Спроектировать ректификационную установку для разделения бензол – толуол

Ректификация широко распространена в химической технологии и применяется для получения разнообразных продуктов в чистом виде, а также для разделения газовых смесей после их сжижения (разделение воздуха на кислород и азот, разделение углеводородных газов и др.).

Процесс ректификации не применяется при разделении чувствительных к повышенным температурам веществ, при извлечении ценных продуктов или вредных примесей из сильно разбавленных растворов, разделении смесей близкокипящих компонентов.

Технологическая схема процесса ректификации представленная на рис.1.

Исходную смесь из промежуточной емкости-1 центробежным насосом-2 подают в теплообменник-3, где подогревают до температуры кипения и подают в колонну на ту тарелку, где кипит смесь того же состава х_F, т.е. на верхнюю тарелку нижней исчерпывающей части колонны. Верхняя часть колонны называется укрепляющей по легколетучему компоненту.

Внутри ректификационной колонны-4 расположены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Снизу вверх по колонне движется пар, поступающий из выносного куба - испарителя (кипятильника)-5 (куб - испаритель может размещаться и непосредственно под колонной). На каждой тарелки происходит частичная конденсация пара труднолетучего компонента и за счет конденсации - частичное испарение легколетучего компонента. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка х_W, т.е. обеднен легколетучим компонентом. Таким образом, пар, выходящий из куба - испарителя и представляющий собой почти чистый труднолетучий компонент, по мере движения вверх обогащается легколетучим компонентом и покидает колонну в виде почти чистого пара легколетучего компонента. Для полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава х_Р, получаемой в дефлегматоре-6 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Пар конденсируется в дефлегматоре, охлаждаемом водой. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике-7 и направляется в промежуточную емкость-8. Флегма, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, обогащается труднолетучим компонентом.

Из куба - испарителя отводят нижний продукт или кубовый остаток.

Из кубовой части колонны насосом-9 непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике-10 и направляется в емкость-11.

Рис. 1. Технологическая схема ректификационной установки

2 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ АППАРАТА

2.1 Материальный баланс колонны

Производительность колонны по дистилляту Р и кубовому остатку W определяется из уравнений материального баланса:

,

где F, Р, W - расход исходной смеси, дистиллята, кубового остатка, кг/с;

Х_F, Х_Р, Х_W - концентрация низкокипящего компонента в исходной смеси, кубовой остатке и дистилляте.

F = 10000 кг/ч = 2,78 кг/с

= 1,26 кг/с

W = 2,78 - 1,26 = 1,52 кг/с

2.2 Пересчет массовых долей

средние концентрации жидкости:

средние концентрации пара:

где ; ; (график Х-У).

По диаграмме при средних концентрациях пара и жидкости определяются средние температуры пара, °С:

а) средние мольные массы жидкости:

;

б) средние мольные массы пара:

;

в) средние плотности пара:

;

,

г) средние плотности жидкости:

; ,

где с₁ и с₂ - плотности массы соответственно низкокипящего и высококипящего компонентов при температурах = 88,5?С и = 103?С

и - среднее массовые концентрации жидкости вверху и внизу колонны:

; ,

; = 800 кг/м³

; = 787,4 кг/м³

д) средние вязкости пара:

;

где и - среднее мольные массы пара в верху и низу колонны, кг/кмоль;

и - вязкости низкокипящего и высококипящего компонентов паровой смеси при температурах и , мПа·с

, 0,92 · 10^-2 мПа·с;

, 0,923· 10^-2 мПа·с

е) средние вязкости жидкости:

,

где и - вязкости НК и ВК компонентов жидкости при , мПа·с (табл. 2).

;

;

2.5 Определение диаметра колонны

где - гидравлическое сопротивление сухой насадки, Па.

,

где - свободный объём насадки, =0,74 м³/м³;

- эквивалентный диаметр насадки, =0,015 м;

- коэффициент сопротивления сухой насадки.

,

где - удельная поверхность насадки, =200 м²/м³.

Гидравлическое сопротивление для верхней части колонны:

Гидравлическое сопротивление для нижней части колонны:

Общее гидравлическое сопротивление для всей колонны:

2.9 Расчет патрубков

Внутренний диаметр патрубка определяется из уравнений расхода:

, откуда ,

где G - массовый расход перекачиваемой среды, кг/с;

с - плотность среды, кг/м³;

щ - скорость движения жидкости, м/с

Внутренний диаметр штуцера для вывода дистиллята из колонны:

Стандартный диаметр патрубка d_у = 200 мм (наружный диаметр 219 мм, толщина стенки 6 мм).

Внутренний диаметр штуцера для ввода пара в колонну:

Стандартный диаметр патрубка d_у = 300 мм (наружный диаметр 325 мм, толщина стенки 8 мм).

Внутренний диаметр штуцера на входе исходной смеси в колонну:

,

Стандартный диаметр патрубка d_у = 100 мм (наружный диаметр 108 мм, толщина стенки 5 мм) [2, прил. 7].

Внутренний диаметр штуцера на выходе кубового остатка из колонны:

Стандартный диаметр патрубка d_у = 80 мм (наружный диаметр 89 мм, толщина стенки 4 мм).

2.10 Расчет кипятильника