Расчет и проектирование ректификационной установки непрерывного действия для разделения бинарной смеси бутан-изобутан

Министерство  образования и науки РФ.

Федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования «Тюменский государственный  нефтегазовый университет»

Филиал  «Тобольский индустриальный институт»

 

 

 

 

Кафедра ХиХТ

 

 

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К КУРСОВОМУ  ПРОЕКТУ

По  дисциплине: «Процессы и аппараты химической технологии».

на  тему: «Расчет и проектирование ректификационной установки непрерывного действия для  разделения бинарной смеси  бутан-изобутан».

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: ст. гр. МХП-09

            Мунарев Д.О.

Проверил: Казакова Т. М.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тобольск 2012г.

Содержание

Введение 4

I. Технологический расчет 6

1.1.Исходные данные 6

1.2. Материальный баланс 7

1.2. Определение температуры в колонне 10

1.3. Построение диаграммы фазового равновесия в координатах y-x 11

1.4. Определение числа теоретических тарелок 13

1.5. Определение расхода пара и флегмы в колонне 15

II. Тепловой расчет 18

III. Гидравлический расчет 19

3.1 Внутренние материальные потоки 19

3.2. Определение диаметра колонны 22

3.3. Конструкция тарелок. Расчет гидравлического сопротивления тарелок 24

3.4. Гидравлический расчёт сопротивления тарелок. 29

3.4. Определение числа действительных тарелок и высоты колонны 31

3.5. Определение давления в колоне 33

IV. Конструктивный расчет 34

4.1. Толщина обечайки 34

4.2.Толщина днища 34

V. Определение диаметра штуцеров. 35

VI. Определение толщины тепловой изоляции 38

VII. Определение площади поверхности кипятильника и дефлегматора 40

VIII. Выбор КИП и узлов автоматики 42

Список используемой литературы 45

Приложение 47

 

 

Введение

В химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности часто возникает  необходимость разделить смеси  двух или большего числа компонентов на отдельные составляющие. Наиболее характерным примером является разделение нефтепродуктов на отдельные фракции, обладающие различными летучестями.

Процесс разделения основан  на том, что все жидкости, составляющие смеси, имеют разные летучести или, иначе говоря, - разные температуры  кипения при одинаковом внешнем  давлении. Следствием такого свойства жидкостей является различное количество паров компонентов над жидкой смесью. Пары над смесью оказываются  обогащенными парами более летучих  компонентов. Если смесь таких паров  отделить от жидкой фазы и полностью  сконденсировать, то состав полученного  конденсата будет таким же, что  и состав паров. Следовательно, новая  жидкая смесь окажется в большей  степени обогащенной относительно более летучим компонентом по сравнению с исходной жидкой смесью.

Для этого широко применяют  ректификацию, которая осуществляется в аппаратах, называемых ректификационными  колоннами. Они бывают с непрерывным  контактом фаз - насадочные колонны, и со ступенчатым контактом фаз - аппараты тарельчатого типа (с колпачковыми, ситчатыми, клапанными, s-образными и решетчатыми тарелками).

В тарельчатой колонне  жидкая и газовая фазы контактируют только на тарелках, где газ барботирует через слой жидкости. Жидкость перетекает с верхней тарелки на нижнюю по вертикальным перетокам, а газовая фаза проходит снизу вверх через отверстия тарелок и всплывает в слоях жидкости в виде многочисленных пузырьков. Поверхностью контакта фаз является суммарная поверхность всех газовых пузырьков, в слоях жидкости на тарелках.

Подлежащая разделению бинарная смесь начального состава  вводится на некоторую промежуточную  по высоте колонны тарелку. Смесь  подается при температуре ее кипения (или близкой к ней). В кубе-испарителе из кипящей в нем кубовой жидкости непрерывно образуется пар. Чтобы поддержать энергоемкий процесс парообразования, в куб необходимо подавать греющий  водяной пар, при конденсации  которого выделяется необходимая теплота. Образующиеся в кубе-испарителе пары движутся вверх, вступают в контакт  с более холодной жидкой фазой, в результате чего обогащаются более летучим компонентом. При этом жидкость обедняется им. Пройдя весь путь пар поступает в дефлегматор, где конденсируется, делится на два потока (флегму и дистиллят). Флегма возвращается в колонну, чтобы паровому потоку было из чего извлекать летучий компонент, обедняется более летучим компонентом и приходит в куб-испаритель. Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный процесс разделения подаваемой в колонну исходной смеси на дистиллят и кубовый остаток. Основные достоинства тарельчатых колонн - способность работать при больших нагрузках по жидкости; на потоках жидкости и пара, содержащих механические примеси; на агрессивных потоках. Эти колоны просты по монтажу и изготовлению, долговечны.

 

I. Технологический расчет

1.1.Исходные данные

Задачей данного курсового проекта, является расчет ректификационной установки для разделения бинарной смеси бутан-изобутан, используя в качестве контактирующего устройства колпачковые тарелки.

Данные по компонентам разделяемой  смеси [(5), стр.247-255].

Низкокипящий компонент (НКК) – изобутан, температура кипения = -11,73, молярная масса = 58,12 г/моль.

Высококипящий компонент (ВКК) – бутан, температура кипения = -0,5, молярная масса = 58,12 г/моль.

Рис.1. Схема ректификационной установки: 1-колонна, 2-дефлегматор (конденсатор-холодильник), 3-делитель флегмы, 4-кипятильник

 

1.2. Материальный баланс

Массовый расход получаемых дистиллята _{кубового остатка определяются из уравнения материального баланса колонны по} потокам и низкокипящему компоненту:

_{= +}

 

 

₌ 8400 (кг/ч)

 

Проверка: _{= + =} 9600 + 8400 = 18000 (кг/ч)

Находим массовый расход изобутана и бутана в дистилляте и кубовом остатке по формулам (3),(4),(5)[2]

 

 

 

₍кг/ч)

₍кг/ч)

₍кг/ч)

₍кг/ч)

₍кг/ч)

₍кг/ч)

Проверка:

 

Находим мольные расходы бутана и изобутана в продуктах разделения смеси _{по формулам (7), (8), (9)[2]:}

₌

₌

₌

Где i – компонент смеси; _маса i-того компонента смеси:

₌ (кмоль/ч)

_{= (кмоль/ч)}

_{= (кмоль/ч)}

_{= (кмоль/ч)}

_{= (кмоль/ч)}

₌ (кмоль/ч)

Проверка: _{= (кмоль/ч)}

₌ (кмоль/ч)

Находим мольный состав получаемых дистиллята _{и кубового остатка по формулам (10), (11), (12) [}2]:

_{=;                     =;                     =}

 

 

 

 

 

 

Проверка: ₌ =

0,47 + 0,53 = 1;                0,95 + 0,05 = 1;                0,05 + 0,95 = 1

 

Материальный баланс колонны представлен  в таблице 1.

Таблица 1

Компоненты	Молярная масса, М, кг/кмоль	Сырье,				Дистиллят,				Кубовый остаток,
		Массовый расход,   , кг/ч	Массовая доля,	Мольный расход, , кмоль/ч	Мольная доля,	Массовый расход,   , кг/ч	Массовая доля,	Мольный расход, , кмоль/ч	Мольная доля,	Массовый расход,   , кг/ч	Массовая доля,	Мольный расход, , кмоль/ч	Мольная доля,
Изобутан	58,12	8460	0,47	145,56	0,47	7980	0,95	137,3	0,95	480	0,05	8,26	0,05
Бутан	58,12	9540	0,53	164,14	0,53	420	0,05	7,23	0,05	9120	0,95	156,91	0,95
Сумма		18000	1,00	309,7	1,00	8400	1,00	144,23	1,00	9600	1,00	165,17	1,00

 

 

 

1.2. Определение  температуры в колонне

В верхнем продукте содержится 0,95% масс изобутана, поэтому температура кипения такой смеси будет незначительно отличатся от температуры кипения чистого изобутана, который при давлении 8,63 бар составляет 60. В этом случае для конденсации паров, поступающих с верха колонны можно использовать воду. В тоже время температура кипения смеси в кубе колонны не может значительно отличатся от температуры кипения ВКК – бутана, так как содержание в кубовом продукте составляет 95% масс., следовательно, температура в кубе будет близка к 73, температура при которой кипит бутан при давлении 8,63 бар. Для того, чтобы нагреть до такой температуры выбираем в качестве теплоносителя в кипятильнике насыщенный водяной пар.

 

 

1.3. Построение  диаграммы фазового равновесия  в координатах y-x

Для бинарных смесей, подчиняющихся  закону Рауля, диаграмму фазового равновесия в координатах y – x строят по следующему алгоритму. Температурный интервал вскипания чистого низкокипящего и чистого высококипящего компонента при заданном давлении . В этом интервале температур от до принимается ряд значений температуры. Для каждой температуры определяется давление насыщенных компонентов и рассчитывается из соотношения (20) коэффициенты распределения низкокипящего компонента. Из соотношения (21) рассчитывается мольная концентрация низкокипящего компонента в жидкости, кипящей при выбранной температуре и давлении .

 

= [(2), 20, стр. 11]

 

= [(2), 21, стр. 11]

 

Где – давление насыщенных паров низкокипящего и высококипящего компонентов[(5), стр. 247,251].

После этого из соотношения (21) определяется мольная концентрация НКК в паре , равновесным с жидкостью. Далее строится диаграмма фазового равновесия в координатах y – x.

 

= [(2), 21, стр. 11]

 

Весь расчет и полученные данные приведены в таблице 2.

По данным таблицы 2 строим диаграмму фазового равновесия в  координатах t - x,y (изобарные температурные кривые питания и конденсации паров смеси бутан-изобутан) (См. приложение, рис 1).

 

 

 

Таблица 2.

t,	, бар	, бар	, бар
60	8,63	6,39	8,63	1	1
62	9,07	6,73		0,81	0,85
65	9,74	7,25		0,55	0,62
67	10,18	7,59		0,4	0,47
70	10,84	8,1		0,19	0,24
73	11,62	8,63		0	0

 

Строим диаграмму фазового равновесия бинарной смеси в координатах  y-x (См. приложение, рис 2)

Давление вверху и внизу колонны отличаются от давления в зоне питания незначительно, поэтому по изобарным температурным кривым кипения и конденсации с достаточной точностью можно определить температуры в зоне питания , наверху и в кубе  колонны.

Для нахождения температуры  из точки с абсциссой , соответствующей мольной доле низкокипящего компонента в сырье восстанавливаем перпендикуляр до пересечения с изобарной температурной кривой кипения. Температура в зоне кипения 66. Для определения температуры в кубе колонны восстанавливаем перпендикуляр из точки с абсциссой 0,05 и находим =72. Аналогично определяем температуру верха колонны

 

 

1.4. Определение  числа теоретических тарелок

Минимальное флегмовое число рассчитаем по уравнению [(2),24, стр.12]

 

где - мольная концентрация НКК в паре, равновесном с жидкостью питания; - мольная концентрация НКК в дистилляте; - мольная концентрация НКК в сырье.

 

Для определения оптимального флегмового числа , находится минимум функции f(R) в соответствии с уравнением [(2), 26, стр. 13]:

 

где - [(2), 25, стр. 13], β — коэффициент избытка флегмы.

Для этого принимаем несколько  значений коэффициента избытка флегмы β, для каждого из них вычисляются флегмовые числа R, на диаграмму y - х наносятся рабочие линии верхней и нижней частей колонны в соответствии с их уравнениями [(2), 27,28, стр. 14]:

y = +- уравнение рабочей линии верха колонны,

y = +- уравнение рабочей линии низа колонны,

=- относительный мольный расход сырья,

-мольная концентрация  НКК в кубовой жидкости.

Если доля отгона сырья на входе в колонну равна нулю e=0, рабочие линии верхней и нижней частей колонны пересекутся в точке D, абсцисса которой равна Прямая CD всегда проходит через точку C, абсцисса .

Расчет флегмового числа показан в таблице 3.

 

 

 

Таблица 3.

β	1,1	1,5	2	2,1	2,2	2,5	3
R	6,446	8,79	11,72	12,306	12,89	15,65	17,58
	66	41	27	27	27	24	25
(R+1)	491,44	401,39	343,44	359,26	375,03	375,6	464,5