Проектирование ректификационной установки для непрерывного разделения смеси: бензол-уксусная кислота под атмосферным давлением

Санкт-Петербургский  государственный технологический  институт

(Технический университет)

 

 

 

 

Кафедра процессов и  аппаратов    Факультет  химической технологии     Курс   

Группа         

 

 

 

Учебная дисциплина: Процессы и аппараты химической технологии

 

 

 

 

 

Курсовой Проект

 

 

 

Тема: Проектирование ректификационной установки для непрерывного  разделения смеси: бензол-уксусная кислота под атмосферным давлением

 

 

 

 

 

 

 

 

Студент    ____________           .  

 

 

Руководитель                                                                  

          _____________   

 

 

Оценка за

курсовой проект   _____________

                                                       

 

 

Санкт-Петербург

                                                            20 год

Задание на курсовой проект:

 

Вариант N 62

 

Спроектировать ректификационную установку для непрерывного разделения смеси: бензол-уксусная кислота под атмосферным давлением. Сделать подробный расчёт ректификационной колонны и дефлегматор (режим движения воды - турбулентный). Куб-испаритель, паровой подогреватель исходной смеси, холодильники кубового остатка и дистиллята рассчитать приближенно. Выбрать стандартные аппараты. Сделать чертёж общего вида холодильника дистиллята и эскиз технологической схемы установки.

 

   ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ  ДЛЯ РАСЧЁТА:

1. Колонна с колпачковыми тарелками.
2. Производительность установки по исходной смеси 12 т/час.
3. Концентрация легколетучего компонента в исходной смеси 60%масс.
4. Концентрация легколетучего компонента в дистилляте 78%масс.
5. Концентрация легколетучего компонента в кубовом остатке 3%масс.
6. Температура исходной смеси 20 .
7. Температура охлаждающей воды меняется с 15 до 25 .
8. Готовые продукты охлаждаются до 20 .
9. Давление греющего пара 1.5 атм (изб).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

Введение…………………………………………………......................4

1 Аналитический  обзор……………….………………………...…......6

   1.1 Конструкции ректификационных колонн……………………....6

  1.2 Конструкции ситчатых тарелок………………………………….7

2 Технологический расчет ректификационной колонны

   непрерывного действия для разделения смеси бензол-уксусная

   кислота………………………………………………………………10

   2.1 Материальный баланс…………………...……………….….....10

   2.2 Определение флегмового числа. Уравнения рабочей линии..11

   2.3 Определение средних физических величин потоков пара и

   жидкости…………………………………………………………….12

   2.4 Тепловой расчет установки…………………………………….18

   2.5 Гидравлический  расчёт ректификационной установки  с

   ситчатыми тарелками………………………………………….

      2.5.1 Определение диаметра колонны. Гидравлический расчет

   тарелок……………………………………………………………….

   3.5 Определение эффективности тарелок. Определение числа

    действительных тарелок………………..…………………………..

   3.6 Определение высоты и гидравлического сопротивления

   колонны……………………………………………………………..

   3.7 Подробный расчет холодильника дистиллята…...……….….15

   3.8 Расчет куба-испарителя...…………………....………………...16

   3.9 Расчет подогревателя исходной смеси…………...…………..16

   3.10 Расчет холодильника кубового остатка ……….......…...…...19

   3.11 Расчет конденсатора…………………………….……...…….20

Заключение………...………….………………………………….…...22

Список использованной литературы………….…...……….……….27

Приложения…..…………………………………………………….…30

   Диаграмма равновесия жидкость-пар……………………......…...30

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

В ряде производств химической, нефтяной, пищевой и других отраслей промышленности в результате различных технологических  процессов получают смеси жидкостей, которые необходимо разделить на составные части.

Для разделения смесей жидкостей  и сжиженных газовых смесей в промышленности применяют способы простой перегонки (дистилляции), перегонки под вакуумом и с водяным паром, молекулярной перегонки и ректификации. Ректификацию широко используют в промышленности для полного разделения смесей летучих жидкостей, частично или целиком растворимых одна в другой.

Сущность процесса ректификации сводится к выделению из смеси  двух или в общем случае нескольких жидкостей с различными температурами  кипения одной или нескольких жидкостей в более или менее  чистом виде. Это достигается нагреванием и испарением такой смеси с последующим многократным тепло- и массообменом между жидкой и паровой фазами; в результате часть легколетучего компонента переходит из жидкой фазы в паровую, а часть менее летучего компонента - из паровой фазы в жидкую.

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 давлении, а также при давлениях выше и ниже атмосферного. Под вакуумом ректификацию проводят, когда разделению подлежат высококипящие жидкие смеси. Повышенные давления применяют для разделения смесей, находящихся в газообразном состоянии при более низком давлении. Степень разделения смеси жидкостей на составляющие компоненты и чистота получаемых дистиллята и кубового остатка зависят от того, насколько развита поверхность фазового контакта, и следовательно, от количества орошающей жидкости (флегмы) и устройства ректификационной колонны.

В промышленности применяют  колпачковые, ситчатые, насадочные, пленочные  трубчатые колонны и центробежные пленочные ректификаторы. 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 (колпачковых или ситчатых) либо при поверхностном контакте пара и жидкости на насадке или поверхности жидкости, стекающей тонкой пленкой.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Аналитический обзор

 

1.1 Конструкции  ректификационных колонн

 

Ректификационные колонны  отличаются, в основном, конструкцией внутреннего устройства для распределения жидкой и паровой фаз. Взаимодействие жидкости и пара осуществляется в колоннах путём барботирования пара через слой жидкости на тарелках или же путём поверхностного контакта пара и жидкости на насадке или на поверхности жидкости, стекающей тонкой плёнкой.

Барботажные колонны  тарельчатого типа выполняются обычно в виде колонн круглого сечения, по высоте которых расположены той  или иной конструкции тарелки, на каждой из которых осуществляется одна ступень контакта. На каждой тарелке  в зависимости от ее конструкции может осуществляться: прямоток, противоток, перекрестный ток фаз при различной степени перемешивания жидкости от полного смешения до полного вытеснения. Тарельчатые колонные аппараты применяют при температурах от минус 40 до 200 , атмосферном и избыточном давлении до 2,5 МПа, а также под вакуумом при остаточном давлении не ниже 665 Па.

Тарелки можно подразделить на четыре группы:

1. Тарелки с перекрёстным  контактом фаз, в которых движение  жидкости и пара (газа) осуществляется перекрёстным током. Эти тарелки имеют специальные переливные устройства, для перетока жидкости с одной тарелки на другую, при этом пар не проходит по переливным устройствам. К этой группе относятся колпачковые, ситчатые, клапанные и другие тарелки.

2. Тарелки провального  типа, в которых переливные устройства  отсутствуют,  так что пар (газ)  и жидкость проходят через  одни и те же отверстия. На  этих тарелках контакт фаз  осуществляется по схеме полного  перемешивания жидкости. К этой  группе относятся решётчатые (щелевые) провальные тарелки, дырчатые провальные тарелки и трубчатые, составленные из труб так, что между ними остаются щели, через которые движутся пар (газ) и жидкость. Последние применяются для неизотермической абсорбции, при этом по трубам пропускают холодную воду для отвода выделяющегося тепла.

3. Тарелки с однонаправленным  движением пара (газа) и жидкости, так называемые прямоточные. Пар  (газ) выходит из отверстий  в направлении движения жидкости  на тарелке. Эти тарелки обычно имеют переливные устройства. К этой группе относятся S-образные клапанные, ситчатые и струйные с отбойными элементами  и другие тарелки.

4. Специально спроектированные  тарелки для проведения конкретных  процессов.

 

 

1.2 Конструкции  колпачковых тарелок

 

 

Колпачковые тарелки (рис. 1) с капсульными колпачками до недавнего  времени считали лучшими контактными  устройствами для ректификационных и абсорбционных аппаратов благодаря  простоте эксплуатации и универсальности.

Основной частью колпачковой  тарелки является стальной диск 1 (или полотно тарелки) с отверстиями для паровых патрубков 6. Патрубки приварены к диску. Над патрубками установлены колпачки 5 диаметром 60 или 80 мм. Колпачки имеют прорези высотой 15; 20 или 30 мм.

 

 

Рис. 1

Колпачковая тарелка [3]

 

Для создания, необходимого уровня жидкости на тарелке последнюю снабжают сливной перегородкой 3. Переливная перегородка 1 образует переливной карман а, в который погружается сливная планка 4 тарелки, расположенной выше.

Применяют два варианта крепления колпачка к тарелке. В исполнении 1 положение колпачка можно регулировать по высоте, в исполнении 2 регулирование невозможно, и нижние кромки прорезей в этом случае упираются в полотно тарелки.

Тарелка работает следующим  образом. Поступающая жидкость заполняет тарелку на высоту, определяемую сливной перегородкой 3, при этом прорези колпачков должны быть погружены в жидкость. Пар проходит через паровые патрубки, щели колпачков и барботирует сквозь слой жидкости. Газ и жидкость взаимодействуют в перекрестном токе: жидкость движется по тарелке от переливного кармана к сливной перегородке и далее на расположенную ниже тарелку, а газ — вверх по оси колонны.

Колпачковые тарелки  можно изготовлять из чугуна, меди, керамики, углеграфита, пластмасс и  др.

Тарелки с капсульными колпачками имеют относительно высокий КПД (0,75—0,80) и работают в широком диапазоне производительностей по газу. Их можно использовать при нестабильных нагрузках по жидкости и пару. Для этих тарелок гидравлическое сопротивление, зависящее от глубины погружения колпачка, не превышает 1 кПа. К недостаткам этих тарелок следует прежде всего отнести значительные металлоемкость и трудоемкость изготовления.

 

 

 

 

 

2 Технологический расчет ректификационной колонны

   непрерывного  действия для разделения смеси  бензол-уксусная

   кислота

 

2.1 Материальный  баланс

 

Обозначим массовый расход по исходной смеси , по дистилляту , по кубовому остатку .

Уравнения материального баланса:

 

                                

                                     (1)

 

 

 

 

2.2 Определение  флегмового числа. Уравнения рабочей  линии

 

Уравнения рабочих линий  процесса связывают действительные концентрации компонента в жидкой и  паровой фазах в любом сечении  колонны:

а) Уравнение рабочей  линии верхней части колонны:

 

 

б) Уравнение рабочей  линии нижней части колонны:

 

 

где – молярная доля легколетучего компонента в паре, входящем снизу на тарелку;

  – молярная доля легколетучего компонента в жидкости, стекающей с этой тарелки;

  – флегмовое число;

  – относительный мольный расход питания.

Определяем минимальное  флегмовое число, при котором  действительные концентрации компонентов  соответствуют их равновесному соотношению:

 

 

где – мольную долю легколетучего компонента в паре, равновесном с жидкостью питания определяем по диаграмме .