Ректификационная установка непрерывного действия для разделения смеси хлороформ - бензол

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 rхв и rхн и пара rув и rун 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:

v = (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]