Главная страница
Навигация по странице:

  • РАСЧЕТНО -ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

  • Описание технологической схемы установки

  • Выбор конструкционного материала

  • 1.Технологический расчет 1.1 Материальный баланс

  • 1.2 Расчет скорости пара и диаметра колонны

  • 1.3. Определение высоты светлого слоя жидкости на тарелке

  • 1.4 Расчёт коэффициентов массопередачи и высоты колонны.

  • 2. Конструктивный расчет

  • 3. Гидравлический расчет

  • Пояснительная записка. Маниной Юлии. Ректификационная установка непрерывного действия для разделения смеси хлороформ бензол


    Скачать 247.08 Kb.
    НазваниеРектификационная установка непрерывного действия для разделения смеси хлороформ бензол
    АнкорПояснительная записка. Маниной Юлии.docx
    Дата18.07.2017
    Размер247.08 Kb.
    Формат файлаdocx
    Имя файлаПояснительная записка. Маниной Юлии.docx
    ТипПояснительная записка
    #13623
    страница1 из 2
      1   2


    описание: логотип_книту

    МИНОБРНАУКИ РОССИИ

    Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

    высшего профессионального образования

    «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

    (ФГБОУ ВПО «КНИТУ»)
    Кафедра « Процессы и аппараты химической технологии»


    РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

    к курсовому проекту

    по курсу: « Процессы и аппараты химической технологии»

    на тему: «Ректификационная установка непрерывного действия для разделения смеси хлороформ - бензол»
    Проектировал:

    студент гр. 6121-21

    Манина Ю. В.

    Руководитель проекта:

    Разинов А. И.

    Оглавление

    Введение_____________________________________________________________3

    Описание технологической схемы установки_______________________________4

    Выбор конструкционных материалов_____________________________________5

    1.Технологический расчет_______________________________________________6

    2.Конструктивный расчет______________________________________________19

    3.Гидравлический расчет_______________________________________________20

    4.Механический расчет________________________________________________21

    Заключение__________________________________________________________25

    Список используемой литературы_______________________________________26

    Введение

    Ректификация - массообменный процесс разделения однородной смеси летучих компонентов, осуществляемый путем противоточного многократного взаимодействия паров, образующихся при перегонке, с жидкостью, образующейся при конденсации этих паров.

    Разделение жидкой смеси основано на различной летучести веществ. При ректификации исходная смесь делится на две части: дистиллят - смесь, обогащенную низкокипящим компонентом, и кубовый остаток - смесь, обогащенную высококипящим компонентом.

    Процесс ректификации осуществляется в ректификационной установке основным аппаратом которой является ректификационная колонна, в которой пары перегоняемой жидкости поднимаются снизу, а навстречу парам стекает жидкость, подаваемая в виде флегмы в верхнею часть аппарата.

    Процесс ректификации может протекать при атмосферном давлении, а также при давлениях выше или ниже атмосферного. Под вакуумом ректификацию проводят, когда разделению подлежат высококипящие жидкие смеси. Повышенное давление применяют для разделения смесей, находящихся в газообразном состоянии при более низком давлении. Атмосферное давление принимают при разделении смесей, имеющих температуру кипения от 30 до 150°С.

    Степень разделения смеси жидкостей на составляющие компоненты и чистота получаемого дистиллята и кубового остатка зависят от того, насколько развита поверхность контакта фаз, от количества подаваемой на орошение флегмы и устройства ректификационной колонны.

    В промышленности применяют тарельчатые, насадочные, пленочные трубчатые и центробежные пленочные аппараты. Они различаются в основном конструкцией внутреннего устройства аппарата.

    Тарельчатые контактные устройства, в ректификационной колонне, подразделяются на: колпачковые, ситчатые, клапанные, решетчатые, провальные и т.п.

    Преимущественное использование тарельчатых колонн в процессах ректификации объясняется их значительно большей производительностью по сравнению с насадочными.

    Описание технологической схемы установки

    Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рис. 1. Исходную смесь из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подают в теплообменник 3, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси хF.



    Рисунок 1 - Принципиальная схема ректификационной установки:1 - ёмкость для исходной смеси; 2, 9 - насосы; 3 – теплообменник-подогреватель; 4 - кипятильник; 5 - ректификационная колонна; 6 - дефлегматор; 7 - холодильник дистиллята; 8 - ёмкость для сбора дистиллята, 10 - холодильник кубовой жидкости; 11 - ёмкость для кубовой жидкости.
    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 хW , 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) состава хР, получаемой в 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 бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента) и кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).

    Выбор конструкционного материала
    Материал для изготовления колонны и теплообменной аппаратуры выбирают в соответствии с условиями их эксплуатации (прочность, механическая обработка, свариваемость). Главным требованием является коррозионная и химическая стойкости. При конструировании химической аппаратуры учитывают все виды коррозирующего разрушения материалов в агрессивной среде при ее рабочих параметрах. Необходимо стремится к минимальному значению коррозийности (П) (предпочтительно значение не превышающее 0,1).

    Для данной бинарной смеси выберем материал Сталь Х17Н13M2T (ГОСТ 5632-61). Эта сталь устойчива к агрессивным средам.


    1.Технологический расчет
    1.1 Материальный баланс.

    Зная производительность колонны и необходимые концентрации, определим недостающие данные, т. е. Производительность по дистилляту и по кубовому остатку (GW и GD), на основании уравнений материального баланса.





    где - содержание легколетучего компонента в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке соответственно.

    Отсюда найдем:





    Пересчитаем составы фаз из массовых в мольные доли по соотношению



    где Мх иМб - молекулярные массы соответственно хлороформа и бензола, кг/кмоль.[1,с.228]

    Низкокипящий компонент (легколетучий) – хлороформ

    tкип=61,2°C

    Высококипящий компонент (труднолетучий) – бензол

    tкип=80,1°C





    По диаграмме y-x находим при соответствующем значении , таким образом = 0,72, где - концентрация легколетучего компонента в паре, находящаяся в равновесии с жидкостью (питанием исходной смеси).
    Равновесные составы жидкости и пара для системы хлороформ - бензол[3]


    t, °C

    x

    y

    80,6

    0

    0

    79,8

    0,08

    0,1

    79,0

    0,15

    0,2

    78,2

    0,22

    0,3

    77,3

    0,29

    0,4

    76,4

    0,36

    0,5

    75,3

    0,44

    0,6

    74,0

    0,54

    0,7

    71,9

    0,69

    0,8

    68,9

    0,79

    0,9

    61,4

    1

    1



    Относительный мольный расход питания



    Минимальное флегмовое число :

    [1,с.228]

    Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются рабочим флегмовым числом R. Rопт определяют, используя приближенные вычисления, основанные на определении коэффициента избытка флегмы . Один из возможных приближенных методов расчета R заключается в нахождении такого флегмового числа, которому соответствует минимальное произведение N(R+1), пропорциональное объему ректификационной колонны.

    При β =1,05, R=1,05×1,53=1,61

    Уравнение рабочей линии верхней укрепляющей части колонны



    Уравнение рабочей линии нижней укрепляющей части колонны


    При β =1,35, R=1,35×1,53=2,07

    Уравнение рабочей линии верхней укрепляющей части колонны



    Уравнение рабочей линии нижней укрепляющей части колонны


    При β =1,75, R=1,75×1,53=2,68

    Уравнение рабочей линии верхней укрепляющей части колонны



    Уравнение рабочей линии нижней укрепляющей части колонны


    При β =2,35, R=2,35×1,53=3,6

    Уравнение рабочей линии верхней укрепляющей части колонны



    Уравнение рабочей линии нижней укрепляющей части колонны


    При β =3,3, R=3,3×1,53=5,05

    Уравнение рабочей линии верхней укрепляющей части колонны



    Уравнение рабочей линии нижней укрепляющей части колонны


    При β =6,25, R=6,25×1,53=9,56

    Уравнение рабочей линии верхней укрепляющей части колонны



    Уравнение рабочей линии нижней укрепляющей части колонны




    β

    1,05

    1,35

    1,75

    2,35

    3,30

    6,25

    R

    1,61

    2,07

    2,68

    3,6

    5,05

    9,56

    N

    68

    46

    40,3

    25

    20,1

    19

    N(R+1)

    177,48

    141,22

    148,304

    115

    121,605

    200,64


    Минимальное произведение N(R+1) соответствует флегмовому числу R=4,1. При этом коэффициент избытка флегмы β = 2,68.

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



    [1,с.229]
    где MD и MF - мольные массы дистиллята и исходной смеси;

    МВ и МН - средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны.

    Мольную массу дистиллята в данном случае можно принять равной мольной массе легколетучего компонента – вода. Мольная масса жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равна:



    [1,с. 230]

    где Мх иМб - мольные массы хлороформа и бензола;

    хср.в и хср.н - средний мольный состав жидкости соответственно в верхней и нижней части колонны:



    [1,с.228]
    Тогда




    Мольная масса исходной смеси

    [1,с.228]
    Подставив, получим:

    кг/с

    кг/с

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

    [1,с.228]

    Здесь и - средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны:



    [1,с.228]

    где

    [1,с.228]

    [1,с.228]

    Тогда





    Подставив, получим:





    1.2 Расчет скорости пара и диаметра колонны

    Расчёт скорости пара для тарельчатых ректификационных колонн с ситчатыми тарелками выполняется по следующему уравнению:



    Найдём плотности жидкости хв и хн и пара ув и ун в верхней и нижней частях колонны при средних температурах в них tB и tН. Средние температуры определяем по диаграмме t-x,y.


    Средние температуры пара в верхней и нижней частях колонны:

    при

    при


    [1,с.231]

    ;

    ;.



    Допустимая скорость в верхней и нижней частях колонны соответственно равна:





    Средняя скорость паров:

     = (0,884 + 0,874)/2 = 0,879 м/с

    Ориентировочный диаметр колонны определяют из уравнения расхода:



    [1,с.231]

    Принимаем средний массовый поток пара в колонне равным полусумме GВ и GH:

    G = (GВ + GH)/2 =(17,41+14,31)/2=15,86 кг/с

    Средняя плотность паров:

    [1,с.238]

    Диаметр колонны



    Выберем стандартный диаметр обечайки колонны d=2,4 м. При этом действительная рабочая скорость пара будет равна:

     = 1,773 (2,96/3)2 = 1,726 м/с [1,с.238]
    Для колонны диаметром 2400 мм выбираем ситчатую однопоточную тарелку ТС-Р со следующими конструктивными размерами:

    - Диаметр отверстий в тарелке d0: 8мм

    - Шаг между отверстиями t: 15 мм

    - Свободное сечение тарелки Fc : 15,3 %

    - Высота переливного порога hпер: 30 мм

    - Ширина переливного порога b : 1570 мм

    - Рабочее сечение тарелки Sт : 3,9 м2 [1,с.216]
    Скорость пара в рабочем сечении тарелки:

    wT =w = 0,835 0,785 2,42 3,9 = 0,786 мс [1,с.238]
    1.3. Определение высоты светлого слоя жидкости на тарелке

    Число действительных тарелок определяем графо-аналитическим методом (построением кинетической линии). Для этого необходимо рассчитать общую эффективность массопередачи на тарелке по Мэрфри (к.п.д. по Мэрфри).

    Для этого определим вначале высоту светлого слоя жидкости на ситчатой тарелке по уравнению:

    [1,с.239]

    где q=L(xb)- удельный расход жидкости на 1 мл ширины сливной перегородки,м2/с;

    b – ширина сливной перегородки, м ;

    hпер- высота переливной перегородки, м;

    – поверхностное натяжение соответственно жидкости и воды при средней температуре в колонне;

    µx- в мПа с

    m=0,05-4,6 hпер=0,05-4,6 0,03=-0,088
    Определим вязкость смеси жидкости для нижней и верхней части колонны по формуле:


    где -вязкости хлороформа и бензола соответственно.







    hов=0,787

    hон=0,787
    Паросодержание барботажного слоя ε находим по формуле

    [1,с.240]

    где

    [1,с.240]

    Для верхней части колонны


    =

    Для нижней части колонны


    =

    1.4 Расчёт коэффициентов массопередачи и высоты колонны.

    Определим коэффициент диффузии газа для нижней и верней части колонны при средней температуре t (в ˚С) по формуле:

    [1,с.234]

    Коэффициенты диффузии в жидкости Dxпри 20˚С можно вычислить по приближённой формуле:



    ,

    где А, В – коэффициенты, зависящие от свойств растворённого вещества и растворителя;

    - мольные объемы компонентов в жидком состоянии при температуре кипения, см3/моль;

    μх – вязкость жидкости при 20˚С, мПа·с.

    А= В = 1

    = 92,3 см3/моль =96 см3/моль

    Тогда коэффициент диффузии в жидкости при 20˚С равен:



    Температурный коэффициент b определяют по формуле

    [1,с.234]

    Здесь μхи ρхпринимаются при температуре 20˚С. Тогда



    Отсюда

    м2
    м2

    Определим коэффициент диффузии газа для нижней и верней части колонны по формуле:


    где T – средняя температура в соответствующей части колонны,

    p- давления газа, Па;




    Рассчитав коэффициенты молекулярной диффузии в жидкой Dxи паровойDy фазах, вычисляем коэффициенты массоотдачи, отнесённые к единице рабочей поверхности тарелки для жидкой и паровой фаз:





    Вязкость паров для верхней части колонны:

    [1,с.234]

    где μх и μуб – вязкость паров хлороформа и бензола при средней температуре верхней части колонны, мПа·с;

    у – средняя концентрация паров:

    Подставив, получим:


    Аналогичным расчётом для нижней части колонны находим:


    Для верхней части колонны:

    коэффициент массоотдачи в жидкой фазе



    коэффициент массоотдачи в паровой фазе

    Для нижней части колонны:

    коэффициент массоотдачи в жидкой фазе


    коэффициент массоотдачи в паровой фазе


    Пересчитаем коэффициенты массоотдачи на кмоль/(м2·с):

    кмоль/(м2·с)

    кмоль/(м2·с)

    кмоль/(м2·с)

    кмоль/(м2·с)

    Коэффициенты массоотдачи, рассчитанные по средним значениям скоростей и физических свойств паровой и жидкой фаз, постоянны для верхней и нижней частей колонны. В то же время коэффициент массопередачи – величина переменная, зависящая от кривизны линии равновесия, т.е. от коэффициента распределения. Поэтому для определения данных, по которым строится кинетическая линия необходимо вычислить несколько значений коэффициентов массопередачи в интервале изменения состава жидкости xWи xD.

    Приведем пример расчета для одной точки в верхней и нижней частях колонны при

    Коэффициент распределения компонента по фазам (тангенс угла наклона равновесной линии в этой точке):

    Коэффициент массопередачи: [1,с.239]


    Общее число единиц переноса на тарелку noy находим по уравнению:

    [1,с.239]


    Локальная эффективность:

    [1,с.239]



    Для определения эффективности по Мерфи ЕМу необходимо рассчитать также фактор массопередачи λ, долю байпасирующей жидкости θ, число ячеек полного перемешивания S и межтарельчатый унос e.

    Фактор массопередачи:

    [1,с.238]



    Фактор скорости:



    Доля байпасирующей жидкости для ситчатых тарелок при факторе скорости 1,572 и 1,41 принимают θ = 0,1.

    Для ситчатых тарелок в колоннах диаметром более 600 мм с достаточной степенью приближения можно считать, что одна ячейка перемешивания соответствует длине пути жидкости l = 300–400мм.

    Примем l = 350мм и определим число ячеек полного перемешивания S как отношение длины пути жидкости на тарелке lTк длине l. Определим lT как расстояние между переливными устройствами:

    Тогда число ячеек полного перемешивания на тарелке

    Относительный унос жидкости e в тарельчатых колоннах определяется в основном скоростью пара, высотой сепарационного пространства и физическими свойствами жидкости и пара. Унос на тарелках различной конструкции является функцией комплекса Коэффициент m, учитывающий влияние на унос физических свойств пара и жидкости:



    ;

    . [1,с.242]

    Высота сепарационного пространства Hc равна расстоянию между верхним уровнем барботажного слоя и плоскостью тарелки, расположенной выше: где H–межтарельчатое расстояние, м; hП = высота барботажного слоя, м. [1,с.242]





    [1,с.242]

    Подставляя вычисленные ранее значения, определяем КПД по Мерфи EMy:

    [1,с.238,243]


    [1,с.238]



    [1,с.238]



    [1,с.238]




    Аналогичным образом подсчитаны все величины для других составов жидкости. Результаты расчета параметров, необходимых для построения кинетической линии, приведены в таблице ниже.

    Зная эффективность по Мерфи, можно определить концентрацию легколетучего компонента в паре на выходе из тарелке:

    [1,с.243]











    Результаты расчета параметров, необходимых для построения кинетической линии, приведены в таблице 1:

    Таблица 1. Результаты расчёта величин, необходимых для построения кинетической линии

    Параметр

    Нижняя часть

    Верхняя часть

    x

    0,15

    0,3

    0,45

    0,6

    0,75

    0,9

    m

    1,26

    1,38

    0,84

    0,82

    0,77

    0,67

    Kyf

    0,0062

    0,061

    0,065

    0,056

    0,056

    0,057

    noy

    2,256

    2,226

    2,37

    2,01

    2,01

    2,046

    Ey

    0,895

    0,89

    0,91

    0,87

    0,87

    0,87

    B

    1,496

    1,615

    1,064

    1,002

    0,95

    0,85



    1,677

    1,75

    1,422

    1,32

    1,296

    1,24



    1,29

    1,31

    1,221

    1,148

    1,14

    1,115

    EMy

    1,17

    1,26

    0,79

    0,74

    0,698

    0,61

    yk

    0,2

    0,43

    0,59

    0,727

    0,84

    0,94


    Взяв отсюда значения х и ук, наносим на диаграмму х – у точки, по которым проводим кинетическую линию. Построением ступеней между рабочей и кинетической линиями в интервалах концентраций от хDдо xFопределяем число действительных тарелок NВ для верхней (укрепляющей) части и в интервалах от xFдо xW- число действительных тарелок NH для нижней (исчерпывающей) части колонны. Общее число действительных тарелок Nравно:

    N= NB + NH = 12 + 32 = 44 тарелок [1,с.243]

    Высоту тарельчатой ректификационной колонны определим по формуле

    [1,с.238]

    где Н - расстояние между тарелками, м;

    zB, zH- расстояние соответственно между верхней тарелкой и крышкой колонны и между днищем колонны и нижней тарелкой, м.

    Hk=(44-1)·0.5+1+2=24,5 м
    2. Конструктивный расчет
    Диаметры штуцеров определим по формуле:

    [1,с.16]

    где Q– расход;

     - скорость (определяем исходя из справочных данных [1]);

     - плотность жидкости (пара).
    Диаметр штуцера исходной смеси:

    [1,с.16]

    =1,5 м/с – скорость потока жидкости при подачи насосом.
    Диметр штуцера для выхода пара равен:

    [1,с.16]

    где = 20 м/с - скорость потока насыщенных паров;

    y= 3,6 кг/м3;

    Gп= P (R+1) = 3,6 (4,1+1)=18,36 кг/с - расход паров
    Диметр штуцера для входа паров из кипятильника равен:

    [1,с.16]

    где = 40 м/с; y=0,792 кг/м3.
    Диметр штуцера для входа флегмы равен:

    [1,с.16]

    где v = 0,6 м/с;

    Ф = P R=3,6 4,1=14,76 кг/с – расход флегмы
    Диметр штуцера для выхода кубового остатка и жидкости из куба равен:

    [1,с.16]

    где, – скорость потока при движении самотеком.


    3. Гидравлический расчет
    Гидравлическое сопротивление тарелок колонны РК определяют по формуле:



    [1,с.244]

    где РВ и РН - гидравлическое сопротивление одной тарелки соответственно верхней и нижней части колонны, Па.

    Полное гидравлическое сопротивление одной тарелки складывается из трёх слагаемых.

    [1,с.244]

    Гидравлическое сопротивление сухой тарелки рассчитаем по уравнению:

    [1,с.209]

    ;



    Коэффициент сопротивления  сухих ситчатых тарелок равен 1,1 –2,0. Примем  = 1,8. [1,с.210]

    Гидравлическое сопротивление газо-жидкостного слоя (пены) на тарелках будет различным в верхней и нижней частях колонны:



    [1,с.244]

    Гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения, равно:

    [1,с.244]

    Тогда полное сопротивление одной тарелки равно:





    Тогда полное сопротивление ректификационной колонны:



      1   2
    написать администратору сайта