Проектирование ректификационной установки для разделения бинарной смеси ацетон-вода, производительностью по исходной смеси 12 т/ч

Санкт-Петербургский государственный  технологический институт

(Технический университет)

 

Кафедра процессов и аппаратов    Факультет  V

Курс   3

Группа         5291

 

Учебная дисциплина: Процессы и аппараты химической технологии

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

 

Тема: Проектирование ректификационной установки для разделения бинарной смеси ацетон-вода, производительностью по исходной смеси 12 т/ч

 

 

 

 

Студент    ____________                   Павлова Е.В

Руководитель   _____________   Банных О.П.

 

 

Оценка за курсовой проект     _____________

 

2012 год

Содержание.

Введение__________________________________________________ _____ 3

1.Свойства бинарной смеси  ацетон-вода___________________________ 5

2.Материальный баланс  колонны________________________________ 6

2.1 Производительность по  дистилляту и кубовому остатку__________ 6

2.2 Расчет флегмового числа____________________________________6

3. Определение расходов  пара и жидкости по колонне_______________ 8

4.Определение среднефизических  величин потоков пара и жидкости ___10

4.1Определение среднефизических  величин для пара_______________10

4.2 Определение среднефизических  величин для жидкости__________11

5. Гидравлический расчет  ректификационной колонны с провальными  (решетчатыми) тарелками_______________________________________14

6. Расчет высоты колонны_____________________________________18

6.1 Определение кинетических  параметров_______________________18

6.2 Расчет числа реальных тарелок методом кинетической кривой____20

6.3 Гидравлическое сопротивление  колонны______________________20

7. Тепловой баланс установки__________________________________22

8.Приближенный расчет  теплообменников________________________25

8.1 Куб-испаритель__________________________________________25

8.2 Подогреватель исходной  смеси______________________________26

8.3 Холодильник дистиллята___________________________________27

8.4 Холодильник кубового  остатка______________________________28

8.5 Конденсатор (воздушный)__________________________________30

9.Подробный расчет конденсатора  _____________________________31

Выводы____________________________________________________36

Список использованной литературы____________________________38

 

Введение.

Одним из наиболее распространенных методов разделения жидких бинарных смесей является ректификация. Этот процесс используется во многих отраслях народного хозяйства: химической, нефтеперерабатывающей, пищевой и других отраслях. Ректификация основана на различной летучести составляющих смесь компонентов, т.е. на различии в температурах кипения компонентов при одинаковом давлении. В общем случае ректификацию можно представить как многократную противоточную перегонку. Ректификация заключается в многократном частичном испарении жидкости и конденсации паров. Процесс осуществляется путем контакта потоков пара и жидкости, имеющих различную температуру, и проводится обычно в колонных аппаратах, состоящих из собственно колонны, где осуществляется противоточное контактирование пара и жидкости, и устройств, в которых происходит испарение жидкости и конденсация пара — куба и дефлегматора.

Через  ректификационную колонну  противотоком движутся жидкость и пар. Пар идет снизу вверх, жидкость стекает  сверху вниз. На каждой тарелке колонны  пар барботирует (пробулькивает) через  слой жидкости. Вследствие отсутствия термодинамического равновесия между  паром и жидкостью при этом возникают процессы массо- и теплообмена, в результате которых состояние  двухфазной системы приближается к  равновесному. Пар обогащается легколетучим (низкокипящим) компонентом, жидкость – менее летучим (высококипящим) компонентом. Температура пара падает, жидкости – увеличивается. Пар образуется в кубе-испарителе при кипении жидкости, стекающей в него из нижней части колонны (кубовая жидкость). Из куба-испарителя пар поступает в колонну под нижнюю тарелку.  По мере продвижения вверх по колонне пар обогащается легколетучим компонентом и уходит с верхней тарелки колонны в конденсатор – дефлегматор, где полностью конденсируется. Часть образовавшегося конденсата возвращаетс обратно в колонну для орошения верхней части колонны и называется флегмой. Остальную часть жидкости – дистиллят отбирают и отправляют в накопитель. Флегма, стекая вниз по тарелкам, обогащается менее летучим компонентом и приходит в куб-испаритель. Часть этой жидкости отбирается в качестве нижнего продукта – кубового остатка. Исходную смесь, т.е. питание подают на одну из тарелок в средней части колонны.

По конструкции ректификационные колонны подразделяются на три типа: тарельчатые, насадочные и роторные. В промышленности наибольшее распространение  получили тарельчатые аппараты с  колпачковыми, ситчатыми, клапанными и  решетчатыми тарелками.

По способу проведения ректификацию разделяют на периодическую и  непрерывную.

При непрерывной - разделяемая смесь  непрерывно подается в среднюю часть  колонны, дистиллят отбирается из дефлегматора, а обедненный легколетучим компонентом  остаток отводится из куба колонны, флегма поступает на орошение в верхнюю  часть колонны.

При периодической ректификации в  нижнюю часть (куб) колонны, снабженной нагревательным устройством, загружают  исходную смесь; образующийся пар поднимается  верх и конденсируется в дефлегматоре (холодильнике), часть конденсата (флегмы) возвращается на орошение в верхнюю  часть колонны, а оставшаяся жидкость отбирается.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Свойства бинарной смеси ацетон-вода.

Таблица 1. Равновесный состав смеси ацетон-вода

x	0	5	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100	Азеотропная смесь
у	0	60,3	72	80,3	82,7	84,2	85,5	86,9	88,2	90,4	94,3	100	-
t	100	77,9	69,6	64,5	62,6	61,6	60,7	59,8	59	58,2	57,5	56,9	-

 

Рис.1. Диаграмма t-x,y для смеси ацетон - вода.

Таблица 2. Температуры кипения  и молекулярные массы разделяемых  компонентов

	tк, °С	МВ, кг/кмоль
ацетон	56	58 (МА)
вода	100	18 (МВ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Материальный  баланс колонны.

2.1 Производительность  по дистилляту и кубовому остатку

Обозначим массовый расход дистиллята G_D кг/с, кубового остатка G_W кг/с, питания G_F кг/с;  тогда исходя из системы уравнений материального баланса , определяем недостающие расходы (дистиллята и кубового остатка):

                                                                                                     (1)

                                                                                (2)

G_F =12 т/час = 3.33 кг/с ; x_F= 0, 27 (масс.), x_D =0,02 (масс.), x_W=0,89 (масс.)

Выразим  и подставим в уравнение (2):

3,33*0,27=(3,33-  )*0,89 + *0,02

=2,374 кг/с – массовый расход кубового остатка

 = 3,33-2,374= 0,956 кг/с – массовый расход дистиллята

2.2 Расчет флегмового  числа

Для определения флегмового  числа, необходимо перевести массовые концентрации в мольные доли:

Питание:

Дистиллят:

Кубовый остаток:

По таблице 1 - Равновесный состав смеси ацетон-вода находим равновесный состав пара при x_F=0,103

=0,72 - мольную долю ацетона в равновесном с жидкостью питания

Минимальное флегмовое число:

Т.к. минимальное флегмовое  число получилось отрицательным, флегмовое  число R=0. Это означает что данная колонна является отгонной, т.е. верхняя часть колонны отсутствует и питание подается на верхнюю тарелку нижней части колонны.

Уравнение рабочей линии нижней (исчерпывающей) части колонны

Относительный мольный расход питания

 

3.Определение  расходов пара и жидкости в колонне

Т.к. верхняя часть колонны  отсутствует, расчет всех величин производится только для нижней части колонны.

Средняя концентрация жидкости

Среднюю концентрацию пара находим по уравнению рабочей  линии:

Средние температуры пара и жидкости определяем по таблице 1:

а) при 

б) при 

Средняя мольная масса и плотность пара:

Определяем объемный расход пара:

 кмоль/с

Расход пара в колонне определяется по формуле:

,

где p₀=760 мм рт. ст. – атмосферное давление,

T₀=273 K- абсолютная температура.

м³/с

Молярную массу паровой  смеси в колонне находим по формуле:

 кг/кмоль 

Массовый расход паров в колонне находим по формуле:

 кг/с;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Определение  среднефизических величин потоков  пара и жидкости

4.1 Определение среднефизических величин для пара.

Определим плотности пара в колонне по формуле при температуре :

кг/м³

Определим вязкость пара в  колонне для ацетона по формуле при температуре :

,

где табличные данные: Па^. с, С₁=541.5,

Па^.с

Вязкость водяного пара находим  интерполяцией табличных данных:

Определим вязкость смеси  пара в колонне по формуле:

Где индекс 1 – ацетон, 2 - вода

 Па^.с

4.2 Определение среднефизических величин для жидкости.

Определим плотности жидкости по формуле:

,

где плотности ацетона, воды соответственно.

Массовая доля легколетучего  в жидкости в колонне :

Плотности жидких ацетона  и воды получены интерполяцией табличных  данных при температуре :

 кг/м³

 кг/м³

 кг/м³

Определим вязкость смеси  жидкости в колонне по формуле:

,

где вязкости ацетона, воды соответственно.

Вязкость ацетона при температуре находим по формуле :

где  А и В – табличные  коэффициенты

А=367,25;  В=209,68

 Па*с

Вязкость воды при температуре _{находим интерполяцией табличных данных:}

 Па*с

 Па^.с

Поверхностное натяжение  смеси жидкостей в колонне определим по формуле:

,

где поверхностное натяжение ацетона, воды соответственно.

Поверхностное натяжение  ацетона и воды при температуре  _{находим интерполяцией табличных данных:}

 Н/м

 Н/м

м/Н

 Н/м

Находим мольные и массовые расходы жидкости в колонне:

 кмоль/с

 кг/кмоль

 кг/с

 кг/с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Гидравлический расчет ректификационной колонны, с провальными (решетчатыми) тарелками.

Гидравлический расчет провальных тарелок начинают с определения  рабочей скорости пара, которую находят из формулы :

   

где - предельная скорость пара, м/с; μ_ж – динамический коэффициент вязкости жидкости, Па∙с; - динамический коэффициент вязкости воды при 20°С, Па∙с; и - массовые расходы жидкой и паровой фаз, кг/с; и - плотность пара и жидкости соответственно, кг/м³; - эквивалентный диаметр щели, м; ω – относительное свободное сечение тарелки; В – коэффициент.