Расчет ректификационной колонны для разделения смеси хлороформ-бензол производительностью 13200 кг/ч

Оглавление Введение Технологическая схема установки Задание на проектирование

1. Технологический расчёт аппарата

1.1 Материальный баланс

2. Определение скорости пара и диаметра колонны

3. Гидравлический расчет тарелок

4. Определение числа тарелок и высоты колонны

5. Тепловой расчет Список литературы

ректификационная колонна хлороформ бензол

Ректификация представляет собой процесс многократного частичного испарения жидкости и конденсации паров. Процесс осуществляется путем контакта потоков пара и жидкости, имеющих различную температуру, и проводится обычно в колонных аппаратах. При каждом контакте из жидкости испаряется преимущественно НК (низкокипящий компонент), которым обогащаются пары, а из паров конденсируется преимущественно ВК (высококипящий компонент), переходящий в жидкость. Такой двусторонний обмен компонентами, повторяемый многократно, позволяет получить, в конечном счете, пары, представляющие собой почти чистый НК. Эти пары после конденсации в отдельном аппарате дают дистиллят (ректификат) и флегму — жидкость, возвращаемую для орошения колонны и взаимодействия с поднимающимися парами. Пары получают путем частичного испарения снизу колонны остатка, являющегося почти чистым ВК.

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).

СХЕМА НЕПРЕРЫВНО ДЕЙСТВУЮЩЕЙ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ

Рис. 1 — Схема ректификационной установки.

1- емкость для исходной смеси; 2 — насос; 3 — подогреватель; 4 — кипятильник; 5 — ректификационная колонна; 6 — дефлегматор; 7 — холодильник дистиллята; 8 — сборник дистиллята; 9 — насос; 10 — холодильник; 11 — сборник кубового остатка.

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 ХF.

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 ХW, то есть, обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью парообогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкости (флегмы), состава ХD, которая получается дефлегматоре 6 путем конденсации пара, выходящего из колонны.

Часть конденсата выводится 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.

ЗАДАНИЕ

Спроектировать ректификационную колонну для разделения смеси хлороформ — бензол при следующих исходных данных: производительность — 13 200 кг/ч, содержание легколетучего компонента: куб — 9, исход. — 28, дистил. — 92%, температура исходной смеси — 20 оС, давление в колонне — 1 атм., колонна тарельчатая.

Смесь для ректификации: хлороформ (СНСl3) и бензол (C6H6)

Равновесие в системе пар — жидкость при давлении 760 мм.рт. ст.:

Хлороформ — бензол

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОСНОВНОГО АППАРАТА

1.1 МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС

Обозначим весовой расход дистиллята через GD [кг/ч], расход кубового остатка GW [кг/ч] и расход исходной смеси GF [кг/ч]. Массовый расход дистиллята GD и кубового остатка GW определяем из уравнения материального баланса колонны по низкокипящему компоненту (по хлороформу):

Проверяем:

Для дальнейших расчетов необходимо концентрации питания, дистиллята и кубового остатка выразить в молярных долях. Посчитаем молярные массы веществ участников реакции:

М (CHCl3)=119,5 г/моль M (C6H6)=78 г/моль

Питание:

Дистиллят:

Кубовый остаток:

Относительный мольный расход питания:

Определим минимальное число флегмы:

y*=0,306

где — мольная доля хлороформа в паре, равновесном с жидкостью питания, определяется по диаграмме y*-x

Рабочее число флегмы: R = 1,3· Rmin + 0,3; R = 1,3· 5+ 0,3= 6,8

Уравнение рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части колонны:

; у = 0,872 + 0,113

б) нижней (исчерпывающей) части колонны:

;

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ПАРА И ДИАМЕТРА КОЛОННЫ Средние составы пара:

а) в верхней части колонны:

;

б) в нижней части колонны:

Средние составы пара находим по уравнениям рабочих линий:

а) в верхней части колонны:

= 0,85 + 0,130 = 0,85•0,543+0,130= 0,592

б) в нижней части колонны:

= 1,35 — 0,0103 = 1,35 · 0.132 — 0,0103 = 0,168

Средние температуры пара определяем по диаграмме t-y, x:

а) при = 0,592 = 75,5 єС, б) при = 0,168 = 79,5 єС.

Средние мольные массы и плотности пара:

а) = •Мх+(1-)•Мб = 0,592· 119,5 + 0,408 · 78 = 102,57 кг/кмоль б) = •Мх+(1-)•Мб= 0,168· 119,5+ 0,832· 78 =84,97 кг/кмоль Средняя плотность пара в колонне:

Температура вверху колонны при хD = 0,883 t = 65 єС, а в кубе-испарителе при xW= 0,061 t = 82є С. Плотность хлороформа при t = 65 єС pх=1366,5 кг/м3, а бензола при t = 82 єС — pб = 812,8 кг/м3.

Средняя плотность жидкости:

Расстояние между тарелками h=300мм.

Определим скорость пара в колонне по следующему уравнению:

м/с Объемный расход, проходящего через колонну пара при средней температуре в колонне:

; 0C

;

МD=кг/кмоль м3/с Диаметр колонны:

м

По каталогу-справочнику принимаем D = 2000 мм Тогда скорость пара в колонне будет равна:

; м/с

3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ТАРЕЛОК Принимаем следующие значения ситчатой тарелки: диаметр отверстия d0= 4 мм, высота сливной перегородки hп = 40 мм, свободное сечение тарелки (суммарная площадь отверстий) 8% от общей площади тарелки. Площадь, занимаемая двумя сегментными переливными стаканами, составляет 20% от общей площади тарелки.

Рассчитаем гидравлическое сопротивление тарелки в верхней и нижней части колонны:

Сопротивление пароожиженного слоя на тарелке:

а) Верхняя часть колонны.

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

— коэффициент сопротивления тарелок со свободным сечение 8%; щ0 = 0,54/0,08 = 6,75 м/с — скорость пара в отверстиях тарелки.

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

где у = 22,1· 10−3 Н/м — поверхностное натяжение жидкости при средней температуре в верхней части колонны 75,5 оС (у хлороформа и бензола практически одинаковое поверхностное натяжение); d0=0,004 м — диаметр отверстий тарелки.

Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

Объемный расход жидкости в верхней части колонны:

Периметр сливной перегородки П находим решая систему уравнений:

где R = 1 м — радиус тарелки; - приближённое значение площади сегмента.

Решение даёт: П = 1,47 м; b = 0,32 м. Находим Дh:

Высота парожидкостного слоя:

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части:

б) Нижняя часть колонны.

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

при 79,5 °С у= 21,4· 10−3 Н/м Сопротивление пароожиженного слоя на тарелке:

где — средняя мольная масса жидкости, кг/кмольVж — объёмный расход жидкости, м3/с; П — периметр сливной перегородки, м; k = спж/сж — отношение плотности парожидкостного слоя (пены) к плотности жидкости, принимаем приближённо равным 0,5.

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части:

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛА ТАРЕЛОК И ВЫСОТЫ КОЛОННЫ Находим число ступеней изменения концентрации в верхней части колонны, в нижней части, всего 20 ступеней.

При средней температуре в колонне 77,5 °С давление насыщенного пара хлороформа Рх = 1544 мм.рт. ст., а бензола Рб = 683 мм. рт. ст.

Тогда компонент относительной летучести компонентов:

Динамическая вязкость хлороформа при 77,5 °С, бензола

.

Принимаем динамическую вязкость смеси исходного состава как среднее арифметическое значение:

Тогда

Тогда по таблице находим .

Длина пути, проходимого жидкостью по тарелке,

где b = 0,32

По значению длины пути находим значение поправки на длину пути. Так как она очень мала, то ею можно пренебречь.

Средний КПД тарелок определяется по уравнению:

Для сравнения рассчитывают средний КПД тарелки по критериальной формуле:

где

Коэффициент диффузии легколетучего компонента в исходной смеси:

Молекулярный объем диффундирующего вещества равен:

Средний КПД тарелки:

Число тарелок определяется по наименьшему благоприятному значению :

а) в верхней части колонны:

27 + 2 = 29

в) в нижней части колонны:

18 + 3 = 21

Общее число тарелок n = 45. С запасом принимаем 50 тарелок, из них 29 тарелок в верхней части и 21 в нижней.

Высота тарельчатой части колонны:

Общее гидравлическое сопротивление тарелок:

5. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ Тепловой поток, отдаваемый охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе:

Здесь ,

где rб, rхудельная теплота конденсации CHCl3 и C6H6.

Тепловой поток, получаемый в кубе-испарителе от греющего пара:

Здесь тепловые потери Qпот приняты в размере 3%

Тепловой поток в паровом подогревателе исходной смеси:

Здесь тепловые потери Qпот приняты в размере 5%, удельная теплоемкость смеси ккал/кг· К взята при средней температуре

Тепловой поток, отдаваемый охлаждающей воде в холодильнике дистиллята:

где удельная теплоемкость дистиллята взята при средней температуре:

Тепловой поток, отдаваемый охлаждающей воде в холодильнике кубового остатка:

где удельная теплоемкость кубового остатка взята при средней температуре:

Расход греющего пара, имеющего давление pабс=4 Па и влажности 5%:

а) в кубе-испарителе:

б) в подогревателе исходной смеси:

Общий расход греющего пара на установку Расход охлаждающей воды при нагреве ее на 20 0С а) в дефлегматоре б) в водяном холодильнике дистиллята в) в водяном холодильнике кубового остатка Общий расход охлаждающей воды на всю установку

1. Дытнерский Ю. И. — Процессы и аппараты химической технологии. Изд. 2-е. В 2-х кн. Часть 2. Массообменные процессы и аппараты. М.: «Химия», 1995.-368с.

2. Дытнерского Ю. И. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. М.: Химия, 1991. — 496 с.

3. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов, Л.: Химия, 1987. 572 с.

4. Справочник химика. М.-Л.: Химия, Т. I, 1996 1072 с.

5. КасаткинА. Г. — Основные процессы и аппараты химической технологии: Госхимиздата, 1961, 832 с.