Проектирование ректификационной установки для непрерывного разделения смеси бензол-толуол

Курсовой проект

Тема:

" Проектирование ректификационной установки для непрерывного разделения смеси бензол-толуол"

Санкт-Петербург 2006

Задание

ректификационный разделение бензол толуол Спроектировать ректификационную установку для непрерывного разделения смеси бензол — толуол под атмосферным давлением. Сделать подробный расчет ректификационной колонны и парового подогревателя исходной смеси.

Исходные данные для расчета

1. Колонна с ситчатыми тарелками.

2. Производительность установки по исходной смеси 8.4 т/час.

3. Концентрация легколетучего компонента в исходной смеси 20% масс.

4. Концентрация легколетучего компонента в дистилляте 94% масс.

5. Концентрация легколетучего компонента в кубовом остатке 4% масс.

6. Температура исходной смеси 35? С.

7. Температура охлаждающей воды меняется от 10 до 30? С.

8. Готовые продукты охлаждаются до 35? С.

9. Давление греющего пара 1.5 атм (изб.).

Ректификация — один из способов разделения жидких смесей основанный на различном распределении компонентов смеси между жидкой и паровой фазами. В качестве аппаратов служащих для проведения ректификации используются ректификационные колонны — состоящие из собственно колонны, где осуществляется противоточное контактирование пара и жидкости, и устройств, в которых происходит испарение жидкости и конденсация пара — куба и дефлегматора. Колонна представляет собой вертикально стоящий полый цилиндр внутри которого установлены так называемые тарелки (контактные устройства различной конструкции) или помещен фигурный кусковой материал — насадка. Куб и дефлегматор — это обычно кожухотрубные теплообменники.

Назначение тарелок и насадки — разделение межфазной поверхности и улучшение контакта между жидкостью и паром. Тарелки, как правило, снабжаются устройством для перелива жидкости. В качестве насадки ректификационных колонн обычно используются кольца, диаметр которых равен их высоте.

Как в насадочных, так и в тарельчатых колоннах кинетическая энергия пара используется для преодоления гидравлического сопротивления контактных устройств и для создания динамической дисперсной системы пар — жидкость с большой межфазной поверхностью. Существуют также ректификационные колонны с подводом механической энергии, в которых дисперсная система создаётся при вращении ротора, установленного по оси колонны. Роторные аппараты имеют меньший перепад давления по высоте, что особенно важно для вакуумных колонн.

По способу проведения различают — непрерывную и периодическую ректификацию. В первом случае разделяемая смесь непрерывно подается в ректификационную колонну, а из колонны непрерывно отводятся две или более число фракций, обогащенных одними компонентами и обедненных другими. Полная колонна состоит из двух секций укрепляющей и исчерпывающей. Исходная смесь (обычно при температуре кипения) подается в колонну, где смешивается с так называемой извлеченной жидкостью, стекающей по контактным устройствам (тарелкам или насадке) исчерпывающей секции противотоком к поднимающемуся потоку пара. Достигая низа колонны, жидкость обогащается тяжелолетучими компонентами. В низу жидкость частично испаряется в результате нагрева подводящимся теплоносителем, и пар снова поступает в исчерпывающую секцию.

Пройдя её, обогащенный легколетучимикомпонентами, пар поступает в дефлегматор, где обычно полностью конденсируется подходящим хладагентом. Полученная жидкость делится на два потока — дистиллят и флегму. Дистиллят является продуктовым потоком, а флегма поступает на орошение укрепляющей секции, по контактным устройствам которой стекает. Часть жидкости выводится из куба колонны в виде так называемого кубового остатка (также продуктовый поток).

Если исходную смесь нужно разделить непрерывным способом на число фракций больше двух, то применяется последовательное либо параллельно — последовательное соединение колонн.

При периодической ректификации исходная жидкая смесь единовременно загружается в куб колонны, ёмкость которая соответствует желаемой производительности. Пары поступают в колонну и поднимаются к дефлегматору, где происходит их конденсация. В начальный период весь конденсат возвращается в колонну, что отвечает режиму полного орошения. Затем конденсат делится на дистиллят и флегму. По мере отбора дистиллята (либо при постоянном флегмовом числе, либо с его изменением из колонны выводятся сначала легколетучие компоненты, затем среднелетучие и так далее). Нужную фракцию (или фракции) отбирают в соответствующий сборник. Операция продолжается до полной переработки первоначально загруженной смеси.

Основные области промышленного применения ректификации — получение отдельных фракций и индивидуальных углеводородов из нефтяного сырья в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, окиси этилена, акрилонитрила, акрилхлорсиланов — в химической промышленности. Ректификация широко используется и в других отраслях народного хозяйства: коксохимической, лесохимической, пищевой, химико-фармацевтической промышленностях.

1. Технологические расчеты

1.1 Равновесные данные

Для технологических расчетов установки необходимо знать свойства веществ при определенных температурах. Основным способом определения этих свойств является таблица равновесных данных.

х — мольная доля легколетучего компонента в жидкой фазе;

y — мольная доля легколетучего компонента в паровой фазе;

t — температура, ъС.

Таблица 1

В данном курсовом проекте рассматривается смесь бензол — толуол. Известно, что

t _{кип бензол} = 80.2? С

t _{кип толуол} = 110.8? С Следовательно, в качестве легколетучего компонента в дальнейшем по умолчанию будет рассматриваться бензол.

1.2 Материальный баланс

Зная производительность колонны по исходной смеси, по уравнениям материального баланса определим массовые расходы дистиллята и кубового остатка .

где — массовый расход исходной смеси, кг/с;

— массовый расход кубового остатка, кг/с;

— массовый расход дистиллята, кг/с;

и — массовые доли легколетучего компонента в питании, дистилляте и кубовом остатке соответственно.

= 8.4 т/час = = 2.333 кг/с Получаем систему уравнений:

2.333 = +

2.333*0.20 = *0.94 + *0.04

Решив которую, получим:

= 0.415 кг/с; = 1.918 кг/с Для дальнейших расчетов необходимо перевести массовые доли легколетучего компонента в мольные.

где х_F — мольная доля легколетучего компонента в исходной смеси;

М₁ = 78.11 кг/кмоль — молекулярная масса бензола;

М₂ = 92.13 кг/кмоль — молекулярная масса толуола.

кмоль л.л./кмоль раствора Соответственно находим мольные доли легколетучего компонента в кубовом остатке и дистилляте:

кмоль л.л./ кмоль раствора

кмоль л.л./ кмоль раствора Нагрузка ректификационной колонны по пару и жидкости определяется рабочим флегмовым числом. Для его расчета используют приближенные вычисления по формуле:

где R_min — минимальное флегмовое число.

При этом:

где — мольные доли легколетучего компонента в жидкости, а — концентрация легколетучего компонента в паре, находящаяся в равновесии с жидкостью питания.

По Таблице 1 находим значение :

= кмоль л.л./кмоль р-ра Тогда

R_min =

Найдем уравнения рабочих линий (при питании колонны кипящей смесью):

а) верхней (укрепляющей) части ректификационной колонны б) нижней (исчерпывающей) части колонны где F — относительный мольный расход питания (на 1 кмоль дистиллята) Тогда получим

2. Тепловой баланс установки

Тепловой баланс ректификационной колонны выражается общим уравнением:

где — количество тепла, подводимое в куб-испаритель, Вт;

— количество тепла, подводимое с исходной смесью, Вт;

— количество тепла, выделяющееся при конденсации пара в дефлегматоре-конденсаторе, Вт;

— количество тепла, отводимого с потоком дистиллята, Вт;

— количество тепла, отводимого с потоком кубового остатка, Вт;

— потери в окружающую среду (3 — 5%), Вт.

Используя Таблицу 1, находим — температуры соответствующие дистилляту, кубовому остатку и исходной смеси.

? С

? С

? С Теплофизические параметры бензола где r_лл — удельная теплота конденсации паров бензола, кДж/кг; А = 51.87; t_кр = 289.1.

Дж/кг где — удельная теплоемкость бензола, кДж/кг*К; с₀ = 1.65; с₁ = 0.0032.

Тогда

Дж/кг*К

Дж/кг*К

Дж/кг*К Теплофизические свойства толуола где r_тл — удельная теплота конденсации паров толуола, кДж/кг; А = 47.07; t_кр = 318.7.

Дж/кг где — удельная теплоемкость толуола, кДж/кг*К; с₀ = 1.62; с₁ = 0.0035.

Тогда

Дж/кг*К

Дж/кг*К

Дж/кг*К Теплофизические свойства смеси Теплофизические свойства смеси определяются по аддитивным формулам:

где — удельная теплота конденсации паров в дефлегматоре-конденсаторе, Дж/кг.

Дж/кг Тогда получим

Дж/кг*К

Дж/кг*К

Дж/кг*К Используя полученные теплофизические данные, вычислим:

кВт

кВт

кВт

кВт Тогда

кВт

3. Подробный расчет подогревателя исходной смеси

3.1 Выбор теплообменного аппарата

Исходные данные: Р_изб = 1.5 атм; t_н = 35? С; t_F = 101.12? С.

Вычисляем абсолютное давление греющего пара:

Р_абс = Р_изб + 1 атм = 1.5 + 1 = 2.5 атм По давлению греющего пара находим его температуру конденсации и удельную теплоту парообразования :

? С

Дж/кг Тогда температурная схема будет иметь вид:

? С

? С Тогда средняя разность температур будет определяться по формуле:

? С Средние температуры теплоносителей:

? С

? С Удельная теплоемкость смеси при средней температуре теплоносителя:

Дж/кг*К

Дж/кг*К Дж/кг*К Рассчитаем расход тепла в подогревателе исходной смеси по формуле:

кВт Тогда расход греющего пара будет равен

кг/с Используя, примем в качестве ориентировочного значения коэффициента теплопередачи от конденсирующегося пара к органическим жидкостям К = 300 Вт/м²*К.

Тогда ориентировочное значение поверхности теплообмена будет определяться по формуле:

м²

По ориентировочному значению поверхности теплообмена был выбран одноходовой кожухотрубчатый теплообменник с трубами d = 20?2 мм, внутренним диаметром кожуха D = 325 мм, числом труб n = 100, длиной труб l = 3.0 м и поверхностью теплообмена F = 19.5 м² и проходным сечением трубного пространства s_тр = 2.0*10^-2 м².

Определим свойства смеси при средней температуре? С:

1. Бензол Плотность:

где — плотность легколетучего компонента смеси, кг/м³;;; .

кг/м³

Динамическую вязкость:

где — динамическая вязкость легколетучего компонента, мПа*с;;; t — температура,? С.

мПа*с Теплопроводность:

где — теплопроводность легколетучего компонента, Вт/м*К;; .

Вт/м*К

2. Толуол Плотность:

где — плотность труднолетучего компонента смеси, кг/м³;;; .

кг/м³

Динамическую вязкость:

где — динамическая вязкость труднолетучего компонента, мПа*с;;; t — температура,? С.

Теплопроводность:

где — теплопроводность легколетучего компонента, Вт/м*К;; .

Вт/м*К

3. Смесь По формулам для определения средних величин :

где ?₁ > ?₂

Тогда получим

кг/м³

мПа*с

Вт/м*К Определим свойства греющего водяного пара при Р_абс=2.5 атм и t_ср=126.25? С :

кг/м³

мПа*с Для обеспечения развитого турбулентного режима м/с Примем м/с, тогда проходное сечение трубного пространства должно быть менее

м²

При ?=0.5 м/с s_тр = 0.0057 м². Следовательно, можно сделать вывод о том, что выбранный кожухотрубчатый теплообменник не подходит.

Рассмотрим теплообменник типа «труба в трубе».

Примем диаметр теплообменной трубы d = 108?5 мм, диаметр кожуховой трубы D = 159?6 мм. Положим, что в трубном пространстве идет нагрев исходной смеси, а в межтрубном — конденсация пара.

Примем скорость течения жидкости? = 0.4 м/с, тогда

м²

Примем скорость пара? = 15 м/с, тогда

м²

Сравним полученные значения со значениями, взятыми из :

S_тр = 75.4*10^-4 м² и s_м.тр = 78.1*10^-4 м².

Можно сделать вывод о том, что теплообменник подобран верно.

Уточним значения скоростей жидкости:

м/с По уточненным значениям скоростей пара и жидкости рассчитаем значения критерия Рейнольдса для трубного и пространства:

d _тр = d _вн = 108 — 2*5 = 98 мм

3.2 Определение температур стенок методом итераций

Определим величины, которые не зависят от выбранной наугад температуры стенки:

Значение тепловой проводимости загрязнений стенок со стороны греющего пара, а тепловая проводимость загрязнений стенок органическими жидкостями.

Толщина стенки теплообменной трубы равна 5 мм. В качестве материала труб выберем обыкновенную сталь с коэффициентом теплопроводности .

Тогда тепловая проводимость стенки и загрязнений

1. Зададимся температурой стенки со стороны горячего теплоносителя .

Тогда температура пленки конденсата

? С

? С Далее необходимо определить поверхностные плотности теплового потока и сопоставить их, если разница между ними будет меньше 5%, то можно считать, что процесс установившийся и температура стенки подобранна правильно.

где — коэффициенты теплоотдачи от горячего и холодного теплоносителей;

В межтрубном пространстве конденсируется греющий пар. Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара:

где теплопроводность конденсата, Вт/(м^.К);

— плотность конденсата, кг/м³;

удельная теплота конденсации, Дж/кг;

= 9.81 — скорость свободного падения, м/с²;

— динамическая вязкость конденсата, Па^.с;

= 0.039 — диаметр трубы, м.

Величины, , и определяются при температуре пленки конденсата t _пл :

кг/м³

Па*с Вт/м*К

*10³ Дж/кг Тогда

Вт/м²*К Тогда поверхностная плотность теплового потока горячей стенки определим по формуле:

Примем что Определим температуру холодной стенки по формуле:

? С Из выше найденных значений теплофизических параметров при средней температуре смеси найдем значение критерия Прандтля:

Определим теплофизические параметры смеси при температуре стенки со стороны холодного теплоносителя:

Исходя из найденных теплофизических параметров, определим критерий Прандтля при температуре холодной стенки:

Зная значение Pr = 4.923; Pr _ст = 3.997 и Re = 93 635.61, определим значение числа Нуссельта:

Зная критерий Нуссельта, определим коэффициент теплоотдачи холодной стенки по формуле:

Тогда Вт/м²*К Поверхностную плотность теплового потока холодной стенки определим по формуле:

Сопоставим q₁ и q₂, а разность выразим в процентах:

Выбранная температура стенки наугад не подходит.

2. Зададимся температурой стенки со стороны горячего теплоносителя.

Тогда температура пленки конденсата

? С

? С Далее необходимо определить поверхностные плотности теплового потока и сопоставить их, если разница между ними будет меньше 5%, то можно считать, что процесс установившийся и температура стенки подобранна правильно.

где — коэффициенты теплоотдачи от горячего и холодного теплоносителей;

В межтрубном пространстве конденсируется греющий пар. Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара:

где теплопроводность конденсата, Вт/(м^.К);

— плотность конденсата, кг/м³;

удельная теплота конденсации, Дж/кг;

= 9.81 — скорость свободного падения, м/с²;

— динамическая вязкость конденсата, Па^.с;

= 0.039 — диаметр трубы, м.

Величины, , и определяются при температуре пленки конденсата t _пл :

кг/м³

Па*с Вт/м*К

*10³ Дж/кг Тогда Вт/м²*К Тогда поверхностная плотность теплового потока горячей стенки определим по формуле:

Примем что Определим температуру холодной стенки по формуле:

? С Из выше найденных значений теплофизических параметров при средней температуре смеси найдем значение критерия Прандтля:

Определим теплофизические параметры смеси при температуре стенки со стороны холодного теплоносителя:

Исходя из найденных теплофизических параметров, определим критерий Прандтля при температуре холодной стенки:

Зная значение Pr = 4.923; Pr _ст = 4.125 и Re = 93 635.61, определим значение числа Нуссельта:

Зная критерий Нуссельта, определим коэффициент теплоотдачи холодной стенки по формуле:

Тогда Вт/м²*К Поверхностную плотность теплового потока холодной стенки определим по формуле:

Сопоставим q₁ и q₂, а разность выразим в процентах:

Выбранная температура стенки наугад не подходит

3. Зададимся температурой стенки со стороны горячего теплоносителя? С.

Тогда температура пленки конденсата

? С

? С Далее необходимо определить поверхностные плотности теплового потока и сопоставить их, если разница между ними будет меньше 5%, то можно считать, что процесс установившийся и температура стенки подобранна правильно.

где — коэффициенты теплоотдачи от горячего и холодного теплоносителей;

В межтрубном пространстве конденсируется греющий пар. Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара:

где теплопроводность конденсата, Вт/(м^.К);

— плотность конденсата, кг/м³;

удельная теплота конденсации, Дж/кг;

= 9.81 — скорость свободного падения, м/с²;

— динамическая вязкость конденсата, Па^.с;

= 0.039 — диаметр трубы, м.

Величины, , и определяются при температуре пленки конденсата t _пл :

кг/м³

Па*с Вт/м*К

*10³ Дж/кг Тогда Вт/м²*К Тогда поверхностная плотность теплового потока горячей стенки определим по формуле:

Примем что Определим температуру холодной стенки по формуле:

? С Из выше найденных значений теплофизических параметров при средней температуре смеси найдем значение критерия Прандтля:

Определим теплофизические параметры смеси при температуре стенки со стороны холодного теплоносителя:

Исходя из найденных теплофизических параметров, определим критерий Прандтля при температуре холодной стенки:

Зная значение Pr = 4.923; Pr _ст = 4.096 и Re = 93 635.61, определим значение числа Нуссельта:

Зная критерий Нуссельта, определим коэффициент теплоотдачи холодной стенки по формуле:

Тогда Вт/м²*К Поверхностную плотность теплового потока холодной стенки определим по формуле:

Сопоставим q₁ и q₂, а разность выразим в процентах:

Температура стенки подобрана верно.

Рассчитаем истинный коэффициент теплопередачи:

Вт/м²*К Тогда м²

По ориентировочному значению поверхности теплообмена был выбран теплообменник типа «труба в трубе» с теплообменной трубой d = 108?5 мм, кожуховой D = 159?6 мм, длиной труб l = 9.0 м и поверхностью теплообмена F = 27.18 м².

1. К. Ф. Павлов, П. Г. Романков, А. А. Носков «Процессы и задачи по курсу химической технологии», Ленинград, 1987

2. А. И. Волжинский, О. М. Флисюк «Определение средних физических величин потоков пара и жидкости» Методические указания к курсовому проектированию

3. А. И. Волжинский, А. В. Марков «Ректификация: колонные аппараты с ситчатыми тарелками» Методическое пособие к курсовому проектированию

4. «Курсовое проектирование по процессам и аппаратам химической технологии. Краткие справочные данные»