Расчет ректификационной колонны. 14
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионально образования
«Сибирский Федеральный Университет»
Институт Нефти и Газа
Кафедра химической технологии природных энергоносителей и углеродных материалов
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
ПРОЕКТ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ
Руководитель __________ _________________ _____________________
Студент ___________ ________________ ____________ __________________
номер группы номер зачетной книжки подпись, дата инициалы, фамилия
Красноярск 2012
Реферат
В данном курсовом проекте приведены результаты расчета ректификационной установки для разделения смеси пентан – циклогексан. Рассчитано и подобрано основное, и вспомогательное оборудование.
При расчете высоты
колонны использовался метод
определения числа
Пояснительная записка содержит 34 страниц, 4 приложения, 4 таблицы, 3 литературных источника, 1 рисунок и графическую часть из 1 листа формата А1.
Введение
Ректификация - массообменный процесс, который осуществляется в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки). В процессе ректификации происходит непрерывный обмен между жидкой и паровой фазой. Жидкая фаза обогащается более высококипящим компонентом, а паровая фаза - более низкокипящим. Процесс массообмена происходит по всей высоте колонны между стекающей вниз флегмой и поднимающимся вверх паром. Чтобы интенсифицировать процесс массообмена применяют контактные элементы, что позволяет увеличить поверхность массообмена. В случае применения насадки жидкость стекает тонкой пленкой по ее поверхности, в случае применения тарелок пар проходит через слой жидкости на поверхности тарелок. В данной работе приведен расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной смеси пентан - циклогексан.
Ректификация применяется для получения продуктов с заданной концентрацией компонентов и высокими выходами, широко используется в нефтегазопереработке, химической, нефтехимической, пищевой и других отраслях промышленности.
Процесс ректификации осуществляют в ректификационной установке, включающей ректификационную колонну, дефлегматор, холодильник-конденсатор, подогреватель исходной смеси, сборники дистиллята и кубового остатка. Дефлегматор, холодильник-конденсатор и подогреватель представляют собой обычные теплообменники. Основным аппаратом установки является ректификационная колонна, в которой пары перегоняемой жидкости поднимаются снизу, а навстречу парам сверху стекает жидкость, подаваемая в верхнюю часть аппарата в виде флегмы. В большинстве случаев конечными продуктами являются дистиллят (сконденсированные в дефлегматоре пары легколетучего компонента, выходящие из верхней части колонны) и кубовый остаток (менее летучий компонент в жидком виде, вытекающий из нижней части колонны).
Процесс ректификации может
протекать при атмосферном
В промышленности применяют насадочные, колпачковые, ситчатые, клапанные, пленочные, трубчатые колонны и другие. Они различаются в основном конструкцией внутреннего устройства аппарата, назначение которого — обеспечение взаимодействия жидкости и пара. Это взаимодействие происходит при барботировании пара через слой жидкости на тарелках, либо при поверхностном контакте пара и жидкости на насадке или поверхности жидкости, стекающей тонкой пленкой.
Тарельчатые колонны нашли широкое применение в промышленности. Это массообменные вертикальные колонные аппараты, секционированные по высоте поперечными контактными массообменными устройствами (тарелками). Восходящий поток пара последовательно барботируется через слои жидкости на тарелках. В барботажном режиме работают ситчатые, колпачковые, клапанные, а также провальные тарелки. Для тарелок первых трех типов барботаж газа и движение жидкости происходят в условиях перекрестного тока благодаря равномерно распределенным на полотне тарелок их элементам (отверстиям, колпачкам, клапанам) и наличию переливных устройств. На провальных тарелках реализуется противоточный контакт фаз. Для тарельчатых колонн характерны высокая четкость разделения исходной смеси, широкий диапазон нагрузок по пару и жидкости, высокая производительность. Недостатками данных колонн являются: высокая стоимость вследствие сложности устройства, а также повышенное гидравлическое сопротивление.
Колпачковые тарелки показывают неплохую массообменную эффективность, имеют значительный интервал нагрузок по пару. Пары с предыдущей тарелки попадают в паровые патрубки колпачков и барботируют через слой жидкости, в которую частично погружены колпачки. Колпачки имеют отверстия или зубчатые прорези, расчленяющие пар на мелкие струйки для увеличения поверхности соприкосновения его с жидкостью. Ограниченность их применения заключается в дороговизне по причине повышенной металлоемкости. Кроме того, колпачковые тарелки обладают повышенным гидравлическим сопротивлением, склонны к забивке.
Целью расчета данного проекта является определение диаметра, высоты и гидравлического сопротивления колонны при заданных составах исходной смеси и подбор колонны и вспомогательного оборудования согласно ГОСТ.
1. Описание технологической схемы
На питающую тарелку колонны поступает исходная смесь, нагретая до температуры tF.
В верхней части колонны
навстречу парам направлен
В нижней части колонны подается восходящий поток паров. Для этого вниз колонны тем или иным образом подводится тепло. При этом часть жидкости, стекающей с нижней тарелки, испаряется, образуя поток паров.
В результате массообмена с жидкостью, пар обогащается легколетучим компонентом.
Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике и направляется в емкость. Из кубовой части колонны насосом непрерывно выводится кубовая жидкость – продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике и направляется в емкость.
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).
2. Физико-химические свойства компонентов исходной смеси
Низкокипящим компонентом исходной смеси является пентан. Пентан бесцветная жидкость, со слабым запахом, растворим в органических растворителях и практически не растворим в воде. Формула CH3(CH2)3CH3.
Ткип=36,07°С, М= 72,146, Тплав=129,72°С, ρ=0,6260.
Пентаны выделяют из конденсатов природного газа, из нефти, лёгких потоков сланцевой смолы, из углеводородов, синтезируемых из CO и H2 (синтез-газа).
Пентановую фракцию (НК-62) используют как сырье для процесса изомеризации. н-Пентан при этом превращается в смесь изомеров. Обогащенная изопентанами фракция используется как компонент бензинов или служит для выделения изопентана — сырья для получения изопрена, который является мономером для синтеза синтетических каучуков. Также пентаны в составе прямогонных бензиновых фракций нефти используются при производстве нефтяных растворителей. Класс опасности четвёртый – малоопасные вещества.
Высококипящий компонент смеси – циклогексан.
Формула .
Циклогексан бесцветная жидкость с характерным запахом. Не растворим в воде, смешивается со спиртами, простыми и сложными эфирами, аминами и жирными кислотами. Образует азеотропные смеси с водой и бензолом.
При обычных температурах молекула циклогексана существует в виде двух кресловидных конформаций, быстро переходящих одна в другую.
Длины связей (нм): 0,15 (С—С), 0,11 (С — Н), угол ССС 111,4°.
М=84,16, Тплав=6,5 °С, Ткип=79-81 °С, ρ=0.779.
По химическим свойствам циклогексан типичный представитель циклоалканов. При жидкофазном окислении воздухом при 142-145 °С и 0,7 МПа образует смесь циклогексанона и циклогексанола. Нитрование 30%-ной HNO3 или NO2 приводит к нитроциклогексану, при действии более концентрированнойHNO3 окисляется до адипиновой кислоты. При дегидрировании циклогексана над Ni, мелкораздробленной Pt или Pd образуется бензол, при действии брома - гексабромбензол, при хлорировании - хлорциклогексан с примесью полихлорпроизводных, при действии йода - бензол. При нагревании до 30-80 °С над А1С13 циклогексан изомеризуется в метилциклопентан. Пиролиз циклогексана при 450-600 °С дает смесь насыщенных и ненасыщенных углеводородов.
Получают циклогексан гидрированием бензола в жидкой фазе над Ni при 150-250 °С и 1-2,5 МПа (выход 99%), а также выделяют ректификацией из нефтепродуктов.
С6Н6 + ЗН2 = C6H12
Циклогексан- сырье в органическом синтезе, растворитель эфирных масел, восков, лаков, красок и другое, экстрагент в фармацевтической промышленности.
Циклогексан раздражает дыхательные пути. ПДК в атм. воздухе 1,4 мг/м3.
3. Технологический расчет колонны
3.1 Материальный баланс
Для дальнейших расчетов мольные концентрации НК в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке переведем в массовые по формуле:
Где – массовая доля низкокипящего компонента в жидкости;
– молярная масса низкокипящего компонента смеси;
- молярная масса высококипящего компонента смеси.
Молярная масса низкокипящего компонента пентана =72 кг/кмоль, молярная масса высококипящего компонента циклогексана =84кг/кмоль (табл. XLIV [1]).
Массовый расход кубового остатка и дистиллята вычислим из системы уравнений:
Где - массовый расход исходной смеси, кг/с;
-массовый расход дистиллята, кг/с;
- массовый расход кубового остатка, кг/с;
-массовая доля низкокипящего
компонента в исходной
- массовая доля низкокипящего компонента в дистилляте, кг/кг;
- массовая доля низкокипящего компонента в кубовом остатке, кг/кг.
Выразим из уравнения (3.1.2)
Сделаем подстановку в уравнение (3.1.3)
Раскроем скобки и проведем вычисления
кг/с
Сделаем подстановку в уравнение (3.1.4)
кг/с.
Выписываем данные о равновесии смеси пентан-циклогексан.
Таблица 1 – Данные о равновесии смеси пентан-циклогексан.
Содержание НК |
Температура t, °C |
Содержание НК |
Температура t, °С |
Давление, мм.рт.ст. | ||
в жидкости, х |
в паре, у |
|||||
0.0 |
0.0 |
80.75 |
31.2 |
65.4 |
58.5 |
760 |
0.8 |
3.5 |
79.9 |
34.5 |
68.8 |
56.7 | |
2.1 |
9.3 |
78.4 |
37.7 |
71.35 |
55.3 | |
3.5 |
13.7 |
77.2 |
40.75 |
74.2 |
53.95 | |
6.2 |
21.4 |
74.75 |
45.3 |
77.75 |
52.05 | |
8.25 |
27.15 |
73.0 |
52.8 |
82.1 |
49.25 | |
10.7 |
33.9 |
70.8 |
55.8 |
83.55 |
48.3 | |
13.5 |
39.3 |
69.05 |
59.5 |
86.0 |
46.95 | |
15.45 |
43.25 |
67.55 |
63.6 |
87.5 |
45.7 | |
17.9 |
47.35 |
65.95 |
66.45 |
88.85 |
44.7 | |
20.0 |
51.3 |
64.6 |
73.0 |
91.7 |
42.9 | |
22.0 |
54.0 |
63.65 |
78.0 |
93.5 |
41.5 | |
22.7 |
55.3 |
63.0 |
83.55 |
95.2 |
39.95 | |
25.4 |
58.6 |
61.45 |
87.6 |
96.35 |
39.0 | |
27.7 |
61.55 |
60.2 |
100 |
100 |
36.05 | |
На основании табличных данных строим диаграмму равновесия х-у (прил.1) и диаграмму t-х-у (прил.Б).
3.2 Определение оптимального флегмового числа
Определим минимальное флегмовое число
Где – мольнаядоля низкокипящего компонента в дистилляте, кмоль/кмоль;
–мольная доля низкокипящего компонента в исходной смеси, кмоль/кмоль;
- мольная доля низкокипящего компонента в паре, равновесном исходной смеси, определяется по диаграмме х-у (прил.А)
Оптимальное флегмовое число определим из условия получения минимального объема колонны, пропорционального произведению n(R+1), где n-число ступеней изменения концентрации ( теоретическое число тарелок).
Расчет оптимального флегмового числа проводим следующим образом: а) задаем рядом значений коэффициентов избытка флегмы β в пределах от 1,1 до 3,0, определяем рабочее флегмовое число и величину отрезка
;
b) откладываем отрезок В на оси ординат и проводим линии рабочих концентраций верхней и нижней части колонны;
с) между равновесной и рабочей линиями в пределах концентраций и строим ступени, каждая из которых соответствует теоретической тарелке;
d) при каждом значении β определяем число теоретических тарелок nи величину произведения n(R+1) (прил.В). Результаты расчета сводим в таблицу 2.
Таблица 2 – Данные для расчета оптимального флегмового числа
β |
R |
B |
N |
n(R+1) |
1,1 |
1,518 |
0,38 |
12 |
30,216 |
1,5 |
2,070 |
0,31 |
8 |
24,56 |
1,9 |
2,622 |
0,27 |
7 |
25,354 |
2,3 |
3,174 |
0,23 |
6 |
25,044 |
2,7 |
3,726 |
0,20 |
6 |
28,356 |
3,1 |
4,278 |
0,18 |
6 |
31,668 |
e) по данным таблицы 2 строим график зависимости n(R+1) отR (прил.Г) и находим минимальное значение величины n(R+1). Ему соответствует флегмовое число R=2,65.
Эту величину принимаем в дальнейших расчетах за оптимальное рабочее число флегмы.
3.3 Определение скорости пара и диаметра колонны
Рассчитаем средние концентрации низкокипящего компонента в жидкости и в паре и средние температуры жидкости и пара по высоте колонны.
Средняя концентрация пентана в жидкости:
а) в верхней части колонны
, массовая концентрация ;
б) в нижней части колонны
=, массовая концентрация =0,13.
Средние
температуры жидкости
При - °С
При - °С
Средняя плотность жидкости по высоте колонны определяется по формуле
Где ,– плотности низкокипящего и высококипящего компонентов при средней температуре в колонне, кг/ [1].
а) в верхней части колонны
б) в нижней части колонны
Для колонны в целом
Средняя концентрация пентана в паре:
Мольные концентрации дистиллята, исходной смеси и кубового остатка низкокипящего компонента определим по диаграмме х-у: =0,415, =0,96, =0,05.
а) в верхней части колонны
==0,688;
б) в нижней части колонны
= =0,233.
Средние температуры пара определяем по диаграмме t-х-у (прил.Б)
При =0,688 - =57,7°С
При =0,233 - =74,3°С
Молекулярная масса пара определяется по формуле:
Плотность пара по формуле:
а) в верхней части колонны
72*0,688+84*0,312=75,744 кг/кмоль
кг/м3
б) в нижней части колонны
72*0,233+84*0,767=81,204 кг/кмоль
= 2,8 кг/м3
Средняя плотность пара в колонне =2,8 кг/м3.
Рассчитаем допустимую скорость пара в колонне по формуле:
Где С – коэффициент величина которого зависит т конструкции тарелки, расстояния между тарелками и поверхностного натяжения жидкости. Принимаем предварительно расстояние между тарелками = 450 мм, тогда С=630. ( рисунок 10 [2]);
, – средняя плотность жидкости и пара в колонне
Диаметр ректификационной колонны рассчитаем по формуле:
Где – объемный расход пара поступающего в дефлегматор, м3/с
– допустимая скорость пара в колонне, м/с.
Объемный расход пара поступающего в дефлегматор рассчитаем по формуле:
Где – массовыйрасход дистиллята, кг/с;
R– оптимальноефлегмовое число;
– мольная масса дистиллята, кг/кмоль
Тогда,
Диаметр колонны,
Принимаем стандартный диаметр колонны =1,4 м ( прил.5.2 [3])
Составим таблицу основных параметров колонны
Таблица 3 – Параметры ректификационной колонны с диаметром 1,4м.
Свободное сечение колонны, м2 |
Длина линии барботажа, м |
Периметр слива Lc, м |
Сечение перелива, м2 |
Свободное сечение тарелки, м2 |
Относительная площадь для прохода паров Fc, % |
1,54 |
15,4 |
1,09 |
0,198 |
0,162 |
10,5 |
Вычислим действительную скорость пара в колонне:
3.4 Определение высоты колонны
Высоту колонны определяем графо-аналитическим методом: последовательно рассчитываем коэффициенты массоотдачи, массопередачи, коэффициенты полезного действия тарелок, затем строим кинетическую кривую и определяем число действительных тарелок.
Рассчитываем коэффициент массоотдачи в паровой фазе по формуле:
Где – коэффициент диффузии паров компонента А в парах компонента В, рассчитывается по формуле:
где Т – температура, К;
Р - абсолютное давление, кгс/см2;
– мольные массы пара
νА, νВ – мольные объемы компонентов А и В, определяются как сумма атомных объемов элеменетов, входящих в состав пара [1];
– критерий Рейнольдса для паровой фазы, рассчитывается по формуле:
Где – динамический коэффициент вязкости пара, Па*с:
Где – мольные массы пара и отдельных компонентов, кг/кмоль;
– соответствующие им
- объемные доли компонентов смеси.
Коэффициент диффузии паров пентана в парах циклогексана:
а) в верхней части колонны
б) в нижней части колонны
Коэффициент динамической вязкости паров пентана и циклогексана:
а) в верхней части колонны при t=56,7 °С. =0,0068 мПа*с, =0,0077 мПа*с[].
б) в нижней части колонны при t=74,3 °С. ,
Критерий Рейнольдса для паровой фазы:
а) в верхней части колонны
б) в нижней части колонны
Коэффициент массоотдачи в паровой фазе:
а) для верхней части колонны
б) для нижней части колонны
Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе рассчитаем по формуле:
Где – коэффициент диффузии в жидкости, м2/с;
– средняя мольная масса жидкости в колонне, кг/кмоль. Рассчитывается по формуле:
– диффузионный критерий Прандтля. Рассчитывается по формуле:
Коэффициент диффузии в жидкости при 20°С можно вычислить по приближенной формуле:
Где – коэффициент динамической вязкости жидкостей мПа*с;
– мольные объемы компонентов А и В [1];
– мольные массы компонентов А и В, кг/кмоль;
А,В – коэффициенты зависящие от свойств низкокипящего и высококипящего компонентов[1].
Коэффициент диффузии пара в жидкости при соответствующей температуресвязан с коэффициентом диффузии следующей приближенной зависимостью
в которой
температурный коэффициент bмож
где – динамический коэффициент вязкости жидкости при 20°С, мПа*с;
– плотность жидкости, кг/м3.
Динамический коэффициент вязкости жидкости:
а) в верхней части колонны при t=47.
б) в нижней части при t=69. =0,15мПа*с, =0,43мПа*с [4].
Коэффициент диффузии пентана в жидком циклогексане при t=20.
а) для верхней части колонны
б) для нижней части колонны
Расчет температурного коэффициента:
а) для верхней части колонны
б) для нижней части колонны
Коэффициенты диффузии пара пентана в циклогексане при соответствующей температуре в колонне:
а) для верхней части колонны
б) для нижней части колонны
Критерий Прандтля:
а) для верхней части колонны
б) для нижней части колонны
Средняя мольная масса жидкости в колонне:
а) для верхней части колонны
б) для нижней части колонны
Определяем коэффициент массоотдачи:
а) для верхней части колонны
б) для нижней части колонны
Коэффициент массопередачи определяем из уравнения:
Где m – тангенс угла наклона линии равновесия на рабочем участке. Для определения угла наклона разбиваем ось х на участке и для каждого из них находим среднее значение тангенса как отношение разности () к разности (х-) в том же интервале, т.е.:
Подставляя найденные значения коэффициентов массопередачи βп и βж и тангенсов углов наклона линии равновесия в уравнение, находим величину коэффициента массопередачи для каждого значения х в пределах от хWдо хD.
Полученные значение ку используют для определения числа единиц переноса ny в паровой фазе. Число единиц переноса рассчитываем по формуле:
Где * – отношение рабочей площади к свободному сечению колонны. Принимаем *=0,8.
– действительная скорость
Р – давление в колонне.
Допуская полное перемешивание жидкости на тарелке, имеем
где - коэффициент обогащения тарелки или КПД тарелки.
Таблица 4 – Параметры, необходимые для построения кинетической кривой
х |
хW |
0,15 |
хF |
0,35 |
0,55 |
0,7 |
0,85 |
tgα=m |
3,1 |
1,67 |
1,16 |
0,69 |
0,43 |
0,32 |
0,29 |
Ky |
0,0075 |
0,011 |
0,015 |
0,022 |
0,029 |
0,034 |
0,036 |
ny |
0,176 |
0,24 |
0,336 |
0,488 |
0,64 |
0,76 |
0,8 |
* |
0,16 |
0,22 |
0,29 |
0,39 |
0,5 |
0,54 |
0,56 |
Между кривой равновесия и линиями рабочих концентраций в соответствии с табличными значениями х проводим ряд прямых, параллельных оси ординат (прил. 5). Измеряем полученные отрезки А1С1, А2С2, А3С3 и т.д. и делим их в соотношении *=АВ/ВС, т.е. определяем величину отрезков А1В1, А2В2, …, АnВn.Через найденные для каждого х значения В проводим кинетическую кривую , отображающую степень приближения фаз на тарелках к равновесию.
Число действительных тарелок nд находим путем построения ступенчатой линии между кинетической кривой и рабочими линиями в пределах от хD до хW.
Путем построения получаем 20 действительных тарелок (10 в верхней части и 10 в нижней части), которые и обеспечивают разделение смеси в заданных пределах изменения концентраций. Исходная смесь должна подаваться на 10 тарелок сверху.
Высота тарельчатой части:
Общая высота колонны:
Где – расстояние между верхней тарелкой и крышкой колонны;
– расстояние между нижней тарелкой и днищем колонны[2].
В
соответствии с рассчитанным диаметром
колонны по каталогу-справочнику[3]
Таблица 5 – Основные характеристики колпачковой тарелки
Рабочая площадь тарелки, % |
Диаметр колпачка dк, мм |
Высота колпачков hк, мм |
Ширина прорези b, мм |
Число прорезей n |
Диаметр парового патрубка dп, мм |
Высота прорези hпр, мм |
51,1 |
100 |
90 |
4 |
36 |
70 |
20 |
Нагрузку по жидкости на единицу длинны сливной перегородки (борта) определяем по наиболее загруженной, нижней части колонны:
Объемный расход жидкости в нижней части колонны:
Нагрузка по жидкости на единицу длинны сливного борта:
Фактическая нагрузка не превышает допустимую (65 [1] и это должно обеспечить равномерное распределение пара по сечению тарелки.
Проверим, будет ли обеспеченно полное открытие прорезей, необходимое для оптимальной работы тарелки.
Скорость
необходимая для полного
