Расчёт ректификационной установки непрерывного действия для разделения 18 000 кг/ч смеси бензол-толуол

Расчёт ректификационной установки непрерывного действия для разделения 18 000 кг/ч смеси бензол-толуол

РЕФЕРАТ

Курсовой проект содержит 2 листа чертежей формата А1, пояснительную записку на 56 листах, включающую 8 рисунков, 5 таблиц, 6 литературных источников.

Ключевые слова: РЕКТИФИКАЦИЯ, БИНАРНАЯ СМЕСЬ, НАСАДОЧНАЯ КОЛОННА, КОЛЬЦА РАШИГА, ДЕФЛЕГМАТОР, КУБ-КИПЯТИЛЬНИК, ФЛЕГМОВОЕ ЧИСЛО.

Задачей курсового проекта является разработка промышленной ректификационной установки для разделения 18 000 кг/ч бинарной смеси бензол-толуол.

В ходе работы над курсовым проектом было рассчитано флегмовое число, соответствующее минимальному объёму ректификационной колонны. Определён диаметр колонны, обеспечивающий работу насадки в интервале допустимых скоростей пара. Рассчитаны высота насадки, обеспечивающая заданное качество разделения смеси, и высота колонны с учётом перераспределительных тарелок между сегментами насадки и сепарационного пространства вверху и внизу колонны.

В результате работы спроектирована ректификационная колонна и разработан чертёж колонны в двух проекциях. Рассчитана тепловая изоляция колонны. Подобраны теплообменные аппараты (подогреватель исходной смеси, куб-кипятильник, дефлегматор, холодильники дистиллята и кубовой жидкости). Произведён подбор конденсатоотводчиков, ёмкостей и трубопроводов. Разработана технологическая схема ректификационной установки и произведён выбор точек контроля проведения процесса.

Введение

Цель работы

Целью курсового проектирования является приобретение навыков принятия самостоятельных конструктивных решений, усвоение последовательности разработки технологических установок, закрепление учебного материала по расчету основных процессов и аппаратов химической технологии.

Поставленная задача

Задачей курсового проекта является разработка промышленной ректификационной установки для разделения 18 000 кг/ч бинарной смеси бензол-толуол.

Основные понятия

Ректификация - процесс разделения жидкой гомогенной смеси летучих веществ, осуществляемый путём испарения части разделяемой жидкой смеси и последующей конденсации образующегося пара, с организацией массообмена между движущимися противотоком потоками жидкости и пара.

Необходимым условием для проведения процесса ректификации является различие составов кипящей жидкости и равновесного с ней пара. Это различие обусловлено разной летучестью компонентов, образующих смесь, в результате чего в паровую фазу переходит преимущественно легколетучие компоненты. Дополнительный контакт между фазами, организуемый при проведении процесса ректификации, приводит к массообмену, в результате которого паровая фаза обогащается, а жидкая фаза обедняется легколетучими компонентами.

Аппарат, в котором осуществляется процесс ректификации, называют ректификационной колонной. Ректификационная колонна состоит из трёх основных элементов: куба-кипятильника, где производится испарение части разделяемой жидкой смеси; контактного устройства, представляющего собой цилиндрическую колонну и служащего для обеспечения массообмена между жидкой и паровой фазами; дефлегматора, где конденсируются поступающие из контактного устройства пары, часть которых отбирают в виде продукта (дистиллят), а другую часть направляют на орошение контактного устройства (флегма).

Контактное устройство - устройство, увеличивающее площадь поверхности контакта между жидкой и паровой фазами и, тем самым, интенсифицирующее массообмен между фазами. Контактное устройство представляет собой цилиндрическую колонну, заполненную элементами насадки (насадочная колонна), либо снабжённую барботажными тарелками (тарельчатая колонна). В насадочной колонне, работающей в плёночном режиме, межфазная поверхность образуется за счёт плёночного течения жидкости по элементам насадки. В тарельчатой колонне межфазная поверхность образуется за счёт барботажа пара через жидкость, в результате которого на тарелках образуется барботажный слой (пена), обладающий большой площадью поверхности контакта фаз.

Основные потоки в ректификационной установке (рис. 1): исходная смесь (обозначается индексом F), кубовая жидкость (обозначается индексом W), дистиллят (обозначается индексом P или D), флегма (обозначается индексом Ф). Кубовая жидкость - жидкость, обогащённая высококипящими компонентами, отбираемая из куба ректификационной колонны в качестве нижнего продукта. Дистиллят - часть образующегося в дефлегматоре конденсата, отбираемая в качестве верхнего продукта. Флегма - часть образующегося в дефлегматоре конденсата, возвращаемая на орошение контактного устройства. Кроме вышеперечисленных выделяют также потоки внутри самой колонны: нисходящий поток жидкости (обозначается индексом L) и восходящий поток пара (обозначается индексом G).

Ректификационная колонна разделяется на нижнюю (исчерпывающую) и верхнюю (укрепляющую) части. К верхней части относится та часть контактного устройства, что находится выше точки ввода исходной смеси. Сама точка ввода исходной смеси и часть контактного устройства, находящаяся ниже этой точки, относятся к нижней части ректификационной колонны. Ввод исходной смеси осуществляется на предназначенную для этого тарелку, называемую тарелкой питания. Тарелка питания присутствует как в тарельчатой, так и в насадочной колонне. Верхняя часть колонны орошается потоком флегмы (LВ = Ф), нижняя часть суммарным потоком исходной смеси и флегмы (LН = F +Ф).

Рис. 1. Основные потоки в ректификационной колонне

Наиболее простым методом расчёта насадочной ректификационной колонны является расчёт через число единиц переноса, применяемый для расчёта бинарной ректификации. Этот метод является частным случаем метода расчёта через основное уравнение массопередачи. Метод включает построение линии равновесия, рабочей линии и линии питания на графике зависимости состава паровой фазы от состава жидкой фазы (x,y-диаграмма). Построение вышеперечисленных линий на диаграмме представлено на рис. 2. Линия равновесия - кривая, характеризующая зависимость состава пара от состава жидкости в состоянии межфазного равновесия y* = f(x). Рабочая линия - кривая, характеризующая реальную зависимость состава пара от состава жидкости в ректификационной колонне y = f(x). Движущей силой процесса ректификации является разность между равновесным и рабочим составами пара Δy = y* - y. Линия питания - прямая, являющаяся геометрическим местом точек пересечения рабочих линий для укрепляющей и исчерпывающей части колонны.

Рис. 2. Бинарная ректификация на x,y-диаграмме:

- линия равновесия; 2 - линия питания;

, 4 - рабочая линия нижней и верхней части, соответственно

Положение линии питания на x,y-диаграмме зависит от температуры и фазового состояния смеси, подаваемой в колонну. В том случае, если смесь подаётся в колонну в виде жидкости, нагретой до температуры кипения, линия питания занимает вертикальное положение. Если температура жидкой смеси ниже температуры кипения (недогретая смесь), то линия питания отклоняется вправо (поворачивается по часовой стрелке относительно точки пересечения с диагональю, как это показано на рис. 2). При подаче в колонну перегретой жидкой смеси или парожидкостной смеси (ректификация с долей пара в питании), линия питания отклоняется влево (против часовой стрелки). Отклонение происходит тем дальше, чем больше доля пара в смеси. В случае питания колонны паровой смесью, линия питания занимает горизонтальное положение.

Числом единиц переноса называют отношение изменения концентрации в колонне к движущей силе массопередачи. При расчёте насадочной ректификационной колонны находят число единиц переноса по паровой фазе методом графического интегрирования. Для этого на основе рабочей и равновесной линии строят графическую зависимость f(y) = 1/(y*-y), и находят площади двух криволинейных трапеций.

Основные допущения при построении рабочих линий

При графоаналитическом расчёте бинарной ректификации принимают ряд допущений, позволяющих упростить построение рабочей линии процесса ректификации на x,y-диаграмме.

Список допущений:

) Равенство молярных теплот испарения компонентов ΔHисп НК = ΔHисп ВК;

) Отсутствие теплового эффекта смешения компонентов ΔHсм = 0;

) Отсутствие тепловых потерь в окружающую среду Qп = 0;

) Отсутствие разделяющего действия кипятильника и дефлегматора, выражающееся в равенстве составов жидкости и пара в этих аппаратах xW = yW, xP = yP.

Следствия из допущений:

) Из допущений 1-3 следует, что при конденсации из пара 1 моля высококипящего компонента выделяется ровно столько тепловой энергии, сколько необходимо на испарение из жидкости 1 моля низкокипящего компонента, и это тепло не теряется и целиком идёт на испарение. В результате мольные потоки жидкости и пара постоянны в пределах рассматриваемой части колонны, что в итоге даёт возможность считать рабочие линии прямыми.

) Из допущения 4 следует, что рабочая линия нижней части колонны пересекает диагональ в точке xW, а рабочая линия верхней части колонны пересекает диагональ в точке xP.

Основные сечения колонны

Расчёт бинарной ректификации с построением рабочих линий на x,y-диаграмме подразумевает расчёт нескольких ключевых сечений. В пособии [1, с. 227-235] представлен расчёт по средним сечениям верхней и нижней части ректификационной колонны. Однако усреднение проведено не по составам, а по всем рассчитываемым параметрам и свойствам, что допустимо с учётом невысокой точности расчёта, но делает расчёт более громоздким. Поэтому корректней высоту насадки, соответствующую единице переноса по газовой фазе, считать по средним составам жидкости.

В данной работе ограничимся рассмотрением шести сечений (рис. 3):

Сечение W - нижнее сечение колонны, соответствует точке входа в колонну потока пара из куба-кипятильника и составу жидкости xW;

Сечение Н - среднее сечение нижней части колонны, соответствует составу жидкости x = (xW+xF)/2;

Сечение F - тарелка питания колонны, соответствует точке ввода в колонну исходной смеси и составу жидкости xF;

Сечение F' - тарелка над точкой питания, соответствует точке, находящейся чуть выше точки ввода питания, и так же, как и сечение F, соответствует составу жидкости xF, однако относится уже не к нижней, а к верхней части колонны;

Сечение В - среднее сечение верхней части колонны, соответствует составу жидкости x = (xF+xP)/2;

Сечение P - верхнее сечение колонны, соответствует точке ввода флегмы и составу жидкости xP.

Рис. 3. Основные сечения колонны

В соответствии с допущением, считаем мольный расход паровой фазы постоянным по всей высоте колонны. Объёмный расход паровой фазы увеличивается с ростом температуры и уменьшается с ростом давления. Поскольку в первом приближении мы пренебрегаем гидравлическим сопротивлением колонны и изменением давления по её высоте, то считаем объёмный расход паровой фазы зависящим только от температуры. Следовательно, наибольший объёмный расход паровой фазы будет наблюдаться для сечения W, где наблюдается наибольшая температура. Поэтому при расчёте диаметра колонны рекомендовано ориентироваться на это сечение.

Материальный баланс

Система уравнений материального баланса ректификационной колонны:

Массовые расходы исходной смеси, дистиллята и кубовой жидкости:

;

;

.

Молярные массы компонентов [2, с.13]:

легколетучего (бензола) - .

высококипящего (толуола) - .

Мольная доля легколетучего компонента в исходной смеси:

.

Мольная доля легколетучего компонента в дистилляте:

ректификационный колонна флегмовое число

.

Мольная доля легколетучего компонента в кубовой жидкости:

.

Молярные массы потоков:

исходной смеси

;

;

кубовой жидкости

.

Молярные расходы потоков:

исходной смеси: ;

дистиллята: ;

куб. жидкости: .

Таблица 1. Материальный баланс ректификационной колонны

Определение минимального флегмового числа

Данные по парожидкостному равновесию для системы бензол-толуол взяты из [2, с. 783-785] таблицы №1453, 1454, 1457, 1458 (давление 760 мм. рт. ст.).

Равновесный состав жидкости на тарелке питания в случае подачи в колонну исходной смеси, нагретой до температуры кипения (вертикальное положение линии питания), равен составу исходной смеси: .

Равновесный состав пара на тарелке питания определяется по линии равновесия (графически или линейной интерполяцией по табличным данным):

.

Минимальное флегмовое число:

.

Определение оптимального флегмового числа

Определение оптимального флегмового числа производится методом итераций. Задаём начальное значение коэффициента избытка флегмы  и итерационный шаг .

Оптимальным флегмовым числом считаем флегмовое число, соответствующее минимальному объёму ректификационной колонны. Поскольку высота колонны пропорциональна числу теоретических ступеней (тарелок) , а площадь сечения колонны пропорциональна флегмовому числу плюс единица , то объём колонны, равный произведению площади сечения на высоту, пропорционален произведению этих величин . Таким образом коэффициент оптимизации .

Первая итерация

Коэффициент избытка флегмы: .

Флегмовое число: .

Число теоретических ступеней (тарелок) находим по x-y диаграмме, предварительно построив рабочие линии, соответствующие флегмовому числу данной итерации:  (см. Приложение, с. ??).

Коэффициент оптимизации: .

Вторая итерация

Коэффициент избытка флегмы: .

Флегмовое число: .

Число теоретических ступеней:  (см. Приложение, с. ??).

Коэффициент оптимизации: .

Таблица 3. Определение оптимального флегмового числа

Рис. 6. Определение минимума коэффициента оптимизации k = NTT·(R+1)

Литература

Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию. Под ред. Дытнерского Ю. И.

В. Б. Коган, И. М. Фридман, В. В. Кафаров. Равновесие между жидкостью и паром. Справочное пособие. Книга вторая. «Наука». М.-Л. 1966.

Приложение

Данные по парожидкостному равновесию [2, с. 783-785].

Определение оптимального флегмового числа

Определение числа теоретических ступеней при β = 1,2 (R = 2,111)

Определение числа теоретических ступеней при β = 1,25 (R = 2,199)

Определение числа теоретических ступеней при β = 1,3 (R = 2,287)

Определение числа теоретических ступеней при β = 1,35 (R = 2,375)

Определение числа теоретических ступеней при β = 1,45 (R = 2,551)

Определение числа теоретических ступеней при β = 1,5 (R = 2,639)

Определение числа теоретических ступеней при β = 1,55 (R = 2,726)

Определение числа теоретических ступеней при β = 1,6 (R = 2,814)

Определение числа теоретических ступеней при β = 1,65 (R = 2,902)

Определение числа теоретических ступеней при β = 1,7 (R = 2,990)