Проектирование ректификационной тарельчатой колонны с ситчатыми тарелками для разделения смеси бензол - уксусная кислота

Размещено на http://www.allbest.ru/

32

Санкт-Петербургский Государственный Технологический институт

(Технический университет)

Кафедра процессов и аппаратов

Курсовой проект

Тема: “Проектирование ректификационной тарельчатой колонны с ситчатыми тарелками для разделения смеси бензол - уксусная кислота”

Выполнила: Саврасова Юлия

Проверила: Волжинский А.И.

Санкт-Петербург 2011

Содержание

Введение

1. Аналитический обзор

1.1 Периодическая ректификация бинарных смесей

1.2 Непрерывно действующие ректификационные установки для разделения бинарных смесей

2. Расчетная часть

2.1 Материальный баланс

2.2 Гидравлический расчёт

2.2.1 Определение средних физических величин пара и жидкости. Расчет расходов пара и жидкости в верхней и нижней частях колонны

2.2.2 Тепловой расчет установки

2.2.3 Расчет скорости пара и диаметра колонны

2.2.4 Расчет высоты газожидкостного (барботажного) слоя жидкости

2.2.5 Расчёт скорости пара в свободном сечении тарелки

2.2.6 Расчёт брызгоуноса

2.3 Расчет высоты колонны

2.3.1 Определение кинетических параметров (частных чисел единиц переноса)

2.3.2 Определение локальной эффективности тарелки

2.3.3 Определение числа действительных тарелок

2.3.4 Определение высоты и гидравлического сопротивления колонны

2.4 Расчет дефлегматора

2.4.1 Температурная схема процесса

2.4.2 Расчет теплофизическиз свойств

2.4.3 Расход охлаждающей воды

2.4.4 Расчет площади поперечного сечения

2.4.5 Трубное пространство

2.4.6 Межтрубное пространство

2.4.7 Термическое сопротивление стенки и загрязнений

2.4.8 Метод итераций

2.4.9 Уточнение коэффициента теплопередачи и поверхности теплообмена

Заключение

Список литературы

Приложение А

Введение

В данной курсовой работе рассматривается процесс ректификации, осуществляющийся непрерывно при атмосферном давлении. Ректификация представляет собой процесс многократного частичного испарения жидкости и конденсации паров. Процесс осуществляется путем контакта потоков пара и жидкости, имеющих различную температуру кипения и проводится обычно в колонных аппаратах. При каждом контакте из жидкости испаряется преимущественно низко кипящий компонент, а из паров конденсируется высоко кипящий компонент, переходящий в жидкость.

Такой двусторонний обмен компонентами повторяемый многократно, позволяет по лучить в конечном итоге пары представляющие собой почти чистый НК. Эти пары после конденсации в отдельном аппарате дают дистиллят и флегмужидкость, возвращаемую для орошения колоны и взаимодействия с поднимающимися парами. Пары получают путем частичного испарения снизу колоны остатка, являющегося почти чистым ВК.

Ректификация известна с начала 19 века как один из важнейших технологических процессов главным образом спиртовой и нефтяной промышленности. В настоящее время ее все шире применяют в самых различных областях химической технологии, где выделение компонентов в чистом виде имеет весьма важное значение (производство полимеров, полупроводников и различных других веществ высокой чистоты).

1.Аналитический обзор

Процессы ректификации осуществляются периодически или непрерывно при различных давлениях: атмосферном, под вакуумом (для разделения смесей высококипящих веществ), а так же под давлением больше атмосферного (для разделения смесей, являющихся газообразными при нормальных температурах).

1.1 Периодическая ректификация бинарных смесей

Процессы периодической ректификации могут проводиться при постоянном флегмовом числе (R=const), и при постоянном составе дистиллята.

При периодической ректификации содержание НК в смеси, кипящей в кубе, уменьшается во времени. Поэтому при возврате постоянного количества флегмы в колонну, т.е. в случае работы при R=const, дистиллят так же постепенно соединяется с НК. В результате дистиллят получают в виде различных по составу фракций, отбираемых в отдельные сборники. Проведение процесса получением дистиллята постоянного состава возможно, путем постепенного увеличения во времени количества возвращаемой в колонну флегмы или при работе с постепенно возрастающим флегмовым числом R.

Осуществление процесса таким способом связано с автоматическим регулированием количества флегмы, возвращаемой в колонну, или количества пара, поступающего из кипятильника, что усложняет установку.

Периодически действующие колонны работают как колонны для укрепления паров.

Поэтому зависимость между рабочими концентрациями фаз определяется для всей колонны одной рабочей линией, соответствующей уравнению:



Роль исчерпывающей части колонны выполняет куб. В процессе периодической ректификации при R=const концентрация НК в кубе постепенно уменьшается от Х (в начальный момент) до Х (в конечный момент), принимая во времени промежуточные значения. При R=const наклон рабочей линии, равной , не зависит от концентрации и поэтому рабочая линия смещается параллельно своему первоначальному положению.

Однако при всех положениях рабочих линий число единиц переноса в колонне остается неизменным. В связи с этим изменяется состав дистиллята; концентрация НК в нем снижается, принимая последовательно значения (при составе в кубе), , и т.д. вплоть до конечного значения соответствующее данному составу остатка .

В процессе периодической ректификации при =const для сохранения постоянного состава дистиллята необходимо постепенно увеличивать флегмовое число. Возрастание его соответствует увеличению наклона рабочей линии. С увеличением R отрезок, отсекаемый рабочей линией на оси ординат и равный , при =const уменьшается.

1.2 Непрерывно действующие ректификационные установки для разделения бинарных смесей

Ректификационная колонна имеет цилиндрический корпус, внутри которого установлены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Снизу вверх по колонне движутся пары, поступающие в нижнюю часть аппарата из кипятильника, который находится внизу колонны (встроен в куб). С помощью него создается восходящий поток пара. Пары проходят через слой жидкости на нижней тарелке, которую считаем первой, введя условно нумерацию снизу вверх.

Пусть жидкость на первой тарелке равна по низкокипящему компоненту, а ее температура . В результате взаимодействия между жидкостью и паром, имеющим более высокую температуру, жидкость частично испаряется, причем в пар переходит преимущественно НК. Поэтому на следующую тарелку поступает пар с содержанием НК .

Испарение жидкости на тарелке происходит за счет тепла конденсации пара. Из пара конденсируется и переходит в жидкость преимущественно ВК, содержание которого в поступающем на тарелку паре выше равновесного с составом жидкости на тарелке. При равенстве теплот испарения компонентов бинарной смеси, для испарения 1моль НК необходимо сконденсировать 1 моль ВК, т.е. фазы на тарелке обмениваются эквимолекулярными количествами компонентов.

На второй тарелке жидкость имеет состав , содержит больше НК, чем на первой, и соответственно кипит при более низкой температуре. Соприкасаясь с ней, пар состава частично конденсируется, обогащается НК и удаляется на выше лежащую тарелку, имея состав и.т.д.

Таким образом, пар представляющий собой на выходе из кипятильника почти чистый ВК, по мере движения вверх все более обогащается НК и покидает верхнюю тарелку колонны в виде почти чистого НК, который практически полностью переходит в паровую фазу на пути пара от кипятильника до верха колонны.

Пары конденсируются в дефлегматоре, охлаждаясь водой, и получаемая жидкость разделяется в делителе на дистиллят и флегму, которая направляется на верхнюю тарелку колонны.

Жидкость, поступающая на орошение колонны (флегма) представляет собой почти чистый НК. Однако, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, жидкость все более обогащается ВК и поступает в кипятильник, обогреваемый глухим паром или другим теплоносителем. На некотором расстоянии от верха колонны к жидкости из дефлегматора присоединяется исходная смесь, которая поступает на питающую тарелку. Для того чтобы уменьшить тепловую нагрузку кипятильника, исходную смесь так же нагревают в подогревателе до температуры кипения жидкости.

Питающая тарелка как бы делит колонну на две части, имеющие различное назначение.

В верхней части (от питающей до верха) должно быть обеспечено, возможно большее укрепление паров, т.е. обогащение их НК с тем, чтобы в дефлегматор направлялись пары, близкие по составу к чистому НК. Поэтому данная часть колонны называется укрепляющей. В нижней части (от питающей до нижней тарелки) необходимо в максимальной степени удалить из жидкости НК т.е. исчерпать жидкость, для того, чтобы в кипятильник стекала жидкость, близкая по составу к чистому ВК. Соответственно эта часть колонны называется исчерпывающей. Жидкость, выходящая из низа колонны (близкая по составу ВК) также делится на две части. Одна часть направляется в кипятильник, а другая - остаток после охлаждения водой в холодильнике направляется в сборник.

2. Расчетная часть

2.1 Материальный баланс

Обозначим массовый расход по кубовому остатку кг/с, по дистилляту кг/с, питания кг/с.

из уравнений материального баланса:

где:

находим: ,

Для дальнейших расчетов выразим концентрации питания, дистиллята и кубового остатка в массовых долях:

Относительный мольный расход питания: . Кривая равновесия точек перегиба не имеет. Определяем минимальное число флегмы по уравнению:

,
где - мольную долю воды в паре, равновесном с жидкостью питания определяем по диаграмме . Рабочее число флегмы определяем по уравнению:

Уравнения рабочих линий:

а) верхней части колонны

,

в) нижней части колонны

График нижней и верхней рабочих линий, а так же равновесной кривой находится в Приложение I.

2.2 Гидравлический расчёт

2.2.1 Определение средних физических величин пара и жидкости. Расчет расходов пара и жидкости в верхней и нижней частях колонны

Для определения основных размеров колонны, расходов греющего пара и воды требуется найти средние мольные, массовые составы, мольные, массовые и объемные расходы по жидкости и пару, а также некоторые физические величины.

Простая полая колонна.

Для простой полой колонны, обогреваемой глухим паром (горячей водой) или острым паром, средние составы и расходы по жидкости и пару, а также физические величины определяют отдельно для верхней и нижней частей колонны.

а) Для жидкой фазы в верхней и нижней частях колонны:

- мольные составы Х_Ав и Х_Ан

-мольные массы

-массовые составы

-средние температуры определяют по диаграмме t-x,y при соответствующих значениях Х_Ав и Х_{Ан :}

-плотности

-динамические коэффициенты вязкости

-коэффициенты диффузии

-поверхностные натяжения

-массовые расходы

-объемные расходы

б) Для паровой фазы в верхней и нижней частях колонны

-мольные составы определяют по уравнениям рабочих линий при подстановке в них соответствующих Х_Ав и Х_Ан

-мольные массы

-массовые составы

-средние температуры t_ув, t_ун определяют по диаграмме t-x,y при соответствующих значениях Y_Ав и Y_Aн :

-плотности



-динамические коэффициенты вязкости

-коэффициенты диффузии

-массовый расход пара, который принимается постоянным по высоте колонны

-объемный расход пара



2.2.2 Тепловой расчет установки

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе.

Тепловой баланс ректификационной колонны можно выразить одним уравнением

где с_D, c_W, c_F - удельные теплоты дистиллята, кубового остатка и исходной смеси (Дж/кг*К) взяты соответственно при t_D=81.8⁰С, t_W=116.5⁰С, t_F=93.2⁰С

Q_потерь - тепловые потери,



2.2.3 Расчет скорости пара и диаметра колонны

Задаемся скоростью пара в колонне пусть w=1 м/с, тогда диаметр колонны рассчитываем по формуле

Результат округляем до ближайшего большего стандартного значения D=1.4 м

Гидравлический расчет ситчатых тарелок начинают с определения скорости газа(пара). Однако сначала необходимо рассчитать максимальную скорость газа(пара) по соотношению:

Коэффициент k₁=1.2, k₂=0.8, k₃=1.22

Линейная плотность орошения

-при максимальной нагрузке по жидкости

-при минимальной нагрузке по жидкости



L_x - расход жидкости, кг/с, L_сп - длина сливной перегоролки, которая определяется по каталогу.

По каталогу, для D=1.4 м выберем ситчатую тарелку с конструктивными размерами:

щ=5.25%

L_сп=840 мм

S=1.54 м²

Для выбранного стандартного диаметра рассчитываем скорость пара в свободном сечении колонны:



Для выбранной тарелки диаметра D=1.4 м² и различных нагрузок по пару определяем рабочую скорость пара:

Величина максимально допустимой рабочей скорости пара, рассчитывается по формуле:

В- коэффициент, значение которого смотрим в справочнике, В_в=0.050, В_н=0.059

2.2.4 Расчёт высоты газожидкостного (барботажного) слоя жидкости

Высота газожидкостного слоя рассчитывается по уравнению:



h₀ - высота светлого слоя жидкости

е - газосодержание барботажного слоя

Fr - критерий Фруда



Таким образом получим

2.2.5 Расчёт скорости пара в свободном сечении тарелки

Скорость пара в свободном сечении тарелки определяем по формуле:

щ - относительное свободное сечение тарелки (см. справочник) при t=13 мм и щ=0.0922

Минимально допустимая скорость пара в свободном сечении тарелки рассчитываем по соотношению



2.2.6 Расчёт брызгоуноса

Унос жидкости потоком пара на вышележащие тарелки приводит к ухудшению эффективности работы тарелок. Брызгоунос (относительный расход уносимой паром жидкости) определяется скоростью пара, высотой сепарационного пространства и физическими свойствами жидкости и пара. Унос жидкости определяем по соотношению Ханта:

h_c - высота сепарационного пространства, м



Гидравлическое сопротивление тарелки можем определить по соотношению:

ж=1.6 - коэффициент сопротивления ситчатой тарелки

2.3 Расчет высоты колонны

2.3.1 Определение кинетических параметров (частных чисел единиц переноса)

Число n_y единиц переноса по газовой фазе можно рассчитать по следующему соотношению:

где Pe'_y - диффузионный критерий Пекле

Число n_x единиц переноса по жидкой фазе рассчитываем по уравнению:

Pe'_х- диффузионный критерий Пекле

2.3.2 Определение локальной эффективности тарелки

Расчет эффективности Е₀ тарелки зависит от модели структуры потоков пара и жидкости и их взаимного движения.

На тарелках с переливными устройствами осуществляется перекрестное движение фаз. Обычно для паровой фазы используется модель идеального вытеснения, а для жидкой фазы используется либо модель полного перемешивания, либо модель идеального вытеснения, или диффузионная модель движения жидкости, учитывающая перемешивание жидкости на тарелке.

Для модели полного перемешивания жидкости на тарелке:



где n_0y - общее число единиц переноса по паровой фазе на тарелке

По использовании диффузионной модели для жидкой фазы общая эффективность тарелки рассчитаем по уравнению:



-критерий Пекле, характеризующий перемешивание жидкости на тарелке,

- длина пути жидкости на тарелке (расстояние между переливной и сливной перегородками), м

- время пребывания жидкости на тарелке, с

D_T - коэффициент турбулентной диффузии, м²/с, определяемый для ситчатых тарелок равенством:

- подпор жидкости над сливным порогом, м

Общее число единиц переноса рассчитываем по формуле:

2.3.3 Определение числа действительных тарелок

Для определения необходимого числа n тарелок необходимо знать число теоретических тарелок - n_m, определяемое графическим построением ступеней между рабочими линиями и линией равновесия,

в верху колонны n_m=3, в низу - n_m=4,

2.3.4 Определение высоты и гидравлического сопротивления колонны

Высоту H_m тарельчатой части колонны находят по соотношению:

Общая высота колонны включает высоту её тарельчатой части и определяется по формуле:

,

и -расстояние между верхней тарелкой и крышкой колонны и между днищем колонны и нижней тарелкой, .

Расстояния и для колонн диаметром равны:

и . Высота колонны получается равной:

Гидравлическое сопротивление колонны равно:

2.4 Расчет дефлегматора

2.4.1. Температурная схема процесса

t_D=81.8 ⁰C

t_вн=17 ⁰С

t_вк=22 ⁰С

Рассчитаем среднюю движущую силу теплопередачи



Рассчитаем среднюю температуру воды:

2.4.2 Расчет теплофизических свойств

Для воды при t=19.5⁰C

с₂=998.1 кг/м³

м₂=1.0155*10^-3 Па*с

л₂=59.78*10^-2 Вт/м*К

с₂=4.19 кДж/м²*К

Дистилят при t_D=81.8⁰C



Тепловая нагрузка аппарата:

2.4.3 Расход охлаждающей воды

Расход охлаждающей воды при нагреве на 5⁰С

Примем k=500 Вт/м²К, тогда

2.4.4 Расчет площади поперечного сечения

Расчет площади поперечного сечения трубного пространства одного хода S_t, при котором режим течения воды будет турбулентным

Примем Re=10⁴ и d=25x2 мм тогда,

Отсюда найдем площадь поперечного сечения трубного пространства одного хода:

Выберем по каталогу для уточняющего расчета конденсатор с поверхностью F=F_max и S_t<16.4*10^-2 м², таким параметрам удовлетворяет следующий конденсатор:

D=600 мм

l=2 м

d=25x2 мм

число ходов = 2

число труб = 240

число труб по вертикали =16

F=38 м²

2.4.5 Трубное пространство

Расчет скорости течения в трубном пространстве:

Определение режима течения жидкости

Так как Re>10⁴, то критериальное уравнение имеет вид:

Принимает =1, тогда

Зная критерий Нуссельта, определим коэффициент теплоотдачи по формуле:

2.4.6 Межтрубное пространство

Примем расположение теплообменника горизонтальным.

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи при конденсации пара на пучке горизонтальных труб:



о - поправочных множитель, учитывающий влияние числа труб по вертикали (о=0.56);

о_Т - поправочная функция

()

2.4.7 Термическое сопротивление стенки и загрязнений

В качестве хладагента используем воду со средним загрязнением тепловой проводимости загрязнений стенок, а тепловая проводимость загрязнений стенок органическими парами Толщину слоя загрязнения примем равной 2 мм. В качестве материала труб выберем сталь с коэффициентом теплопроводимости

Тогда термическое сопротивление загрязнений труб:

2.4.8 Метод итераций

1. Задаемся t_ст=60 ⁰С

2. Уточним б₁



3. Рассчитаем t_ст2

4. Рассчитаем q₂

5. Определение погрешности сходимости тепловых потоков

Дальнейшие итерационные действия и расчеты занесены в таблицу:

t1 0C	tст1 0C	?t1 0C	б1 103 Вт/м2К	q1 104 Вт/м2	tст2 0С	t2 0C	б2 103 Вт/м2К	?t2 0C	q2 104 Вт/м2	Е %
81.8	60	21.8	2.554	5.5687	33.6	19.5	5	14.1	7.05	-23.5
81.8	59	22.8	2.526	5.7593	31.7	19.5	5	12.2	6.1	-5.75
81.8	58	23.8	2.499	5.9476	29.81	19.5	5	10.31	5.155	14.3
81.8	58.5	23.3	2.512	5.8537	30.75	19.5	5	11.25	5.625	4

Уточним б₂ при t_ст2=30.75 ⁰С

2.4.9 Уточнение коэффициента теплопередачи и поверхности теплопередачи

Требуется установить теплообменник

D=600 мм

d=25x2 мм

число ходов = 2

число труб = 240

число труб по вертикали = 16

F=38 м²

Запас поверхности равен:

ректификация колонна разделение смесь бензол

Заключение

Исходя из проведенных расчетов можно сделать вывод о том, что ректификационная колонна диаметром D=1.4 м и высотой H=7.8 м подходит для проведения в ней процесса разделения смеси бензол - уксусная кислота.

По итогам предварительных расчетов и уточнения их методом итераций для отвода теплоты из колонны можно использовать дефлегматор с площадью теплообмена F=38 м².

Список литературы

1. Дытнерский Ю. И., Борисов Г. С., Брыков В. П. “Основные процессы и аппараты химической технологии” пособие по проектированию М: Химия 1991-496с.

2. Касаткин А. Г. “Основные процессы и аппараты химической технологии” М: Химия 1971-784с.

3. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. “Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии”. Л: Химия 1987-576с.

4. Волжинский А. И., Марков А.В. “Ректификация: колонные аппараты с ситчатыми тарелками”. Учебное пособие СПбГТУ 2006

5. Волжинский А. И., Флисюк О. М. “Определение средних физических величин, потоков пара и жидкости”. Метод. указания СПбГТУ 2001

6. Волжинский А. И., Константинов В. А. “Ректификация. Справочные данные по равновесию пар-жидкость”. Метод. указания СПбГТУ 2003

7. Нестеров А. В., Озерова Н. В. “Курсовое проектирование по процессам и аппаратам химической технологии” Краткие справочные данные. Метод. указания ЛТИ им. Ленсовета 1989

Приложение А

Равновесие между жидкостью и паром в системе бензол - уксусная кислота (Р=760мм р.с.)

Размещено на Allbest.ru