Расчёт ректификационной колонны для разделения смеси уксусная кислота – бензол производительностью 9600 кг/ч

Волжский политехнический институт (филиал)

Волгоградского государственного технического университета

 

Кафедра «технологические машины и  оборудование»

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

 

тема: «Расчёт ректификационной колонны для разделения смеси

уксусная кислота – бензол производительностью 9600 кг/ч»

 

 

Выполнил: студент группы ВТМ-422

Ололошин А.В.

Проверил:

Лапшина С.В.

 

 

 

 

Волжский 2010

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

2

КП.-34675695-150400.62-1.2.26-11.03.00.000.ПЗ

 

Введение …………………………………………………………………………. 3

Технологическая схема установки  ……………………………………………..  4

Задание на проектирование …………………………………………………….  6

1. Технологический расчёт  аппарата………………………………. . .. . . . .  8

1.1. Материальный баланс  ……………………….………………………..8

2. Определение скорости пара и диаметра колонны. . . . . .. . . . . . . . . . . . . 11

3. Гидравлический расчет  тарелок…………………………………………..15

4. Определение числа тарелок  и высоты колонны…………………...…….18

5. Тепловой расчет……………………………....……………………………21

Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . . . . . . . . . . . . . . .   24

 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

3

КП.-34675695-240100.62-2.20-11.01.ПЗ

1. ВВЕДЕНИЕ

 

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 (низкокипящий компонент), которым обогащаются пары, а из паров конденсируется преимущественно ВК (высококипящий компонент), 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) [2].

 

 

 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

4

КП.-34675695-240100.62-2.20-11.01.ПЗ

2. СХЕМА НЕПРЕРЫВНО  ДЕЙСТВУЮЩЕЙ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ

 

 

Рис.1 – Схема ректификационной установки.

 

 

1- емкость для исходной  смеси; 2 - насос; 3 - подогреватель; 4 –  кипятильник; 5 - ректификационная колонна; 6 - дефлегматор; 7 - холодильник дистиллята; 8 - сборник дистиллята; 9 - насос; 10 - холодильник; 11 - сборник кубового остатка.

Исходная смесь из промежуточной  емкости 1 центробежным насосом 2 подается в теплообменник 3, где подогревается  до температуры кипения. Нагретая смесь  поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где  состав жидкости равен составу исходной смеси Х_F.

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

5

КП.-34675695-240100.62-2.20-11.01.ПЗ

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся  вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка Х_W, то есть, обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью парообогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения  верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкости (флегмы), состава Х_D, которая получается 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, обогащенный  труднолетучим компонентом, который  охлаждается в теплообменнике 10 и направляется в емкость 11.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный  неравновесный процесс разделения исходной смеси на дистиллят с  высоким содержанием легколетучего  компонента и кубовый остаток, обогащенный  труднолетучим компонентом [1].

 

 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

6

КП.-34675695-240100.62-2.20-11.01.ПЗ

ЗАДАНИЕ

Спроектировать  ректификационную колонну для разделения смеси уксусная кислота – бензол при следующих исходных данных: производительность – 9600 кг/ч, содержание легколетучего компонента: куб – 12, исход. – 70, дистил. – 96 %, температура исходной смеси – 50 ^оС, давление в колонне – 1,0 атм., колонна тарельчатая.

Смесь для ректификации: хлороформ (СН₃СOOH) и бензол (C₆H₆).

 

 

 

 

 

Равновесие в системе  пар – жидкость при давлении 760 мм. рт. ст.:

Уксусная кислота  - бензол

 

 

 

 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

7

КП.-34675695-240100.62-2.20-11.01.ПЗ

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОСНОВНОГО АППАРАТА

1.1. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС

Обозначим весовой расход дистиллята через G_D [кг/ч], расход кубового остатка G_W  [кг/ч] и расход исходной смеси G_F [кг/ч]. Массовый расход дистиллята G_D и кубового остатка G_W определяем из уравнения материального баланса колонны по низкокипящему компоненту (по уксусной кислоте):

        

Проверяем:

                    

Для дальнейших расчетов необходимо концентрации питания, дистиллята и  кубового остатка выразить в молярных долях. Посчитаем молярные массы  веществ участников реакции:

М(CH₃COOH)=60,05 г/моль                  M(C₆H₆)=78 г/моль

   

 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

8

КП.-34675695-240100.62-2.20-11.01.ПЗ

Питание: 

Дистиллят:

Кубовый остаток: 

Относительный мольный расход питания:

       

Определим минимальное число  флегмы:

 

     

 

 

 

 

 

 

 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

9

КП.-34675695-240100.62-2.20-11.01.ПЗ

 

y^*=0,91

     

где  - мольная доля уксусной кислоты в паре, равновесном с жидкостью питания, определяется по диаграмме y^*-x

Рабочее число флегмы: R = 1,3·R_min + 0,3;  R = 1,3·0,373+ 0,3= 0,7849

Уравнение рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части  колонны:

   

  у = 0,4397 + 0,5428

б) нижней (исчерпывающей) части  колонны:

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

10

КП.-34675695-240100.62-2.20-11.01.ПЗ

; 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

11

КП.-34675695-240100.62-2.20-11.01.ПЗ

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ  ПАРА И ДИАМЕТРА КОЛОННЫ

Средние составы пара:

а) в верхней  части колонны:

;   

б) в нижней части  колонны:

   

Средние составы  пара находим по уравнениям рабочих  линий:

а) в верхней  части колонны:

= 0,665 + 0,314 = 0,665∙0,8605+0,314= 0,886

б) в нижней части колонны:

= 1,215 - 0,017 = 1,215 ·0,4513 – 0,017 = 0,531

Средние температуры пара определяем по диаграмме t-y,x:

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

12

КП.-34675695-240100.62-2.20-11.01.ПЗ

 

а) при  = 0,886  = 102 ºС,

б) при  = 0,531     =  85 ºС.

Средние мольные массы  и плотности пара:

а) = ∙М_ук+(1- )∙М_б = 0,886·60,05 + (1-0,886) ·78 = 62,1 кг/кмоль

б) = ∙М_ук+(1- )∙М_б = 0,531·60,05+ (1-0,531)·78 =68,47 кг/кмоль

 

 

 

Средняя плотность пара в  колонне:

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

13

КП.-34675695-240100.62-2.20-11.01.ПЗ

Температура вверху колонны при  х_D = 0,969  t = 102,6 ºС, а в кубе–испарителе при x_W = 0,1506  t = 81,6º С. Плотность уксусной кислоты при t = 102,6 ºС p_х=953,3 кг/м³, а бензола при t = 81.6 ºС - p_б = 813,2 кг/м³.

 

Расстояние между тарелками  h=300мм.

Определим скорость пара в  колонне по следующему уравнению:

     м/с

Объемный расход, проходящего  через колонну пара при средней  температуре в колонне:

;   ⁰C

;

М_D= кг/кмоль

 м³/с

Диаметр колонны:

      м

 

 

 

По каталогу-справочнику  принимаем D = 2000 мм

Тогда скорость пара в колонне  будет равна:

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

14

КП.-34675695-240100.62-2.20-11.01.ПЗ

  ;   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

15

КП.-34675695-240100.62-2.20-11.01.ПЗ

3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ  ТАРЕЛОК

Принимаем следующие значения ситчатой тарелки: диаметр отверстия d₀= 4 мм, высота сливной перегородки h_п = 40 мм, свободное сечение тарелки (суммарная площадь отверстий) 8% от общей площади тарелки. Площадь, занимаемая двумя сегментными переливными стаканами, составляет 20% от общей площади тарелки.

Рассчитаем гидравлическое сопротивление тарелки в верхней  и нижней части колонны:

Сопротивление пароожиженного слоя на тарелке:

а) Верхняя часть колонны.

Гидравлическое сопротивление  сухой тарелки: