Проектирование ректификационной установки для непрерывного разделения смеси бензол-толуол

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовой проект

Тема:

"Проектирование ректификационной установки для непрерывного разделения смеси бензол-толуол"

Санкт-Петербург 2006

Задание

ректификационный разделение бензол толуол

Спроектировать ректификационную установку для непрерывного разделения смеси бензол - толуол под атмосферным давлением. Сделать подробный расчет ректификационной колонны и парового подогревателя исходной смеси.

Исходные данные для расчета

1. Колонна с ситчатыми тарелками.

2. Производительность установки по исходной смеси 8.4 т/час.

3. Концентрация легколетучего компонента в исходной смеси 20% масс.

4. Концентрация легколетучего компонента в дистилляте 94% масс.

5. Концентрация легколетучего компонента в кубовом остатке 4% масс.

6. Температура исходной смеси 35? С.

7. Температура охлаждающей воды меняется от 10 до 30? С.

8. Готовые продукты охлаждаются до 35? С.

9. Давление греющего пара 1.5 атм (изб.).

Введение

Ректификация - один из способов разделения жидких смесей основанный на различном распределении компонентов смеси между жидкой и паровой фазами. В качестве аппаратов служащих для проведения ректификации используются ректификационные колонны - состоящие из собственно колонны, где осуществляется противоточное контактирование пара и жидкости, и устройств, в которых происходит испарение жидкости и конденсация пара - куба и дефлегматора. Колонна представляет собой вертикально стоящий полый цилиндр внутри которого установлены так называемые тарелки (контактные устройства различной конструкции) или помещен фигурный кусковой материал - насадка. Куб и дефлегматор - это обычно кожухотрубные теплообменники.

Назначение тарелок и насадки - разделение межфазной поверхности и улучшение контакта между жидкостью и паром. Тарелки, как правило, снабжаются устройством для перелива жидкости. В качестве насадки ректификационных колонн обычно используются кольца, диаметр которых равен их высоте.

Как в насадочных, так и в тарельчатых колоннах кинетическая энергия пара используется для преодоления гидравлического сопротивления контактных устройств и для создания динамической дисперсной системы пар - жидкость с большой межфазной поверхностью. Существуют также ректификационные колонны с подводом механической энергии, в которых дисперсная система создаётся при вращении ротора, установленного по оси колонны. Роторные аппараты имеют меньший перепад давления по высоте, что особенно важно для вакуумных колонн.

По способу проведения различают - непрерывную и периодическую ректификацию. В первом случае разделяемая смесь непрерывно подается в ректификационную колонну, а из колонны непрерывно отводятся две или более число фракций, обогащенных одними компонентами и обедненных другими. Полная колонна состоит из двух секций укрепляющей и исчерпывающей. Исходная смесь (обычно при температуре кипения) подается в колонну, где смешивается с так называемой извлеченной жидкостью, стекающей по контактным устройствам (тарелкам или насадке) исчерпывающей секции противотоком к поднимающемуся потоку пара. Достигая низа колонны, жидкость обогащается тяжелолетучими компонентами. В низу жидкость частично испаряется в результате нагрева подводящимся теплоносителем, и пар снова поступает в исчерпывающую секцию.

Пройдя её, обогащенный легколетучимикомпонентами, пар поступает в дефлегматор, где обычно полностью конденсируется подходящим хладагентом. Полученная жидкость делится на два потока - дистиллят и флегму. Дистиллят является продуктовым потоком, а флегма поступает на орошение укрепляющей секции, по контактным устройствам которой стекает. Часть жидкости выводится из куба колонны в виде так называемого кубового остатка (также продуктовый поток).

Если исходную смесь нужно разделить непрерывным способом на число фракций больше двух, то применяется последовательное либо параллельно - последовательное соединение колонн.

При периодической ректификации исходная жидкая смесь единовременно загружается в куб колонны, ёмкость которая соответствует желаемой производительности. Пары поступают в колонну и поднимаются к дефлегматору, где происходит их конденсация. В начальный период весь конденсат возвращается в колонну, что отвечает режиму полного орошения. Затем конденсат делится на дистиллят и флегму. По мере отбора дистиллята (либо при постоянном флегмовом числе, либо с его изменением из колонны выводятся сначала легколетучие компоненты, затем среднелетучие и так далее). Нужную фракцию (или фракции) отбирают в соответствующий сборник. Операция продолжается до полной переработки первоначально загруженной смеси.

Основные области промышленного применения ректификации - получение отдельных фракций и индивидуальных углеводородов из нефтяного сырья в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, окиси этилена, акрилонитрила, акрилхлорсиланов - в химической промышленности. Ректификация широко используется и в других отраслях народного хозяйства: коксохимической, лесохимической, пищевой, химико-фармацевтической промышленностях.

1. Технологические расчеты

1.1 Равновесные данные

Для технологических расчетов установки необходимо знать свойства веществ при определенных температурах. Основным способом определения этих свойств является таблица равновесных данных.

х - мольная доля легколетучего компонента в жидкой фазе;

y - мольная доля легколетучего компонента в паровой фазе;

t - температура, ъС.

Таблица 1

х	у	t
0	0	110.6
5	11.5	108.3
10	21.4	106.1
20	38	102.2
30	51.1	98.6
40	61.9	95.2
50	71.2	92.1
70	85.4	86.8
80	91	84.4
90	95.9	82.3
100	100	80.2

В данном курсовом проекте рассматривается смесь бензол - толуол. Известно, что

t _{кип бензол} = 80.2? С

t _{кип толуол} = 110.8? С

Следовательно, в качестве легколетучего компонента в дальнейшем по умолчанию будет рассматриваться бензол.

1.2 Материальный баланс

Зная производительность колонны по исходной смеси , по уравнениям материального баланса определим массовые расходы дистиллята и кубового остатка .

где - массовый расход исходной смеси, кг/с;

- массовый расход кубового остатка, кг/с;

- массовый расход дистиллята, кг/с;

, и - массовые доли легколетучего компонента в питании, дистилляте и кубовом остатке соответственно.

= 8.4 т/час = = 2.333 кг/с

Получаем систему уравнений:

2.333 = +

2.333*0.20 = *0.94 + *0.04

Решив которую, получим:

= 0.415 кг/с; = 1.918 кг/с

Для дальнейших расчетов необходимо перевести массовые доли легколетучего компонента в мольные.

где х_F - мольная доля легколетучего компонента в исходной смеси;

М₁ = 78.11 кг/кмоль - молекулярная масса бензола;

М₂ = 92.13 кг/кмоль - молекулярная масса толуола.

кмоль л.л./кмоль раствора

Соответственно находим мольные доли легколетучего компонента в кубовом остатке и дистилляте:

кмоль л.л./ кмоль раствора

кмоль л.л./ кмоль раствора

Нагрузка ректификационной колонны по пару и жидкости определяется рабочим флегмовым числом. Для его расчета используют приближенные вычисления по формуле:

где R_min - минимальное флегмовое число.

При этом:

где - мольные доли легколетучего компонента в жидкости, а - концентрация легколетучего компонента в паре, находящаяся в равновесии с жидкостью питания.

По Таблице 1 находим значение :

= кмоль л.л./кмоль р-ра

Тогда

R_min =

Найдем уравнения рабочих линий (при питании колонны кипящей смесью):

а) верхней (укрепляющей) части ректификационной колонны

б) нижней (исчерпывающей) части колонны

где F - относительный мольный расход питания (на 1 кмоль дистиллята)

Тогда получим

2. Тепловой баланс установки

Тепловой баланс ректификационной колонны выражается общим уравнением:

где - количество тепла, подводимое в куб-испаритель, Вт;

- количество тепла, подводимое с исходной смесью, Вт;

- количество тепла, выделяющееся при конденсации пара в дефлегматоре-конденсаторе, Вт;

- количество тепла, отводимого с потоком дистиллята, Вт;

- количество тепла, отводимого с потоком кубового остатка, Вт;

- потери в окружающую среду (3 - 5%), Вт.

Используя Таблицу 1, находим - температуры соответствующие дистилляту, кубовому остатку и исходной смеси.

? С

? С

? С

Теплофизические параметры бензола

где r_лл - удельная теплота конденсации паров бензола, кДж/кг; А = 51.87; t_кр = 289.1.

Дж/кг



где - удельная теплоемкость бензола, кДж/кг*К; с₀ = 1.65; с₁ = 0.0032.

Тогда

Дж/кг*К

Дж/кг*К

Дж/кг*К

Теплофизические свойства толуола

где r_тл - удельная теплота конденсации паров толуола, кДж/кг; А = 47.07; t_кр = 318.7.

Дж/кг

где - удельная теплоемкость толуола, кДж/кг*К; с₀ = 1.62; с₁ = 0.0035.

Тогда

Дж/кг*К

Дж/кг*К

Дж/кг*К

Теплофизические свойства смеси

Теплофизические свойства смеси определяются по аддитивным формулам:



где - удельная теплота конденсации паров в дефлегматоре-конденсаторе, Дж/кг.

Дж/кг

Тогда получим

Дж/кг*К

Дж/кг*К

Дж/кг*К

Используя полученные теплофизические данные, вычислим:

кВт

кВт

 кВт

кВт

Тогда

кВт

3. Подробный расчет подогревателя исходной смеси

3.1 Выбор теплообменного аппарата

Исходные данные: Р_изб = 1.5 атм; t_н = 35? С; t_F = 101.12 ? С.

Вычисляем абсолютное давление греющего пара:

Р_абс = Р_изб + 1 атм = 1.5 + 1 = 2.5 атм

По давлению греющего пара находим его температуру конденсации и удельную теплоту парообразования :

? С

Дж/кг

Тогда температурная схема будет иметь вид:

? С

? С

Тогда средняя разность температур будет определяться по формуле:



? С

Средние температуры теплоносителей:

? С

? С

Удельная теплоемкость смеси при средней температуре теплоносителя:

Дж/кг*К

Дж/кг*К

Дж/кг*К

Рассчитаем расход тепла в подогревателе исходной смеси по формуле:

кВт

Тогда расход греющего пара будет равен

 кг/с

Используя , примем в качестве ориентировочного значения коэффициента теплопередачи от конденсирующегося пара к органическим жидкостям К = 300 Вт/м²*К.

Тогда ориентировочное значение поверхности теплообмена будет определяться по формуле:

м²

По ориентировочному значению поверхности теплообмена был выбран одноходовой кожухотрубчатый теплообменник с трубами d = 20?2 мм, внутренним диаметром кожуха D = 325 мм, числом труб n = 100, длиной труб l = 3.0 м и поверхностью теплообмена F = 19.5 м² и проходным сечением трубного пространства s_тр = 2.0*10^-2 м².

Определим свойства смеси при средней температуре ? С:

1. Бензол

Плотность:

где - плотность легколетучего компонента смеси, кг/м³; ; ; .

кг/м³

Динамическую вязкость:



где - динамическая вязкость легколетучего компонента, мПа*с; ; ; t - температура, ? С.

мПа*с

Теплопроводность:

где - теплопроводность легколетучего компонента, Вт/м*К; ; .

Вт/м*К

2. Толуол

Плотность:

где - плотность труднолетучего компонента смеси, кг/м³;; ; .

кг/м³

Динамическую вязкость:

где - динамическая вязкость труднолетучего компонента, мПа*с;; ; t - температура, ? С.

Теплопроводность:

где - теплопроводность легколетучего компонента, Вт/м*К; ; .

Вт/м*К

3. Смесь

По формулам для определения средних величин :

где ?₁ > ?₂

Тогда получим

кг/м³

мПа*с

Вт/м*К

Определим свойства греющего водяного пара при Р_абс=2.5 атм и t_ср=126.25? С :

кг/м³

мПа*с

Для обеспечения развитого турбулентного режима

м/с

Примем м/с, тогда проходное сечение трубного пространства должно быть менее

м²

При ?=0.5 м/с s_тр = 0.0057 м². Следовательно, можно сделать вывод о том, что выбранный кожухотрубчатый теплообменник не подходит.

Рассмотрим теплообменник типа «труба в трубе».

Примем диаметр теплообменной трубы d = 108?5 мм, диаметр кожуховой трубы D = 159?6 мм. Положим, что в трубном пространстве идет нагрев исходной смеси, а в межтрубном - конденсация пара.

Примем скорость течения жидкости ? = 0.4 м/с, тогда

м²

Примем скорость пара ? = 15 м/с, тогда

м²

Сравним полученные значения со значениями, взятыми из :

S_тр = 75.4*10^-4 м² и s_м.тр = 78.1*10^-4 м².

Можно сделать вывод о том, что теплообменник подобран верно.

Уточним значения скоростей жидкости:

м/с

По уточненным значениям скоростей пара и жидкости рассчитаем значения критерия Рейнольдса для трубного и пространства:

d _тр = d _вн = 108 - 2*5 = 98 мм

3.2 Определение температур стенок методом итераций

Определим величины, которые не зависят от выбранной наугад температуры стенки:

Значение тепловой проводимости загрязнений стенок со стороны греющего пара, а тепловая проводимость загрязнений стенок органическими жидкостями.

Толщина стенки теплообменной трубы равна 5 мм. В качестве материала труб выберем обыкновенную сталь с коэффициентом теплопроводности .

Тогда тепловая проводимость стенки и загрязнений

1. Зададимся температурой стенки со стороны горячего теплоносителя .

Тогда температура пленки конденсата

? С

? С

Далее необходимо определить поверхностные плотности теплового потока и сопоставить их, если разница между ними будет меньше 5%, то можно считать, что процесс установившийся и температура стенки подобранна правильно.

где - коэффициенты теплоотдачи от горячего и холодного теплоносителей;

В межтрубном пространстве конденсируется греющий пар. Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара:

где теплопроводность конденсата, Вт/(м^.К);

-плотность конденсата, кг/м³;

удельная теплота конденсации, Дж/кг;

= 9.81 - скорость свободного падения, м/с²;

-динамическая вязкость конденсата, Па^.с;

= 0.039 - диаметр трубы, м.

Величины , , и определяются при температуре пленки конденсата t _пл :

кг/м³

Па*с

Вт/м*К

*10³ Дж/кг

Тогда

Вт/м²*К

Тогда поверхностная плотность теплового потока горячей стенки определим по формуле:

Примем что

Определим температуру холодной стенки по формуле:

? С

Из выше найденных значений теплофизических параметров при средней температуре смеси найдем значение критерия Прандтля:

Определим теплофизические параметры смеси при температуре стенки со стороны холодного теплоносителя:

Исходя из найденных теплофизических параметров, определим критерий Прандтля при температуре холодной стенки:

Зная значение Pr = 4.923; Pr _ст = 3.997 и Re = 93635.61, определим значение числа Нуссельта:

Зная критерий Нуссельта, определим коэффициент теплоотдачи холодной стенки по формуле:



Тогда Вт/м²*К

Поверхностную плотность теплового потока холодной стенки определим по формуле:

Сопоставим q₁ и q₂, а разность выразим в процентах:

Выбранная температура стенки наугад не подходит.

2. Зададимся температурой стенки со стороны горячего теплоносителя.

Тогда температура пленки конденсата

? С

? С

Далее необходимо определить поверхностные плотности теплового потока и сопоставить их, если разница между ними будет меньше 5%, то можно считать, что процесс установившийся и температура стенки подобранна правильно.



где - коэффициенты теплоотдачи от горячего и холодного теплоносителей;

В межтрубном пространстве конденсируется греющий пар. Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара:

где теплопроводность конденсата, Вт/(м^.К);

-плотность конденсата, кг/м³;

удельная теплота конденсации, Дж/кг;

= 9.81 - скорость свободного падения, м/с²;

-динамическая вязкость конденсата, Па^.с;

= 0.039 - диаметр трубы, м.

Величины , , и определяются при температуре пленки конденсата t _пл :

кг/м³

Па*с

Вт/м*К

*10³ Дж/кг

Тогда

Вт/м²*К

Тогда поверхностная плотность теплового потока горячей стенки определим по формуле:

Примем что

Определим температуру холодной стенки по формуле:

? С

Из выше найденных значений теплофизических параметров при средней температуре смеси найдем значение критерия Прандтля:

Определим теплофизические параметры смеси при температуре стенки со стороны холодного теплоносителя:

Исходя из найденных теплофизических параметров, определим критерий Прандтля при температуре холодной стенки:

Зная значение Pr = 4.923; Pr _ст = 4.125 и Re = 93635.61, определим значение числа Нуссельта:

Зная критерий Нуссельта, определим коэффициент теплоотдачи холодной стенки по формуле:

Тогда Вт/м²*К

Поверхностную плотность теплового потока холодной стенки определим по формуле:

Сопоставим q₁ и q₂, а разность выразим в процентах:



Выбранная температура стенки наугад не подходит

3. Зададимся температурой стенки со стороны горячего теплоносителя ? С.

Тогда температура пленки конденсата

? С

? С

Далее необходимо определить поверхностные плотности теплового потока и сопоставить их, если разница между ними будет меньше 5%, то можно считать, что процесс установившийся и температура стенки подобранна правильно.

где - коэффициенты теплоотдачи от горячего и холодного теплоносителей;

В межтрубном пространстве конденсируется греющий пар. Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара:

где теплопроводность конденсата, Вт/(м^.К);

-плотность конденсата, кг/м³;

удельная теплота конденсации, Дж/кг;

= 9.81 - скорость свободного падения, м/с²;

-динамическая вязкость конденсата, Па^.с;

= 0.039 - диаметр трубы, м.

Величины , , и определяются при температуре пленки конденсата t _пл :

кг/м³

Па*с

Вт/м*К

*10³ Дж/кг

Тогда

Вт/м²*К

Тогда поверхностная плотность теплового потока горячей стенки определим по формуле:

Примем что

Определим температуру холодной стенки по формуле:

? С

Из выше найденных значений теплофизических параметров при средней температуре смеси найдем значение критерия Прандтля:



Определим теплофизические параметры смеси при температуре стенки со стороны холодного теплоносителя:

Исходя из найденных теплофизических параметров, определим критерий Прандтля при температуре холодной стенки:

Зная значение Pr = 4.923; Pr _ст = 4.096 и Re = 93635.61, определим значение числа Нуссельта:

Зная критерий Нуссельта, определим коэффициент теплоотдачи холодной стенки по формуле:

Тогда Вт/м²*К

Поверхностную плотность теплового потока холодной стенки определим по формуле:

Сопоставим q₁ и q₂, а разность выразим в процентах:

Температура стенки подобрана верно.

Рассчитаем истинный коэффициент теплопередачи:

Вт/м²*К

Тогда м²

По ориентировочному значению поверхности теплообмена был выбран теплообменник типа «труба в трубе» с теплообменной трубой d = 108?5 мм, кожуховой D = 159?6 мм, длиной труб l = 9.0 м и поверхностью теплообмена F = 27.18 м².

Список литературы

1. К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков «Процессы и задачи по курсу химической технологии», Ленинград, 1987

2. А.И. Волжинский, О.М. Флисюк «Определение средних физических величин потоков пара и жидкости» Методические указания к курсовому проектированию

3. А.И. Волжинский, А.В. Марков «Ректификация: колонные аппараты с ситчатыми тарелками» Методическое пособие к курсовому проектированию

4. «Курсовое проектирование по процессам и аппаратам химической технологии. Краткие справочные данные»

Размещено на Allbest.ru