Общие сведения о ректификации
Ректификация – это процесс разделения гомогенных смесей летучих жидкостей путем двустороннего массообмена и теплообмена между неравновесными жидкой и паровой фазами, имеющими различную температуру и движущимися относительно друг друга. При этом пар непрерывно обогащается низкокипящим (легколетучим) компонентом, а жидкость – высококипящим (труднолетучим) компонентом. Ректификацией может быть достигнута любая заданная степень разделения жидких смесей. Ректификация является сложным процессом дистилляции. Процессы ректификации осуществляются периодически или непрерывно при различных давлениях: под атмосферным давлением, под вакуумом (для разделения смесей высококипящих веществ), а также под давлением больше атмосферного. На процесс протекания ректификации влияют многие различные факторы. Флегмовое число определяет размеры аппарата и расход теплоносителей (греющего пара в кубе-испарителе и охлаждающей воды в дефлегматоре). Следовательно, от величины флегмового числа зависят капитальные затраты и эксплуатационные расходы на ректификацию. С увеличением флегмового числа высота аппарата уменьшается, а расход греющего пара возрастает. На процесс ректификации влияет также скорость потоков. При выборе оптимальных условий работы ректификационной установки необходимо учитывать расход тепла и основные параметры (температуру и давление) теплоносителей – греющего пара и охлаждающей воды, а также требуемые размеры, как самой колонны, так и соединенных с ней теплообменных аппаратов (кипятильника, нагревателя исходной смеси, дефлегматора и холодильника паров). Все эти факторы взаимосвязаны и зависят, в частности, от температуры и агрегатного состояния подаваемой на разделение смеси. Для проведения процесса ректификации применяют в основном аппараты колонного типа. В зависимости от способа создания поверхности фазового контакта эти аппараты подразделяют на две группы: - аппараты, в которых поверхность фазового контакта является поверхность жидкости, растекающейся по специальной насадке (насадочные колонны); - аппараты, в которых поверхность фазового контакта создается потоками пара и жидкости (барботажные колонны). Насадочные колонны имеют меньшее гидравлическое сопротивление по сравнению с барботажными. Низкое гидравлическое сопротивление существенно лишь при ректификации в вакууме. Также насадочные колонны применяют для разделения химически агрессивных веществ. Барботажные (тарельчатые) ректификационные колонны являются наиболее эффективными и распространенными аппаратами, благодаря возможности разделения в них компонентов с любой степенью чистоты. Они изготавливаются в виде вертикальных цилиндров, внутри которых одна над другой размещено определенное количество горизонтальных перегородок – тарелок. Тарелки бывают различного типа: колпачковые, ситчатые, клапанновые, капсульные, тоннельные и другие. Наибольшее применение находят колпачковые, ситчатые и клапанновые тарелки.
Пример расчета ректификационной колонны: 2 Специальная часть Расчет тарельчатой ректификационной колонны Исходные данные расчета ректификационной тарельчатой колонны непрерывного действия для разделения бинарной смеси летучих компонентов. Ацетон - бензол (СН3)2СО - C6H6 GF – 8200,0 кг/ч XD – 96,0 % мас.д XF – 30,0 % мас.д XW – 2,0 % мас.д t Н - 25°С Рг.п - 4,0 ат 2. 1 Расчет материального баланса 2.1.1 Выполняем пересчет исходных концентраций в мольные доли по формуле:
где - мольные доли компонентов А и В; - молекулярные массы компонентов А и В. (CH3)2CO = (12+1∙3) ∙2+12+16 = 58 НК C6H6 = 12∙6+1∙6 = 78 ВК
2.1.2 Материальный баланс ректификационной колонны рассчитывается по формуле: GF = GD+GW по всему потоку GF ∙XF = GD ∙XD + GW ∙XW по НК, (2, с 354) где GD, GW, GF – количество дистиллята, остатка и исходной смеси, кг; XD, XW, XF – состав соответственно дистиллята, остатка и питания в массовых долях. Совместным решением двух уравнений определяется GD и GW: GF ∙XF = GD ∙XD + GW ∙XW GD = GF - GW GF ∙XF = (GF - GW ) ∙XD + GW ∙XW GF ∙XF = GF ∙XD - GW ∙XD + GW ∙XW GF ∙XF = GF ∙XD - GW ∙(XD - XW) GW ∙(XD - XW) = GF ∙XD - GF ∙XF
GD = GF - GW
GD = 8200 – 5757,4 = 2442,6 кг/ч
2.2 Построение диаграммы «t-x-y» 2.2.1 Построение диаграммы «t-x-y» по мольным долям и значениям равновесных составов (Приложение 2). Масштаб: x, y 1 – 300мм x = 30 мм 0,1 – x мм Масштаб: t 300 – 50мм x = 6 мм - 1°C x – 1мм Таблица 2.1
Состав фаз разделяемой системы
2.2.2 Рассчитываем значения равновесных составов в мольных долях XW = 0,027 0,027 – x мм XW = 8,1 мм 0,1 – 30 мм XF = 0,366 0,366 – x мм XF = 109,8 мм 0,1 – 30 мм XD = 0,97 0,97 – x мм XD = 291 мм 0,1 – 30 мм
2.3 Расчет минимального флегмового числа по формуле: где XD – мольная доля НК в дистилляте; XF – мольная доля НК в исходной смеси; Y*F – мольная доля НК в паре, равновесном с жидкостью состава XF (находится по диаграмме «t-x-y»).
, где R – рабочее флегмовое число; (1,2÷2,5) – коэффициент избытка флегмы, принимаем 2. R = 2∙ 2,12 = 4,22
2.4 Построение диаграммы «y – x» и определение числа ступеней (Приложение 3). Определяем число ступеней изменения концентрации (числа теоретических ступеней) графическим путем. Для этого осуществляем построение рабочих линий на диаграмме «y – x». Для построения рабочих линий откладывают на оси абсцисс диаграммы «y – x» заданные составы жидкостей XF, XW, XD. С учетом принятых допущений о равенстве состава пара, уходящего с верхней тарелки, и дистиллята (YD = XD) из точки XD восстанавливают вертикаль до пересечения с диагональю диаграммы в точке а. Величину R считаем известной.
Откладывают на оси ординат отрезок B (т. d). Соединяют прямой точку d с точкой a. Из точки, отвечающей составу XF, проводят вертикаль до пересечения с линией ad в точке b. Прямая ab – рабочая линия укрепляющей (верхней) части колонны. Согласно допущению YW = XW, из точки соответствующей составу XW, восстанавливают вертикаль до пересечения с диагональю диаграммы и получают точку c. Соединяют точку c прямой с точкой b, принадлежащей одновременно рабочим линиям укрепляющей и исчерпывающей частей колонны. Прямая bc представляет рабочую линию исчерпывающей (нижней) части колонны. Число теоретических тарелок определяется графически, путем построения ступеней между рабочими линиями и линией равновесия, начиная от т. a и заканчивая в т. c. Каждая ступень соответствует одной теоретической тарелке. Число теоретических ступеней (по графику) nв = 11 nн = 11 Число практических тарелок подсчитывается, принимая КПД тарелки принимаем η = 0,5 nв = 11/0,5 = 22 nн = 11/0,5 = 22
2.5 Расчет расхода паров поднимающихся в колонне , где : GV – расход паров, кг/ч; R – флегмовое число; GD – расход дистиллята, кг/ч. GV = 2442,6 ∙ (4,22+1) =12750,4 кг/ч 2.5.1 Определяем средний мольный состав пара в колонне:
где: Y1, Y2 – средний мольный состав пара в верхней и нижней части колонны. где: Ya, Yb, Yc – состав пара соответственно в точках a, b, c (находятся по диаграмме «y - x») . т. а - XD = YD = 0,97 т. c - XW = YW = 0,027 т. b – YF = 0,46
2.5.2 По диаграмме «t-x-y» находится температура, соответствующая среднему содержанию, и при этой температуре определяется средняя плотность пара по формуле: где ρп – плотность пара, кг/м3; М – молекулярная масса, кг/кмоль; Р – рабочее давление в колонне, Па; Т – температура, °К ( Т=273+69,8 = 342,8). – Молекулярная масса пара определяется по формуле: , где Мнк, Мвк – молекулярная масса соответственно НК и ВК. Мп = 58∙0,485 + 78∙(1 – 0,495) = 68,9 кг/кмоль 2.5.3 Объемный расход пара определяется по формуле: 12750,4 / 2,5 = 5100 м3/ 2.6 Расчет расхода жидкости стекающей по колонне 2.6.1 В верхней части колонне определяется по формуле: где Vж.в. – расход жидкости в верхней части колонны, м3/с; GD – расход дистиллята, кг/ч; R – флегмовое число; Мср.в. – средняя мольная масса жидкости в верхней части колонны, кг/кмоль; МD – мольная масса дистиллята, кг/кмоль; ρж – средняя плотность жидкости, кг/м3.
2.6.2 Средняя плотность жидкости определяется по формуле: - выбирают по справочной литературе при температуре верха и низа колонны. Температура верха и низа колонны определяется по диаграмме «t-x-y». tв – XD = 56,5 ° C tн – XW = 79,1 ° C 2.6.3 В нижней части колонны определяется по формуле: где Vж.н. – расход жидкости в нижней части колонны, м3/с; GF – расход исходной смеси, кг/ч; MF – мольная масса исходной смеси, кг/кмоль; Мср.н – средняя мольная масса жидкости в нижней части колонны, кг/ч. 2.6.4 Определение среднего состава жидкости в верхней и нижней части колонны – средний состав жидкости в верхней части колонны определяется по формуле: – средний состав жидкости в нижней части колонны определяется по формуле: где: XF, XD, XW – мольный состав исходной смеси, дистиллята и остатка. – средний мольный состав жидкости в колонне: 2.6.5 Средняя мольная масса жидкости в верхней части колонны определяется по формуле: Мср.в = 58∙0,668 + 78∙(1 – 0,668) = 64,6 кг/кмоль – мольная масса дистиллята определяется по формуле: MD = 58∙0,97 + 78∙(1 – 0,97) = 58,6 кг/кмоль 2.6.6 Средняя мольная масса жидкости в нижней части колонны определяется по формуле: Мср.н = 58∙0,196 + 78∙(1 – 0,196) = 74,1 кг/кмоль –мольная масса исходной смеси определяется по формуле: MF = 58∙0,366 + 78∙(1 – 0,366) = 70,7 кг/кмоль 2.6.7 Средний расход жидкости в колонне определяется по формуле:
2.7 Расчет основных размеров колонны 2.7.1 Определяем площадь сечения колонны по формуле: где S – площадь сечения, м 2; - средний объемный расход пара, ; W – рабочая скорость, м / с; − Скорость рабочая определяется в зависимости от скорости предельной и отношения плотностей пара и жидкости по графику: 2,3/782,5 = 0,0029 = 2,9 ∙ 10-3 кг/м3 Принимаем Wпред. = 0,9 м/с W = 0,9 ∙ 0,9 = 0,81 м/с
2.7.2 Определяем диаметр колонны по формуле: где Д – диаметр колонны, м; S – площадь сечения колонны, м2.
Принимаем диаметр колонны равный 1600 мм в соответствии с литературными данными /3; с 627/. 2.7.3 Определяем высоту колонны Рисунок 2.3 Схема высоты колонны в1, в2 – днища; Н1 – высота сепарационной части; Н2 – верхняя тарельчатая часть; Н3 – высота питательной тарелки; Н4 – нижняя тарельчатая часть; Н5 – высота кубовой части. h = 450мм = 0,45 м h1 = 60мм = 0,06 м hВ = 300мм = 0,30 м S = 30мм = 0,03 м H1 = (0,6÷1,5) H1 = 1,32 принимаем H5 = (0,6÷1,5) H5 = 1,50 принимаем Высоту колонны определяем конструктивно: в1= в2= 0,06+ 0,30+ 0,03 = 0,39 м Н2= 0,45∙ (18 – 1) = 7,65 м Н4= 0,45∙ (10 – 1) = 4,05 м Н = 1,32+ 7,65+ 0,90+ 4,05+ 1,50+ 0,39 ∙ 2 = 16,20 м
2.8 Расчет гидравлического сопротивления тарелки Из таблицы /3; с 627/ для принятого диаметра колонны выписывают следующие показатели: = 63 П = 1000 мм = 1 м = 30 Sпр = 4 × 20 мм = 0,004 × 0,02 м S = 0,785 ∙ (1,6)2 = 2,01 м2 2.8.1 Фактическое живое сечение прорезей на одной тарелке составляет:
где: – количество колпачков на тарелке; – количество прорезей в колпачке; Sпр – площадь сечения прореза, м2; S0 – живое сечение прорезей, м2. S0 = 63∙ 30∙ 0,004∙ 0,02 =0,15 м2 2.8.2 Определяем φ – отношение живого сечения прорезей к площади сечения колонны: 2.8.3 Из уравнения определяем : 2.8.4 Для достижения достаточной интенсивности барботажа на тарелке рабочая скорость должна быть больше скорости, соответствующей началу режима равномерной работы колонны. где – коэффициент, величина которого приводится (3; с 617); Σ – коэффициент сопротивления, приводится (3; с 617); – 9,81 м2/с; – высота прорези, м; - плотность жидкости, газа, м3/с. 11,57 > 10,05 2.8.5 Гидравлическое сопротивление для барботажных тарелок складывается из сопротивления сухой тарелки и сопротивления столба жидкости на тарелке: - ∆Р1 определяется по формуле: - ∆Р2 определяем по формуле: где: К – отношение плотности парожидкостного слоя к плотности жидкости, принимаем приближенно равным 0,5 П – периметр сливной перегородки. - ∆h определяем по формуле:
∆Р2 = 1,3 ∙9,81 ∙0,5 ∙782,5 ∙(0,02+0,02/2+0,036 ) = 329,3 Па ∆Р = 692,7 + 329,3 = 959 Па Проверка правильности принятого расстояния между тарелками 0,45 ≥ 0,22
2.9 Расчет теплового баланса 2.9.1 По диаграмме «t-x-y» определяем температуры кипения жидкостей По таблицам /3; с 808; 815; 821/ находим значение теплоемкостей (С) и теплот парообразования (Ч) для чистых веществ – НК и ВК: С (НК) С (ВК)
Ч (НК) C (ВК)
2.9.2 По правилу смешения рассчитываем удельные теплоемкости смесей:
, где удельные теплоемкости чистых веществ ; теплота парообразования чистых веществ, Дж/ кг; массовые доли НК в исходной смеси, дистилляте, кубовом остатке. 2.9.3 Определяем количество теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре конденсирующими парами: где удельная теплота парообразования (конденсации), Дж/кг; R – флегмовое число; расход дистиллята, кг/с. QD = 0,68∙ (1+3,84) ∙ 123,6 ∙ 4190 = 1704459,8 Вт 2.9.4 Определяем количество теплоты, получаемой в кубе-испарителе от греющего пара: (2, с 171 ) где расходы дистиллята, кубового остатка и исходной смеси, кг/с; удельная теплоемкость соответственно дистиллята, кубового остатка и исходной смеси, ; соответствующие температуры, °С; потери тепла, равны 1,03 Вт. (0,68∙ (1+3,84)∙ 123,6 + 0,68∙ 0,544∙ 56,5 + 1,6∙ 0,484∙ 79,1 – 2,28∙ 0,495∙67,5)∙ 4190 +1,03 = 1729496,2 Вт 2.9.5 Определяем расход греющего пара: где: Gг.п. – расход греющего пара, кг/с; QK – расход тепла, Вт; Чг.п. – теплота конденсации, Дж/кг. Чг.п. = 510,3 ∙ 4190 Дж/кг (при Рг.п. = 4,0 ат) 2.9.6 Определяем расход воды на конденсацию пара в дефлегматоре: где QD – расход тепла в дефлегматоре, Вт; СВ – удельная теплоемкость воды, Дж/ (кг∙°К); tН, tK – начальная и конечная температура воды, °С. tH = 25 °C tK = 25+12 = 37 °C CB при tcp = 0,998 ∙ 4190 Дж/(кг ∙ °К)
2.10 Определяем диаметр штуцеров 2.10.1 Диаметр штуцера исходной смеси, поступающей в колонну W= (1,5÷3) м/с W= 1,5 принимаем ρж = 782,5 кг/м3 GF =8200/3600 = 2,28 кг/с
d условное = 65 мм 2.10.2 Определяем диаметр штуцера для флегмы, поступающей в колонну: W= (1,5÷3) м/с W= 1,5 принимаем R = 3,84 GR = 0,68 ∙ 3,84 = 2,61 кг/с
d условное = 65 мм 2.10.3 Диаметр штуцера на выходе из колонны паров в дефлегматор: W= (20÷40) м/с W= 25 принимаем Vп = 5140 м3/ч = 1,428 м3/с
d условное = 300 мм 2.10.4 Диаметр штуцера для выхода кубового остатка W= (0,1÷0,5) м/с W= 0,3 принимаем GW = 5757,4 кг/ч = 1,6 кг/с
d условное = 100 мм
Список использованных источников
1. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. – С-Пб.: «Химия»,1969 2. Плановский А. Н., Николаев П. И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии: Учебник для вузов. – М.: «Химия»,1987 3. Плановский А. Н., Рамм В. М., Каган С. З. Процессы и аппараты химической технологии. – М.: «Химия»,1967 4. Романков П. Г., Курочкина М. И., Мозжерин Ю. А. и др. Процессы и аппараты химической промышленности: Учебник для техникумов. – Л.: «Химия»,1989 5. Флореа О., Смигельский О. Расчеты по процессам и аппаратам химической технологии. – М.: «Химия»,1971 6. Эмирджанов Р.Т., Основы технологических расчетов в нефтепереработке. – М.: «Химия», 1965 7. Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии. – М.: Химия, 1991 8. Кувшинский М.Н., Соболева А.П. Курсовое проектирование по предмету процессы и аппараты химической промышленности. – М.: Высшая школа, 1980 9. Дытнерский Ю. И. Основные процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1991 10. Процессы и аппараты химической технологии. Под редакцией А. Захаровой, М.: Академия, 2006
Приложение 1
Министерство образования Саратовской области Государственное автономное профессиональное образовательное учреждение Саратовской области «Саратовский областной химико-технологический техникум»
Специальность ____________ шифр
наименование работы
прописными буквами
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
По дисциплине__________________________________________________
Студента ______________________________________________________ ______________________________________________________________ фамилия, имя, отчество
Руководитель _______________________________________________________________ должность подпись, дата фамилия, имя, отчество
Председатель ЦМК __________________________________________________________________ должность подпись, дата фамилия, имя, отчество
Саратов 20___
Приложение 2 Министерство образования Саратовской области Государственное автономное профессиональное образовательное учреждение Саратовской области «Саратовский областной химико-технологический техникум»
Утверждаю: Руководитель СП __________________Л.В. Верина «___»_________________2019г.
Задание на курсовой проект По специальности__________________________________________________ _______________________________________________________________ Тема___________________________________________________________ полное наименование темы ________________________________________________________________ ________________________________________________________________
Студенту ________курса__________________________________________
Руководитель _______________________________________________________________ должность подпись, дата фамилия, имя, отчество
Председатель ЦМК __________________________________________________________________ должность подпись, дата фамилия, имя, отчество
Саратов 20___
Приложение 3
Содержание
2 Генкин, А.Е. Оборудование химических заводов: учеб. Пособие для техникумов / А.Е. Генкин. – 4-е изд. Перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1986. – 280с. 3 Медведева, В.С. Охрана труда и противопожарная защита в химической промышленности: учебник для техникумов. 2-е изд. Перераб. и доп. / В.С. Медведева.– М.: Химия, 1989. – 288с. 4 Процессы и аппараты химической технологии учебное пособие для студ./ под редакцией А.А Захаровой. – М.: ACADEMA, 2006. – 517с. 5 Сарданашвили, А.Г. Примеры и задачи по технологии переработки нефти и газа. /А.Г.Сарданашвили, А.И.Львова. – М.: Химия, 1974. – 272. 6 Гусейнов, Д.А. Технологические расчеты процессов нефтепереработки. /Д.А. Гусейнов, Ш.Ш. Спектор, Л.З. Вайнер. – М.: Химия, 1964ю – 308с.
Дата выдачи задания _____________________________________________ число, месяц, год
Срок выполнения курсового проекта___________________________________ число, месяц, год
Руководитель __________________________________________________________________ должность подпись, дата фамилия, имя, отчество
Председатель ЦМК __________________________________________________________________ должность подпись, дата фамилия, имя, отчество Приложение 5 ОТЗЫВ руководителя о качестве проекта студента Структурного подразделения «Отделение нефтегазохимической отрасли» ГАПОУ СО «Саратовский областной химико-технологический техникум» ________________________________________________________________ фамилия, имя, отчество
специальность___________________________________________________ _______________________________________________________________
Наименование курсового проекта______________________________________ ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
1. Курсовой проект соответствует заявленной теме____________________ 2. Предусмотренные заданием разделы раскрыты в полном объеме, с замечаниями__________________________________________________ __________________________________________________________________________________________________________________________ 3. Специальная часть выполнена в полном объеме, с замечаниями_______ __________________________________________________________________________________________________________________________ 4. При выполнении курсового проекта студент: - грамотно применял теоретические знания на практике______________ _____________________________________________________________ - проявил достаточную самостоятельность_________________________ _____________________________________________________________ - проявил умение работать со справочной литературой ______________ _____________________________________________________________
Популярное: Как вы ведете себя при стрессе?: Вы можете самостоятельно управлять стрессом! Каждый из нас имеет право и возможность уменьшить его воздействие на нас... Генезис конфликтологии как науки в древней Греции: Для уяснения предыстории конфликтологии существенное значение имеет обращение к античной... ©2015-2024 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (482)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |