаметр теплообменной трубы-

_{Длина теплообменной  трубы - 6м}

_{Площадь теплообмена по одной трубе – 1.65м²}

_{Число труб -2}

_{Площадь теплообмена-3.3м²}

 

 

 

3.2.4 Подогреватель исходной смеси

 

 Исходные данные:

- расход исходной смеси

t_г.п.=147 °С – температура конденсации водяного пара

t_нач=25 °С – начальная температура исходной смеси

t_F=108.193°С – конечная температура исходной смеси

Определим среднюю движущую силу процесса:

 

Δt_м=t_гп-t_F=147-108.193=38.807°С

Δt_б=t_гп-t_нач=147-25=122°С

 

 

Средняя температура исходной смеси:

t_см=t_гп- Δt_ср=147-72.631=74.369°С

Определим теплоемкость исходной смеси:

 

 

 

Тепловой баланс подогревателя  исходной смеси:

 

 

Ориентировочная площадь теплообмена  подогревателя:

 

Пусть К_ор=700Вт/(м^2.К), тогда

Расход греющего пара:

 

Характеристика выбранного теплообменника:

 

Диаметр кожуха

Общее число труб (25×2 мм)

Число ходов 

Длина труб

Площадь поверхности теплообмена 

 

 

 

 

 

 

 

 3.3 Подробный расчёт холодильника кубовой остатка

 

Исходные данные:

- расход кубовой жидкости

t_w=117.576°С – начальная температура кубовой жидкости

t_кон=20 °С – конечная температура кубовой жидкости

t_внач=15 °С – начальная температура воды