Расчёт ректификационной колонны для разделения смеси хлороформ - бензол производительностью 13200 кг/ч - файл n1.docx

приобрести
Расчёт ректификационной колонны для разделения смеси хлороформ - бензол производительностью 13200 кг/ч
скачать (259.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.docx260kb.10.09.2012 13:23скачать

n1.docx

Федеральное агентство по образованию РФ

Волжский политехнический институт (филиал)

Волгоградского государственного технического университета

Кафедра «технологические машины и оборудование»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

тема: «Расчёт ректификационной колонны для разделения смеси

хлороформ – бензол производительностью 13200 кг/ч»

Выполнил: студент группы ВХТ-301

Карташова А. С.

Проверил:

Кореньков М.А.
Волжский 2010

Изм.

Лист

докум.

Подпись

Дата

Лист

2

КП.10.ВТМ.Р.00.000.ПЗ

Оглавление

Введение …………………………………………………………………………. 3

Технологическая схема установки …………………………………………….. 4

Задание на проектирование ……………………………………………………. 6

1. Технологический расчёт аппарата………………………………. . .. . . . . 8

1.1. Материальный баланс ……………………….………………………..8

2. Определение скорости пара и диаметра колонны. . . . . .. . . . . . . . . . . . . 11

3. Гидравлический расчет тарелок…………………………………………..15

4. Определение числа тарелок и высоты колонны…………………...…….18

5. Тепловой расчет……………………………....……………………………21

Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Изм.

Лист

докум.

Подпись

Дата

Лист

3

КП.10.ВТМ.Р.00.000.ПЗ

1. ВВЕДЕНИЕ

Ректификация представляет собой процесс многократного частичного испарения жидкости и конденсации паров. Процесс осуществляется путем контакта потоков пара и жидкости, имеющих различную температуру, и проводится обычно в колонных аппаратах. При каждом контакте из жидкости испаряется преимущественно НК (низкокипящий компонент), которым обогащаются пары, а из паров конденсируется преимущественно ВК (высококипящий компонент), переходящий в жидкость. Такой двусторонний обмен компонентами, повторяемый многократно, позволяет получить, в конечном счете, пары, представляющие собой почти чистый НК. Эти пары после конденсации в отдельном аппарате дают дистиллят (ректификат) и флегму — жидкость, возвращаемую для орошения колонны и взаимодействия с поднимающимися парами. Пары получают путем частичного испарения снизу колонны остатка, являющегося почти чистым ВК.

Ректификация известна с начала XIX века как один из важнейших технологических процессов главным образом спиртовой и нефтяной промышленности. В настоящее время ректификацию все шире применяют в самых различных областях химической технологии, где выделение компонентов в чистом виде имеет весьма важное значение (в производствах органического синтеза, изотопов, полимеров, полупроводников и различных других веществ высокой чистоты) [2].

Изм.

Лист

докум.

Подпись

Дата

Лист

4

КП.10.ВТМ.Р.00.000.ПЗ

2. СХЕМА НЕПРЕРЫВНО ДЕЙСТВУЮЩЕЙ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ


Рис.1 – Схема ректификационной установки.


1- емкость для исходной смеси; 2 - насос; 3 - подогреватель; 4 – кипятильник; 5 - ректификационная колонна; 6 - дефлегматор; 7 - холодильник дистиллята; 8 - сборник дистиллята; 9 - насос; 10 - холодильник; 11 - сборник кубового остатка.

Исходная смесь из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подается в теплообменник 3, где подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси ХF.
Изм.

Лист

докум.

Подпись

Дата

Лист

5

КП.10.ВТМ.Р.00.000.ПЗ

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка ХW, то есть, обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью парообогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкости (флегмы), состава ХD, которая получается дефлегматоре 6 путем конденсации пара, выходящего из колонны.

Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения – дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7, и направляется в промежуточную емкость 8.

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

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходной смеси на дистиллят с высоким содержанием легколетучего компонента и кубовый остаток, обогащенный труднолетучим компонентом [1].

Изм.

Лист

докум.

Подпись

Дата

Лист

6

КП.10.ВТМ.Р.00.000.ПЗ

ЗАДАНИЕ

Спроектировать ректификационную колонну для разделения смеси хлороформ – бензол при следующих исходных данных: производительность – 13200 кг/ч, содержание легколетучего компонента: куб – 9, исход. – 28, дистил. – 92 %, температура исходной смеси – 20 оС, давление в колонне – 1 атм., колонна тарельчатая.


Смесь для ректификации: хлороформ (СНСl3) и бензол (C6H6).

куб.

исход.

дистил.

масс %

9

28

92


Равновесие в системе пар – жидкость при давлении 760 мм. рт. ст.:

Хлороформ - бензол

Xхл.

Yхл.

t


Моль %

0С

0

0

80.6

8

10

79.8

15

20

79.0

22

30

78.2

29

40

77.3

36

50

76.4

44

60

75.3

54

70

74.0

66

80

71.9

79

90

68.9

100

100

61.4


Изм.

Лист

докум.

Подпись

Дата

Лист

7

КП.10.ВТМ.Р.00.000.ПЗ

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОСНОВНОГО АППАРАТА

1.1. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС

Обозначим весовой расход дистиллята через GD [кг/ч], расход кубового остатка GW [кг/ч] и расход исходной смеси GF [кг/ч]. Массовый расход дистиллята GD и кубового остатка GW определяем из уравнения материального баланса колонны по низкокипящему компоненту (по хлороформу):







Проверяем:



Для дальнейших расчетов необходимо концентрации питания, дистиллята и кубового остатка выразить в молярных долях. Посчитаем молярные массы веществ участников реакции:

М(CHCl3)=119,5 г/моль M(C6H6)=78 г/моль


Изм.

Лист

докум.

Подпись

Дата

Лист

8

КП.10.ВТМ.Р.00.000.ПЗ

Питание:

Дистиллят:

Кубовый остаток:

Относительный мольный расход питания:



Определим минимальное число флегмы:

Х

Рх, мм.рт.ст

Рб, мм.рт.ст

П, мм.рт.ст

Y'

0

0

547,00

547,00

0

0,1

82,50

492,30

574,80

0,144

0,2

165,00

437,60

602,60

0,274

0,3

247,50

382,90

630,40

0,393

0,4

330,00

328,20

658,20

0,501

0,5

412,50

273,50

686,00

0,601

0,6

495,00

218,80

713,80

0,693

0,7

577,50

164,10

741,60

0,779

0,9

742,50

54,70

797,20

0,931

1

825,00

0

825,00

1,000

0,203

111,04

436

547,00

0,306



Изм.

Лист

докум.

Подпись

Дата

Лист

9

КП.10.ВТМ.Р.00.000.ПЗ

y*=0,306



где - мольная доля хлороформа в паре, равновесном с жидкостью питания, определяется по диаграмме y*-x

Рабочее число флегмы: R = 1,3·Rmin + 0,3; R = 1,3·5+ 0,3= 6,8

Уравнение рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части колонны:

; у = 0,872 + 0,113

б) нижней (исчерпывающей) части колонны:

Изм.

Лист

докум.

Подпись

Дата

Лист

10

КП.10.ВТМ.Р.00.000.ПЗ

;

Изм.

Лист

докум.

Подпись

Дата

Лист

11

КП.10.ВТМ.Р.00.000.ПЗ

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ПАРА И ДИАМЕТРА КОЛОННЫ

Средние составы пара:

а) в верхней части колонны:

;

б) в нижней части колонны:



Средние составы пара находим по уравнениям рабочих линий:

а) в верхней части колонны:

= 0,85 + 0,130 = 0,85∙0,543+0,130= 0,592

б) в нижней части колонны:

= 1,35 - 0,0103 = 1,35 ·0.132 – 0,0103 = 0,168

Средние температуры пара определяем по диаграмме t-y,x:

Изм.

Лист

докум.

Подпись

Дата

Лист

12

КП.10.ВТМ.Р.00.000.ПЗ

а) при = 0,592 = 75,5 єС,

б) при = 0,168 = 79,5 єС.

Средние мольные массы и плотности пара:

а) = ∙Мх+(1-)∙Мб = 0,592·119,5 + 0,408 ·78 = 102,57 кг/кмоль



б) = ∙Мх+(1-)∙Мб = 0,168·119,5+ 0,832·78 =84,97 кг/кмоль


Средняя плотность пара в колонне:

Изм.

Лист

докум.

Подпись

Дата

Лист

13

КП.10.ВТМ.Р.00.000.ПЗ



Температура вверху колонны при хD = 0,883 t = 65 єС, а в кубе–испарителе при xW = 0,061 t = 82є С. Плотность хлороформа при t = 65 єС pх=1366,5 кг/м3, а бензола при t = 82 єС - pб = 812,8 кг/м3.

Средняя плотность жидкости:
Расстояние между тарелками h=300мм.

Определим скорость пара в колонне по следующему уравнению:

м/с

Объемный расход, проходящего через колонну пара при средней температуре в колонне:

; 0C

;

МD= кг/кмоль

м3

Диаметр колонны:

м


По каталогу-справочнику принимаем D = 2000 мм

Тогда скорость пара в колонне будет равна:

Изм.

Лист

докум.

Подпись

Дата

Лист

4

КП.10.ВТМ.Р.00.000.ПЗ

; м/с

Изм.

Лист

докум.

Подпись

Дата

Лист

15

КП.10.ВТМ.Р.00.000.ПЗ

3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТАРЕЛОК

Принимаем следующие значения ситчатой тарелки: диаметр отверстия d0= 4 мм, высота сливной перегородки hп = 40 мм, свободное сечение тарелки (суммарная площадь отверстий) 8% от общей площади тарелки. Площадь, занимаемая двумя сегментными переливными стаканами, составляет 20% от общей площади тарелки.

Рассчитаем гидравлическое сопротивление тарелки в верхней и нижней части колонны:



Сопротивление пароожиженного слоя на тарелке:

а) Верхняя часть колонны.

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:



- коэффициент сопротивления тарелок со свободным сечение 8%; ?0 = 0,54/0,08 = 6,75 м/с – скорость пара в отверстиях тарелки.

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:



где ? = 22,1·10-3 Н/м – поверхностное натяжение жидкости при средней температуре в верхней части колонны 75,5 оС (у хлороформа и бензола практически одинаковое поверхностное натяжение); d0=0,004 м – диаметр отверстий тарелки.

Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:



Изм.

Лист

докум.

Подпись

Дата

Лист

16

КП.10.ВТМ.Р.00.000.ПЗ

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:



Объемный расход жидкости в верхней части колонны:



Периметр сливной перегородки П находим решая систему уравнений:



где R = 1 м – радиус тарелки; – приближённое значение площади сегмента.

Решение даёт: П = 1,47 м; b = 0,32 м. Находим ?h:



Высота парожидкостного слоя:



Общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части:



б) Нижняя часть колонны.

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:



Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:


Изм.

Лист

докум.

Подпись

Дата

Лист

17

КП.10.ВТМ.Р.00.000.ПЗ

при 79,5 °С ?= 21,4·10-3 Н/м

Сопротивление пароожиженного слоя на тарелке:









где – средняя мольная масса жидкости, кг/кмоль Vж – объёмный расход жидкости, м3/с; П – периметр сливной перегородки, м; k = ?пж/?ж – отношение плотности парожидкостного слоя (пены) к плотности жидкости, принимаем приближённо равным 0,5.

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части:




Изм.

Лист

докум.

Подпись

Дата

Лист

18

КП.10.ВТМ.Р.00.000.ПЗ

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛА ТАРЕЛОК И ВЫСОТЫ КОЛОННЫ


Находим число ступеней изменения концентрации в верхней части колонны , в нижней части , всего 20 ступеней.

При средней температуре в колонне 77,5 °С давление насыщенного пара хлороформа Рх = 1544 мм. рт. ст., а бензола Рб = 683 мм. рт. ст.

Тогда компонент относительной летучести компонентов:



Динамическая вязкость хлороформа при 77,5 °С , бензола


Изм.

Лист

докум.

Подпись

Дата

Лист

19

КП.10.ВТМ.Р.00.000.ПЗ

.



Принимаем динамическую вязкость смеси исходного состава как среднее арифметическое значение:

Тогда

Тогда по таблице находим .

Длина пути, проходимого жидкостью по тарелке:,

где b = 0,32

По значению длины пути находим значение поправки на длину пути. Так как она очень мала, то ею можно пренебречь.

Средний КПД тарелок определяется по уравнению:



Для сравнения рассчитывают средний КПД тарелки по критериальной формуле:

,

где

Коэффициент диффузии легколетучего компонента в исходной смеси:



Изм.

Лист

докум.

Подпись

Дата

Лист

20

КП.10.ВТМ.Р.00.000.ПЗ

,

,

Молекулярный объем диффундирующего вещества равен:



Средний КПД тарелки:



Число тарелок определяется по наименьшему благоприятному значению :

а) в верхней части колонны:

27 + 2 = 29

в) в нижней части колонны:

18 + 3 = 21

Общее число тарелок n = 45. С запасом принимаем 50 тарелок, из них 29 тарелок в верхней части и 21 в нижней.

Высота тарельчатой части колонны:

Общее гидравлическое сопротивление тарелок:





5. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ

Тепловой поток, отдаваемый охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе:


Здесь ,
где rб,rх- удельная теплота конденсации CHCl3 и C6H6.

Тепловой поток, получаемый в кубе-испарителе от греющего пара:



Здесь тепловые потери Qпот приняты в размере 3%

Тепловой поток в паровом подогревателе исходной смеси:



Здесь тепловые потери Qпот приняты в размере 5%, удельная теплоемкость смеси ккал/кг·К взята при средней температуре

Тепловой поток, отдаваемый охлаждающей воде в холодильнике дистиллята:



Изм.

Лист

докум.

Подпись

Дата

Лист

21

КП.10.ВТМ.Р.00.000.ПЗ

Изм.

Лист

докум.

Подпись

Дата

Лист

22

КП.10.ВТМ.Р.00.000.ПЗ

где удельная теплоемкость дистиллята взята при средней температуре:

Тепловой поток, отдаваемый охлаждающей воде в холодильнике кубового остатка:

,

где удельная теплоемкость кубового остатка взята при средней температуре:

Расход греющего пара, имеющего давление pабс=4 Па и влажности 5%:

а) в кубе-испарителе:



б) в подогревателе исходной смеси:


Общий расход греющего пара на установку



Расход охлаждающей воды при нагреве ее на 20 0С

а) в дефлегматоре



б) в водяном холодильнике дистиллята



в) в водяном холодильнике кубового остатка



Общий расход охлаждающей воды на всю установку



Изм.

Лист

докум.

Подпись

Дата

Лист

23

КП.10.ВТМ.Р.00.000.ПЗ
Список литературы

  1. Дытнерский Ю. И. – Процессы и аппараты химической технологии. Изд. 2-е. В 2-х кн. Часть 2. Массообменные процессы и аппараты. М.: «Химия», 1995.-368с.

  2. Дытнерского Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. М.: Химия, 1991. – 496 с.

  3. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов, Л.: Химия, 1987. 572 с.

  4. Справочник химика. М.–Л.: Химия, Т. I, 1996 1072 с.

  5. Касаткин А. Г. – Основные процессы и аппараты химической технологии: Госхимиздата, 1961, 832 с.



Изм.

Лист

докум.

Подпись

Дата

Лист

24

КП.10.ВТМ.Р.00.000.ПЗ


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации