Министерство образования и науки Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева
Кафедра процессов и аппаратов химической технологии
Пояснительная записка
к курсовому проекту
по дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии»
на тему «Расчёт ректификационной установки непрерывного действия для разделения 18 000 кг/ч смеси бензол-толуол»
П
16
ноября 15
РОЕКТИРОВАЛ:
студент
группы О-37 Иванов Иван Иванович
«____»
___________ 20___ г. ____________________
Р
23
ноября 15
УКОВОДИТЕЛЬ
ПРОЕКТА:
к.т.н., доц. Комляшев Роман
Борисович
«____» ___________ 20___
г. ____________________
П
85
б. (отл.)
К
Дмитриев
Е. А.
Тарасова
Т. А.
Комляшев
Р. Б.
ОМИССИЯ
_______________________________________________
_______________________________________________
_______________________________________________
Москва 2015
Иванов
И. И.
О-37
02
РЕФЕРАТ
Курсовой проект содержит 2 листа чертежей формата А1, пояснительную записку на 56 листах, включающую 8 рисунков, 5 таблиц, 6 литературных источников.
Ключевые слова: РЕКТИФИКАЦИЯ, БИНАРНАЯ СМЕСЬ, НАСАДОЧНАЯ КОЛОННА, КОЛЬЦА РАШИГА, ДЕФЛЕГМАТОР, КУБ-КИПЯТИЛЬНИК, ФЛЕГМОВОЕ ЧИСЛО.
Задачей курсового проекта является разработка промышленной ректификационной установки для разделения 18 000 кг/ч бинарной смеси бензол-толуол.
В ходе работы над курсовым проектом было рассчитано флегмовое число, соответствующее минимальному объёму ректификационной колонны. Определён диаметр колонны, обеспечивающий работу насадки в интервале допустимых скоростей пара. Рассчитаны высота насадки, обеспечивающая заданное качество разделения смеси, и высота колонны с учётом перераспределительных тарелок между сегментами насадки и сепарационного пространства вверху и внизу колонны.
В результате работы спроектирована ректификационная колонна и разработан чертёж колонны в двух проекциях. Рассчитана тепловая изоляция колонны. Подобраны теплообменные аппараты (подогреватель исходной смеси, куб-кипятильник, дефлегматор, холодильники дистиллята и кубовой жидкости). Произведён подбор конденсатоотводчиков, ёмкостей и трубопроводов. Разработана технологическая схема ректификационной установки и произведён выбор точек контроля проведения процесса.
Содержание
ВВЕДЕНИЕ 5
Цель работы 5
Поставленная задача 5
Основные понятия 5
Основные допущения при построении рабочих линий 9
Основные сечения колонны 10
МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС 12
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИНИМАЛЬНОГО ФЛЕГМОВОГО ЧИСЛА 14
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО ФЛЕГМОВОГО ЧИСЛА 16
Первая итерация 16
Вторая итерация 16
Данные по парожидкостному равновесию [2, с. 783-785]. 19
Определение оптимального флегмового числа 20
ВВЕДЕНИЕ
Цель работы
Целью курсового проектирования является приобретение навыков принятия самостоятельных конструктивных решений, усвоение последовательности разработки технологических установок, закрепление учебного материала по расчету основных процессов и аппаратов химической технологии.
Поставленная задача
Задачей курсового проекта является разработка промышленной ректификационной установки для разделения 18 000 кг/ч бинарной смеси бензол-толуол.
Основные понятия
Ректификация – процесс разделения жидкой гомогенной смеси летучих веществ, осуществляемый путём испарения части разделяемой жидкой смеси и последующей конденсации образующегося пара, с организацией массообмена между движущимися противотоком потоками жидкости и пара.
Необходимым условием для проведения процесса ректификации является различие составов кипящей жидкости и равновесного с ней пара. Это различие обусловлено разной летучестью компонентов, образующих смесь, в результате чего в паровую фазу переходит преимущественно легколетучие компоненты. Дополнительный контакт между фазами, организуемый при проведении процесса ректификации, приводит к массообмену, в результате которого паровая фаза обогащается, а жидкая фаза обедняется легколетучими компонентами.
Аппарат, в котором осуществляется процесс ректификации, называют ректификационной колонной. Ректификационная колонна состоит из трёх основных элементов: куба-кипятильника, где производится испарение части разделяемой жидкой смеси; контактного устройства, представляющего собой цилиндрическую колонну и служащего для обеспечения массообмена между жидкой и паровой фазами; дефлегматора, где конденсируются поступающие из контактного устройства пары, часть которых отбирают в виде продукта (дистиллят), а другую часть направляют на орошение контактного устройства (флегма).
Контактное устройство – устройство, увеличивающее площадь поверхности контакта между жидкой и паровой фазами и, тем самым, интенсифицирующее массообмен между фазами. Контактное устройство представляет собой цилиндрическую колонну, заполненную элементами насадки (насадочная колонна), либо снабжённую барботажными тарелками (тарельчатая колонна). В насадочной колонне, работающей в плёночном режиме, межфазная поверхность образуется за счёт плёночного течения жидкости по элементам насадки. В тарельчатой колонне межфазная поверхность образуется за счёт барботажа пара через жидкость, в результате которого на тарелках образуется барботажный слой (пена), обладающий большой площадью поверхности контакта фаз.
Основные потоки в ректификационной установке (рис. 1): исходная смесь (обозначается индексом F), кубовая жидкость (обозначается индексомW), дистиллят (обозначается индексомPилиD), флегма (обозначается индексом Ф). Кубовая жидкость – жидкость, обогащённая высококипящими компонентами, отбираемая из куба ректификационной колонны в качестве нижнего продукта. Дистиллят – часть образующегося в дефлегматоре конденсата, отбираемая в качестве верхнего продукта. Флегма – часть образующегося в дефлегматоре конденсата, возвращаемая на орошение контактного устройства. Кроме вышеперечисленных выделяют также потоки внутри самой колонны: нисходящий поток жидкости (обозначается индексомL) и восходящий поток пара (обозначается индексомG).
Ректификационная колонна разделяется на нижнюю (исчерпывающую) и верхнюю (укрепляющую) части. К верхней части относится та часть контактного устройства, что находится выше точки ввода исходной смеси. Сама точка ввода исходной смеси и часть контактного устройства, находящаяся ниже этой точки, относятся к нижней части ректификационной колонны. Ввод исходной смеси осуществляется на предназначенную для этого тарелку, называемую тарелкой питания. Тарелка питания присутствует как в тарельчатой, так и в насадочной колонне. Верхняя часть колонны орошается потоком флегмы (LВ= Ф), нижняя часть суммарным потоком исходной смеси и флегмы (LН=F +Ф).
Рис. 1. Основные
потоки в ректификационной колонне
Наиболее простым методом расчёта насадочной ректификационной колонны является расчёт через число единиц переноса, применяемый для расчёта бинарной ректификации. Этот метод является частным случаем метода расчёта через основное уравнение массопередачи. Метод включает построение линии равновесия, рабочей линии и линии питания на графике зависимости состава паровой фазы от состава жидкой фазы (x,y-диаграмма). Построение вышеперечисленных линий на диаграмме представлено на рис. 2. Линия равновесия – кривая, характеризующая зависимость состава пара от состава жидкости в состоянии межфазного равновесияy* = f(x). Рабочая линия – кривая, характеризующая реальную зависимость состава пара от состава жидкости в ректификационной колоннеy = f(x). Движущей силой процесса ректификации является разность между равновесным и рабочим составами пара Δy = y* ‑ y. Линия питания – прямая, являющаяся геометрическим местом точек пересечения рабочих линий для укрепляющей и исчерпывающей части колонны.
Рис. 2. Бинарная
ректификация на x,y-диаграмме:
1
– линия равновесия; 2 – линия питания;
3, 4
– рабочая линия нижней и верхней части,
соответственно
Положение линии питания на x,y-диаграмме зависит от температуры и фазового состояния смеси, подаваемой в колонну. В том случае, если смесь подаётся в колонну в виде жидкости, нагретой до температуры кипения, линия питания занимает вертикальное положение. Если температура жидкой смеси ниже температуры кипения (недогретая смесь), то линия питания отклоняется вправо (поворачивается по часовой стрелке относительно точки пересечения с диагональю, как это показано на рис. 2). При подаче в колонну перегретой жидкой смеси или парожидкостной смеси (ректификация с долей пара в питании), линия питания отклоняется влево (против часовой стрелки). Отклонение происходит тем дальше, чем больше доля пара в смеси. В случае питания колонны паровой смесью, линия питания занимает горизонтальное положение.
Числом единиц переноса называют отношение изменения концентрации в колонне к движущей силе массопередачи. При расчёте насадочной ректификационной колонны находят число единиц переноса по паровой фазе методом графического интегрирования. Для этого на основе рабочей и равновесной линии строят графическую зависимость f(y) = 1/(y*-y), и находят площади двух криволинейных трапеций.