Курсовая работа: Спроектировать ректификационную установку для разделения бензол – толуол

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

АНГАРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

КАФЕДРА МАШИН И АППАРАТОВ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

по процессам и аппаратам химической технологии на тему:

«Спроектировать ректификационную установку для разделения

бензол – толуол»

Проектировал студент

гр. Мху – 06 – 1

Руководитель проекта

Подоплелов Е. В.

Ангарск, 2009

СОДЕРЖАНИЕ

1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА

2 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ АППАРАТА

2.1 Материальный баланс колонны

2.2 Пересчет массовых долей

2.3 Расчет рабочего флегмового числа

2.4 Расчет физико-химических параметров процесса колонны

2.5 Определение диаметра колонны

2.6 Определение тангенса угла наклона

2.7 Определение высоты колонны

2.8 Гидравлический расчет колонны

2.9 Расчет патрубков

2.10 Расчет кипятильника

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА

Ректификация – частичное или полное разделение гомогенных жидких смесей на компоненты в результате различия их летучести и противоточного взаимодействия жидкости, получаемой при конденсации паров, и пара, образующегося при перегонке.

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

Пересчет массовых долей в мольные:

,

где M_A и M_Б – молярные массы низкокипящего (бензол) и высококипящего (толуол) компонентов, кг/кмоль.

2.3 Расчет рабочего флегмового числа

Для технологического расчета ректификационной колонны необходимо построить равновесную зависимость между жидкостью и паром для смеси в координатах У–X и t–X,У.

Определяем минимальное флегмовое число:

 – концентрация легколетучего компонента в паре, находящегося в равновесии с исходной смесью X_F (графика У–X). = 70,5 %

Рабочее флегмовое число определяется как ,

где β – коэффициент избытка флегмы (β = 1,02÷3,5).

Определяется рабочее флегмовое число R, отрезок B, число теоретических тарелок в колонне n_T, путем вписывания «ступенек» между равновесной и рабочими линиями. Рабочие линии строятся для каждого отрезка . Результаты расчетов заносим в таблицу 2.

Таблица 2

Строится график в координатах  и из точки минимума на кривой определяется оптимальное рабочее флегмового число R: R_опт = 2,2 при                  

2.4 Расчет физико-химических параметров процесса колонны

Средние массовые расходы жидкости для верхней и нижней частей колонны определяются из соотношений:

L^B = P · R = Ф = 4421 · 2,2 = 9726,2 кг/ч

L^H = Ф + F = P · R + F = 9726,2 + 10000 = 19726,2 кг/ч

Средний расход пара по колонне постоянен:

G = P · (R + 1) = 4421 · (2,2 + 1) = 14147,2 кг/ч

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 ρ₁ и ρ₂ – плотности массы соответственно низкокипящего и высококипящего компонентов при температурах = 88,5ºС и = 103ºС

 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

Рабочая скорость пара для насадочной колонны:

,

где ρ_п и ρ_ж – плотность пара и жидкости.

Насадка – Кольца Рашига 25х25х3.

f=200м²/м³

Е=0,74 м²/м³

Низ колонны:

Верх колонны:

Диаметр колонны рассчитывают отдельно для верхней и нижней частей колонны:

Рассчитанные диаметры верхней и нижней частей колонны отличаются друг от друга на 3,5% < 10%, принимаем колонну одного диаметра, равного: D=1600 мм.

Принимаю d аппарата равным 1600 мм с насыпной насадкой, перераспределительными тарелками типа ТСН-ll (ОСТ 26-705-73) и распределительной тарелкой типа ТСН-lll (ОСТ 26-705-73).

Рабочая скорость пара в колонне при выбранном диаметре:

2.6 Определение тангенса угла наклона

Коэффициент массопередачи зависит от угла наклона кривой равновесия, причем этот угол является переменной величиной. Поэтому линию равновесия из графика Х-У (рис. 1) разбивают на равные участки вертикальными линиями, проведенными через точки Х₁ = 0,1; Х₂= 0,2 и т. д. Для каждого участка определяют тангенс угла наклона отрезка кривой равновесия:

2.7 Определение высоты колонны Расчет высоты насадки методом ВЭТТ:

Действительная высота насадки:

Общая высота насадки:

Высота колонны определяется по формуле:

,

где ,  – высота соответственно сепарационной части колонны, расстояние между днищем колонны и тарелкой.

2.8 Гидравлическое сопротивление слоя орошаемой насадки

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;

ρ – плотность среды, кг/м³;

ω – 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

Исходные данные:

Количество паров воды для конденсации G₁ = 3,93 кг/с; удельная теплота парообразования смеси (толуола) r₁ = 362,5 кДж/кг при температуре кипения t_к = 110ºС. В качестве теплоносителя использовать водяной пар с абсолютным давлением 5 кгс/см². Влияние примеси бензола на теплоотдачу не учитывать.

Тепловая нагрузка аппарата:

Q = G₁ · r₁ = 3,93 · 362,5·10³ = 1424,63·10³ Вт

Расход воды:

G₂ = ,

где r₂=2117·10³ Дж/кг – удельная теплота парообразования водяного пара при температуре конденсации t_конд=151,1 ºС

Средняя разность температур:

Примем ориентировочный коэффициент теплопередачи от конденсирующего пара к воде (конденсатор) (4, табл. 3) К_ор = 1000 Вт/м²·К, тогда требуемая площадь поверхности теплообменника:

Поверхность, близкую к ориентировочной имеет теплообменник с высотой труб Н=2,0 м и диаметром кожуха D=0,6 м и поверхностью теплообмена F=40 м². Испарители могут быть только одноходовыми, с диаметром труб d=25x2 мм.

Проведу уточненный расчет:

,

где ρ₁=777 кг/м² ; λ₁=0,116 Вт/(м ·К); μ=0,251 ·10^-3 Па·с; σ₁=18,35·10^-3 Н/м - физико-химические характеристики жидкого толуола при t_кип=110ºС

Значение коэффициента b определяется по формуле:

,

где ρ_п – плотность паров толуола, при t_кип=110ºС

 Коэффициент теплоотдачи для пара, конденсирующегося на наружной поверхности труб высотой Н, определяется:

,

где ρ₂=932 кг/м² ; λ₂=0,683 Вт/(м ·К); μ₂=0,207 ·10^-3 Па·с – физико-химические характеристики конденсата воды при t_конд=132,9ºС

Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений:

,

где - толщина стенки, мм;

λ_ст – теплопроводность нержавеющей стали, λ_ст =17,5 Вт/(мК)

Коэффициент теплопередачи:

Удельная тепловая нагрузка:

откуда

Это уравнение решается графически, задаваясь значением q. В качестве первого приближения принимается ориентировочное значение удельной тепловой нагрузки:

q=40000 Вт/м² у =2,55

q=38000 Вт/м² y =0,93

q=37000 Вт/м² y =0,15

при у=0 q=36800 Вт/м²

Требуемая поверхность F=1424630/36800=38,71 м²

Выбранный из каталога теплообменник с F=40 м²; D=600 мм; Z=1; n=257; H=2,0 м; d=25x2 мм подходит, так как присутствует запас поверхности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.  К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. – Л.: Химия, 1987.

2.  Методические указания по курсовому проектированию процессов и аппаратов химической технологии. «Расчет ректификационной установки непрерывного действия». – Ангарск, АГТА, 2000.

3.  Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и дополн.- М.: Химия, 1991.

4.  Расчет теплообменников. Справочно-методические указания по курсовому проектированию процессов и аппаратов химической технологии. Составили: Л. И. Рыбалко, Л. В. Щукина. Ангарская государственная техническая академия. – Ангарск: АГТА, 2001.