Спроектировать ректификационную колонну для разделения гомогенной жидкой смеси хлороформ - бензол производительностью 9600 кг/ч

! Курсовик ректификационная колонна хлороформ-бензол (Куканов).DOC

Министерство образования и науки Российской Федерации
Государственного образовательного учреждения
высшего профессионального образования
«Волгоградский государственный технический университет»
(ВПИ (филиал) ВолгГТУ)
Кафедра: «Технологические машины и оборудование»
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
«Процессы и аппараты химических производств»
Спроектировать ректификационную колонну для разделения
гомогенной жидкой смеси хлороформ – бензол
производительностью 9600 кгч
Задание на проектирование5
Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число6
Определение объемов пара и жидкости проходящих через колонну10
1. Средний мольный состав жидкости10
2. Средние мольные массы жидкости10
3. Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости11
4. Средняя массовая концентрация в жидкости11
5. Средний мольный состав пара12
6. Средние мольные массы пара12
7. Средние массовые потоки пара12
Скорость пара и диаметр колонны13
1. Температуры паров13
2. Плотности паров в колонне14
3 Плотности жидкостей в колонне14
4. Вязкости жидких смесей в колонне15
5. Предельная скорость паров в колонне16
6. Диаметр колонны17
Гидравлическое сопротивление насадки25
Ректификация – массообменный процесс который осуществляется в большинстве случаев в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки тарелки) аналогичными аппаратам используемым в процессах абсорбции. Поэтому методы подхода к расчету и проектированию ректификационных и абсорбционных установок имеют много общего. Тем не менее ряд особенностей процесса ректификации (различное соотношение нагрузок по жидкости и пару в нижней и верхней частях колонны переменный по высоте коэффициент распределения совместное протекание процессов массо- и теплопереноса) осложняет его расчет.
Одна из сложностей заключается в том что в литературе отсутствуют обобщенные закономерности для расчетов кинетических коэффициентов процесса ректификации. В наибольшей степени это относится к колоннам диаметром более 800 мм с насадками и тарелками широко применяемыми в химических производствах. Большинство рекомендаций сводится к использованию для расчетов ректификационных колонн кинетических зависимостей полученных при исследовании абсорбционных процессов.
Принципиальная схема ректификационной установки приведена на рисунке 1. 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 XF.
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 XW т.е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава XP которая получается в дефлегматоре 6 путем конденсации пара выходящего из колонны. Часть конденсата выходит 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.
Рисунок 1. Принципиальная схема ректификационной установки
Промежуточная ёмкость; 2. Центробежный насос; 3. Теплообменник;
Кипятильник; 5. Ректификационная колонна; 6. Дефлегматор;
Теплообменник; 8. Промежуточная ёмкость; 9. Центробежный насос;
Теплообменник; 11. Ёмкость.
Задание на проектирование
Рассчитать насадочную (кольца Рашига) ректификационную колонну непрерывного действия для разделения под атмосферным давлением 9600 кгч жидкой смеси содержащей 70% (масс.) хлороформа и 30% (масс.) бензола. Требуемое содержание легколетучего компонента в дистилляте XP=96% (масс.) в кубовом остатке XW=12% (масс.). Температура исходной смеси 50 0С. Давление в колонне 15 атм.
Ткип (CНCl3) = 614 0С Ткип (C6H6) = 802 0С
Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число
Производительность колонны по дистилляту Р и кубовому остатку W определим из уравнений материального баланса колонны:
Для дальнейших расчетов пересчитаем составы фаз питания дистиллята и кубового остатка из массовых долей в мольные по соотношению:
где Мнк и Мвк — молекулярные массы соответственно низкокипящего и высококипящего компонентов. Мнк = 119 кгкмоль; Мвк = 78 кгкмоль.
Получим: 0605 кмолькмоль смеси
82 кмолькмоль смеси.
Построим диаграмму равновесия между паром и жидкостью в координатах у-х (состав пара – состав жидкости). По диаграмме определим – концентрацию легколетучего компонента в паре находящемся в равновесии с исходной смесью. Равновесные данные взяты из методического указания [2].
Рисунок 2. Диаграмма равновесия между паром и жидкостью в
Из диаграммы получим 0755 кмолькмоль смеси.
Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются рабочим флегмовым числом R; его оптимальное значение Rопт можно найти путем технико-экономического расчета. Ввиду отсутствия надежной методики оценки Rопт используют приближенные вычисления основанные на определении коэффициента избытка флегмы (орошения): b = RRmin где Rmin — минимальное флегмовое число:
Один из возможных приближенных методов расчета R заключается в нахождении такого флегмового числа которому соответствует минимальное произведение N(R+1) пропорциональное объему ректификационной колонны (N – число ступеней изменения концентраций определяющее высоту колонны а (R+1) – расход паров и следовательно сечение колонны). Определим R по этому методу.
Задавшись различными значениями коэффициентов избытка флегмы b определим соответствующие флегмовые числа. Графическим построением ступеней изменения концентраций между равновесной и рабочими линиями на диаграмме у-х находим N .
Результаты расчетов сведем в таблицу:
Построим диаграмму R – N(R+1)
Рисунок 3. Диаграмма определения рабочего флегмового числа.
Минимальное произведение N(R+1) соответствует флегмовому числу R = 205
При этом коэффициент избытка флегмы будет равен:
Уравнение рабочей линии:
где — отрезок на оси У.
Построим рабочие линии и ступени изменения концентраций для верхней (укрепляющей) и нижней (исчерпывающей) частей колонны в соответствии с найденным значением R.
Рисунок 4. Построение рабочих линий на диаграмме y – x.
Определение объемов пара и жидкости проходящих через колонну
1. Средний мольный состав жидкости
а) в верхней части колонны
72 кмолькмоль смеси(2.1)
б) в нижней части колонны
43 кмолькмоль смеси(2.2)
2. Средние мольные массы жидкости
Мольная масса исходной смеси
Мольная масса дистиллята
Мольная масса кубового остатка
3. Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости
4. Средняя массовая концентрация в жидкости
5. Средний мольный состав пара
Примем . А найдем по уравнению рабочей линии подставив вместо х – . Тогда yF = 0715 кмолькмоль смеси.
27 кмолькмоль смеси (2.11)
6. Средние мольные массы пара
7. Средние массовые потоки пара
Скорость пара и диаметр колонны
1. Температуры паров
Средние температуры паров определим по диаграмме t – ху.
Рисунок 5. Диаграмма равновесия между паром и жидкостью
в координатах t – xy.
Температура кипения исходной смеси 729 0С.
Температура кипения дистиллята 635 0С.
Температура кипения кубового остатка 798 0С.
2. Плотности паров в колонне
3 Плотности жидкостей в колонне
Плотности хлороформа и бензола при средней температуре в нижней и верхней частях колонны определим из диаграммы зависимости плотности от температуры.
Рисунок 6. Зависимость плотности жидких веществ от температуры.
При 682 0С 826 кгм31398 кгм3
При 7635 0С 816 кгм3 1385 кгм3
4. Вязкости жидких смесей в колонне
Вязкость жидких смесей в колонне находим по уравнению
Вязкости хлороформа и бензола при средней температуре в нижней и верхней частях колонны определим из диаграммы зависимости вязкости от температуры.
Рисунок 7. Зависимость вязкости жидких веществ от температуры.
При 682 0С 039 0363
При 7635 0С 0358034
5. Предельная скорость паров в колонне
Предельную фиктивную скорость пара при которой происходит захлебывание насадочных колонн определяют по уравнению:
Примем рабочую скорость на 30 % ниже предельной:
Диаметр ректификационной колонны определим из уравнения расхода:
Отсюда диаметры верхней и нижней части колонны равны:
Выберем стандартный диаметр обечайки колонны одинаковым для обеих частей 12 м [1 стр 197].
При этом действительные рабочие скорости паров в колонне равны:
Высоту насадки Н рассчитываем по модифицированному уравнению массопередачи:
где noy — общее число единиц переноса по паровой фазе;
hoy — общая высота единицы переноса м.
Общее число единиц переноса вычисляем по уравнению:
Находим общее число единиц переноса в верхней nоув и нижней nоун частях колонны:
Общую высоту единиц переноса hoy определим по уравнению аддитивности:
m - средний коэффициент распределения в условиях равновесия для соответствующей части колонны.
Отношение нагрузок по пару и жидкости GL кмолькмоль равно:
для верхней части колонны
для нижней части колонны
f = 1642 тогда GLн = 0826
Рисунок 8. Данные для определения коэффициентов в уравнениях (4.7) и (4.6)
а - зависимость коэффициентов
с и от отношения рабочей скорости пара к предельной
б - зависимость коэффициента Ф от массовой плотности орошения L;
-3 - для керамических колец Рашига размером 25×25×3 (1) 35×35×4 (2) и 50×50×5 (3)
Высота единицы переноса в жидкой фазе:
где с и Ф — коэффициенты определяемые по рис.4.1 а и б;
Z — высота слоя насадки одной секции которая из условия прочности опорной решетки и нижних слоев насадки а также из условия равномерности распределения жидкости по насадке не должна превышать 3 м.
Принимаем: с = 092 ; Ф = 0068 ; Z = 3 м.
Высота единицы переноса в паровой фазе:
где - коэффициент определяемый по рис.4.1 а и б;
Рrу = y(ρyDy) - критерий Прандтля для пара;
LS = L(0785d2) - массовая плотность орошения кг(м2·с);
d - диаметр колонны м;
f3= (728·10-3)0.8 .
Для расчета hx и hy необходимо определить вязкость паров и коэффициенты диффузии в жидкой Dх и паровой Dy фазах. Вязкость паров для верхней части колонны
где ув - средняя концентрация паров
унк и увк - вязкость паров соответственно низкокипящего и высококипящего компонентов при средней температуре в верхней части колонны ;
При 682 0С 00108 0011
При 7635 0С 0009 00103
Подставив значения получим: 0011 . Аналогичным расчетом для нижней части колонны находим 001 .
Коэффициент диффузии в жидкости при средней температуре t (в °С) равен:
Коэффициент диффузии в жидкости Dх20 при 20 °С можно вычислить по приближенной формуле:
где А В — коэффициенты зависящие от свойств растворенного вещества и растворителя;
uнк uвк — мольные объемы компонентов в жидком состоянии при температуре кипения см3моль;
х - вязкость жидкости при 20 °С
Тогда коэффициент диффузии в жидкости при 20 °С равен:
Температурный коэффициент b определяют по формуле:
где х и рх принимают при температуре 20 °С.
Коэффициент диффузии в паровой фазе может быть вычислен по уравнению
где Т - средняя температура в соответствующей части колонны К;
Р - абсолютное давление в колонне Па.
Тогда для верхней части колонны:
Аналогично для нижней части колонны получим:
Таким образом для верхней части колонны:
Для нижней части колонны:
По уравнению (4.4) находим общую высоту единицы переноса для верхней и нижней частей колонны:
Значения m = 0625 для верхней части колонны и m = 151 — для нижней определены арифметическим усреднением локальных значений т в интервалах изменения составов жидкости соответственно от xF до хР и от xw до xF.
Высота насадки в верхней и нижней частях колонны равна соответственно:
Общая высота насадки в колонне:
С учетом того что высота слоя насадки в одной секции Z = 3 м общее число секций в колонне равно 5 .
Общую высоту ректификационной колонны определяют по уравнению:
где Z — высота насадки в одной секции м;
hР — высота промежутков между секциями насадки в которых устанавливают распределители жидкости м;
Zв и Zн - соответственно высота сепарационного пространства над насадкой и расстояние между днищем колонны и насадкой м.
Значения Zв и Zн выбирают в соответствии со следующей таблицей:
Общая высота колонны 21672 м.
В каталоге приведены конструкции и геометрические размеры тарелок для распределения жидкости подаваемой на орошение колонны и устройств для перераспределения жидкости между слоями насадки.
Гидравлическое сопротивление насадки
Гидравлическое сопротивление насадки ΔР находят по уравнению
Гидравлическое сопротивление сухой неорошаемой насадки ΔРС рассчитывают по уравнению:
где l — коэффициент сопротивления сухой насадки зависящий от режима движения газа в насадке.
Критерий Рейнольдса для газа в верхней и нижней частях колонны соответственно:
Следовательно режим движения турбулентный.
Для турбулентного режима коэффициент сопротивления сухой насадки в виде беспорядочно засыпанных колец Рашига находят по уравнению:
Для верхней и нижней частей колонны соответственно получим:
Гидравлическое сопротивление сухой насадки в верхней и нижней частях колонны:
Плотность орошения в верхней и нижней частях колонны определим по формулам:
Подставив численные значения получим:
Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки в верхней и нижней частях колонны:
общее гидравлическое сопротивление орошаемой насадки в колонне:
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).
В результате расчетов были определены основные параметры ректификационной колонны:
определен объемов пара и жидкости проходящих через колонну
высота насадки колонны
гидравлическое сопротивление насадки.
Достоинства ректификационной колонны:
равномерность нагрева и сушки за счет интенсивного перемешивания материала
высокая скорость процесса;
простота монтажа (для запуска в работу не требуется капитальных сооружений);
Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию под ред. Дытнерского Ю.И. — М.: Химия 1991. - 496 с.
О.А. Тишин И.С. Мокрецова Методические указания по курсовому проектированию по дисциплине «Процессы и аппараты химических производств» Волгоград 2001. – 20с.
Н.И. Гальперин «Основные процессы и аппараты химической технологии» М. Химия 1981г.810с.
В.Б. Коган «Равновесия между жидкостью и паром» справочник М. Наука 1966г. 2т.
И.А. Иоффе «Проектирование процессов и аппаратов химической технологии» Л. Химия 1991г. 352с.
И.А. Александров «Ректификационные и абсорбционные аппараты» М. Химия 1978г. 277с.
Каталог «Колонные аппараты» 1978г. 310с.

Ректификационная колонна хлороформ-бензол D=1200 (Куканов).dwg

Схема расположения штуцеров
Штуцер для термометра сопротивления
Вход парожидкостной смеси
Выход жидкости из куба
Подвод к кипятильнику
Для указателя уровня
Колонна ректификационная
Действительное расположение штуцеров
Сварные швы в объеме 100% контролировать рентгенопросвечиванием.
ОСТ 26-01-82-77 "Сварка в химическом машиностроении.
Сварные соединения должны соответствовать требованиям
жении под давлением 0
в вертикальном положении - под наливом.
Аппарат испытать на прочность гидравлически в горизонтальном поло-
Материал прокладок - паронит ПОН-1 ГОСТ 481-80.
тями - сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72
остальных - сталь Ст3
Материал деталей колонны
соприкасающихся с разделяемыми жидкос-
б) ОСТ 26-291-79 "Сосуды и аппараты стальные сварные.
а) ГОСТ 12.2.003-74 "Оборудование производственное.
Материал опоры - сталь ВСт3сп3 ГОСТ 380-71.
Размеры для справок.
Не указанные вылеты штуцеров 120 мм.
Технические требования.
Общие требования безопасности";
испытании и поставке аппарата должны выполняться
Аппарат предназначен для разделения смеси хлороформ-бензол
Тип насадки - кольца Рашига
Среда в аппарате - токсичная коррозионная.
Температура исходной смеси 50°C.
Давление в колонне 1
Производительность 9600 кгч.
с содержанием хлороформа 70%
Технические требования
Техническая характеристика
Распределительная тарелка ТСН-3
Промежуточная ёмкость
Ректификационная колонна
Принципиальная схема ректификационной установки