Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Выберите тип работыЧасть дипломаДипломная работаКурсовая работаКонтрольная работаРешение задачРефератНаучно - исследовательская работаОтчет по практикеОтветы на билетыТест/экзамен onlineМонографияЭссеДокладКомпьютерный набор текстаКомпьютерный чертежРецензияПереводРепетиторБизнес-планКонспектыПроверка качестваЭкзамен на сайтеАспирантский рефератМагистерская работаНаучная статьяНаучный трудТехническая редакция текстаЧертеж от рукиДиаграммы, таблицыПрезентация к защитеТезисный планРечь к дипломуДоработка заказа клиентаОтзыв на дипломПубликация статьи в ВАКПубликация статьи в ScopusДипломная работа MBAПовышение оригинальностиКопирайтингДругое

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

ВВЕДЕНИЕ

 

Ректификация - массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаев в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными используемыми в процессе абсорбции. Поэтому методы подхода к расчету и проектированию ректификационных и абсорбционных установок имеют много общего. Тем не менее ряд особенностей процесса ректификации (различное соотношение нагрузок по жидкости и пару в нижней и верхней частях колонны, переменные по высоте колонны физические свойства фаз и коэффициент распределения, совместное протекание процессов массо- и теплопереноса) осложняет его расчет.

Одна из сложностей заключается в отсутствии обобщенных закономерностей для расчета кинетических коэффициентов процесса ректификации. В наибольшей степени это относится к колоннам диаметром более 800 мм с насадками и тарелками, широко применяемым в химических производствах. Большинство рекомендаций сводится к использованию для расчета ректификационных колон кинетических зависимостей, получаемых при исследовании абсорбционных процессов.

Большое разнообразие тарельчатых контактных устройств затрудняет выбор оптимальной конструкции тарелки. При этом наряду с общими требованиями (высокая интенсивность единицы объема аппарата, его стоимость и др.) ряд требований может определяться спецификой производства: большим интервалом устойчивой работы при изменении нагрузок по фазам, способность тарелок работать в среде загрязненных жидкостей, возможностью защиты от коррозии и т.п. Зачастую эти качества становятся превалирующими, определяющими пригодность той или иной конструкции для использования в каждом конкретном процессе.

Размеры тарельчатой колонны (диаметр и высота) обусловлены нагрузками по пару и жидкости, типом контактного устройства (тарелки), физическими свойствами взаимодействующих фаз.

Ректификацию жидкостей, не содержащих взвешенные частицы и не инструктирующих, при атмосферном давлении в аппаратах большой производительности часто осуществляют на ситчатых переточных тарелках.

 

1- емкость для исходной смеси; 2, 9 – насосы; 3 – теплообменник-подогреватель; 4 – кипятильник; 5 – ректификационная колонна; 6 – дефлегматор; 7 – холодильник дистиллята; 8 – емкость для сбора дистиллята; 10 – холодильник кубовой жидкости; 11 – емкость для кубовой жидкости

Рисунок 1 – Принципиальная схема ректификационной установки

 

Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рис.1. Исходную смесь из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подают в теплообменник 3, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси x_p.

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении в кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка x_w , т.е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава x_p, получаемой в 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 обогащены труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 10 и направляется в емкость 11.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента) и кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).

 

 

Высота насадки

 

Высоту насадки Н определяют по модифицированному уравнению массопередачи:

 

 (1.24)

 

где  - общее число единиц переноса по паровой фазе;

 - общая высота единицы переноса, м.

Общее число единиц переноса вычисляют по уравнения:

 

 (1.25)

 

Решим этот интеграл методом графического интегрирования:

 

 (1.26)

где S – площадь, ограниченная кривой, ординатами  и осью абсцисс рис. 8; М_х, М_y – масштабы осей координат.

Данные для графического изображения функции  приведены ниже:

 

y	y*-y	1/(y*-y)		y	y*-y	1/(y*-y)
0,020	0,043	23,26		0,629	0,096	10,42
0,064	0,060	16,67		0,703	0,092	10,87
0,097	0,068	14,70		0,8	0,075	13,34
0,137	0,079	12,66		0,837	0,061	16,39
0,265	0,100	10,00		0,867	0,05	20,00
0,391	0,084	11,90		0,899	0,035	28,57
0,500	0,064	15,62		0,928	0,027	37,04
0,528	0,072	13,89		0,953	0,022	45,45
0,545	0,080	12,50		0,967	0,018	55,55
0,564	0,086	11,63		0,970	0,015	66,67

 

Рисунок 8 – Графическое определение общего числа единиц переноса в паровой фазе для верхней (укрепляющей) части колонны в интервале изменения состава пара от у_F до у_Р и для нижней (исчерпывающей) – в интервале от от у_W до у_F.

По рисунку находим общее число единиц переноса в верхней  и нижней  частях колонны:

 

; .

 

Общую высоту единиц переноса  определим по уравнению аддитивности:

 (1.27)

 

где  и  - частные высоты единиц переноса соответственно в жидкой и паровой фазах;

 - средний коэффициент распределения в условиях равновесия для соответствующей части колоны.

Отношение нагрузок по пару и жидкости G/L, кмоль/кмоль, равно:

для верхней части колонны

 

 (1.28)

 

для нижней части колонны

 

 (1.29)

где

 (1.30)

 

Подставив численные значения, получим:

 

 

Высота единицы переноса в жидкой фазе

 

 (1.31)

 

где  - коэффициенты, определяемые по рисунку;

 - критерий Прандтля для жидкости;

 - высота слоя насадки одной секции, которая из условия прочности опорной решётки и нижних слоёв насадки, а также из условия равномерности распределения жидкости по насадке не должна превышать 3 м.

Высота единиц переноса в паровой фазе

 

 (1.32)

 

где  - коэффициент, определяемые по рисунку ;

 - критерий Прандтля для пара;

 - массовая плотность орошения, кг/(м² с);

 - диаметр колонны, м;

 

 

Поверхностное натяжение  для верхней части колонны, принимаем поверхностное натяжение легколетучего компонента при температуре верха колонны, а поверхностное натяжение для нижней части колонны, принимаем поверхностное натяжение для тяжело кипящего компонента при температуре низа колонны.

Необходимо определить вязкость паров и коэффициенты диффузии в жидкой  и паровой  фазах. Вязкость паров для верхней части колонны:

 (1.33)

 

где  и  - вязкость паров этилацетата и толуола при средней температуре верхней части колонны, [3 c.36], мПа с;

Примечание: так как нет надёжных данных для определения вязкости паров этилацетата, поэтому берём вязкость паров для диэтилового эфира.

 - средняя концентрация паров:  

Подставив, получим:

 

 

Аналогично расчётом для нижней части колонны находим

 

 (1.34)

Коэффициент диффузии в жидкости при средней температуре t (в ⁰С) равен:

 

 (1.35)

 

Коэффициенты диффузии в жидкости  при 20 ⁰С можно вычислить по приближённой формуле:

 

 (1.36)

 

где А, В – коэффициенты, зависящие от свойств растворённого вещества и растворителя;

 - мольные объёмы компонентов в жидком состоянии при температуре кипения, см³/моль;

 - вязкость жидкости при 20 ⁰С, мПа∙с,[2 табл. V c.556].

Вычислим вязкость жидкости для верхней части колонны при температуре 20 ⁰С:

 

 

Вычислим вязкость жидкости для нижней части колонны при температуре 20 ⁰С:

 

Тогда коэффициент диффузии в жидкости для верхней части колонны при 20 ⁰С равен:

 

 

Температурный коэффициент b определяют по формуле:

 

 (1.37)

 

где  и  принимают при температуре 20 ⁰С, [2 табл. V c.556 и 3 с.36].

Плотность жидкости при 20 ⁰С в верхней и нижней частей колонны найдём по формуле:

 

Тогда

Тогда

 

Подставим полученные численные значения для определения температурного коэффициента:

Отсюда

 

Аналогично для нижней части колонны находим:

 

 

Коэффициент диффузии в жидкости для нижней части колонны при 20 ⁰С равен:

 

 

Температурный коэффициент b определяют по формуле:

 

 

Тогда коэффициент диффузии в жидкости для нижней части колонны:

 

Коэффициент диффузии в паровой фазе может быть вычислен по уравнению:

 

 (1.38)

 

где Т – средняя температура в соответствующей части колонны, К;

Р – абсолютное давление в колонне, Па.

Тогда для верхней части колонны:

 

 

Аналогично для нижней части колонны получим:

 

 

Подставив численные значения, получим:

 

 

Таким образом, для верхней части колонны:

 

 

Для нижней части колонны:

 

 

По уравнению находим общую высоту единиц переноса для верхней и нижней части колонны:

 

 (1.39)

 (1.40)

 

Значения m=0,628 для верхней части колонны и m=1,737 - для нижней, определены арифметическим усреднением локальных значений m в интервалах изменения составов жидкости соответственно от x_F до x_P и от x_W до x_F.

 

 Высота насадки в верхней и нижней частях колонны равна соответственно:

 

 

Общая высота насадки в колонне:

 

 

С учётом того, что высота слоя насадки в одной секции Z=2 м, общее число секций в колонне составляет 4 (2 секции в верхней части и 2 – в нижней).

Общую высоту ректификационной колонны определяют по уравнения:

 

 (1.41)

 

где Z – высота насадки в одной секции, м;

n – число секций;

 - высота промежутков между секциями насадки, в которых устанавливают распределители жидкости, м;

 - соответственно высота сепарационного пространства над насадкой и расстояние между днищем колонны и насадкой, м.

Общая высота колонны:

 

Подбор кипятильника

 

Подобрать нормализованный вариант конструкции кожухотрубчатого испарителя ректификационной колонны, с получением G_W= паров водного раствора органической жидкости, кипящая при температуре t₂=109 ⁰C, удельная теплота конденсации равна r₂=363000 Дж/кг

В качестве теплоносителя используется насыщенный водяной пар давлением 0,3 МПа. Удельная теплота конденсации r₁=2171000 Дж/кг, температура конденсации t₁=133⁰С.

Расход греющего пара определим из уравнения теплового баланса:

 

 (7.98)

 

Средняя разность температур:

 

Рисунок 13 – Зависимость изменение температуры теплоносителей от поверхности теплообмена.

 

Примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи K_ор=400 Вт/(м²∙К). Тогда ориентировочное значение требуемой поверхности составит:

 

 (7.100)

 

Выбираем испаритель по ГОСТ 15119-79 и ГОСТ 15121-79, [1.табл. 2.3 с. 51].

Поверхность теплообмена S=40,0 м².

Длина труб L=2,0 м.

Общее число труб n=257 шт.

Число ходов z=1

Диаметр труб d=25x2 мм.

Диаметр кожуха D=600 мм.

Запас площади составляет:

 

 

 

Расчёт штуцеров

 

Внутренний диаметр трубопроводов определим по уравнению:

 

 (8.101)

 

где  - расход пара или жидкости, кг/с;

 - плотность пара или жидкости, кг/м;

 - скорость пара или жидкости, м/с.

 

Заключение

 

В задании на курсовое проектирование произвел расчет двух ректификационных установок непрерывного действия для разделения смеси этилацетат – толуол.

Определил, что тарельчатая ректификационная колонна, с ситчатыми однопоточными тарелками типа ТС, является наиболее выгоднее для разделения бинарной смеси, чем насадочная ректификационная колонна с кольцами Рашига.

Тарельчатая ректификационная колонна диаметром 1000мм, высотой 8,7 м.

Рассчитал материальный и тепловой балансы ректификационной установки, рассчитал и подобрал дополнительное оборудование: дефлегматор, подогреватель и кипятильник.

Изучил мероприятия по технике безопасности на предприятиях химической промышленности и оказание первой помощи пострадавшим.

 

 

Список использованной литературы

 

1 Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию/ Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и дополн. М.: Химия, 1991. – 496с.

2 Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Изд. 8-е, пер. и доп. Л., Химия,1976. – 552с.

3 Бинарные смеси: Учеб. Справочник / Авторы-составители Ю.И. Гущин; В.К. Леонтьев. – Ярославль: Изд-во ЯГТУ, 2003. – 104 с.

ВВЕДЕНИЕ

 

Ректификация - массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаев в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными используемыми в процессе абсорбции. Поэтому методы подхода к расчету и проектированию ректификационных и абсорбционных установок имеют много общего. Тем не менее ряд особенностей процесса ректификации (различное соотношение нагрузок по жидкости и пару в нижней и верхней частях колонны, переменные по высоте колонны физические свойства фаз и коэффициент распределения, совместное протекание процессов массо- и теплопереноса) осложняет его расчет.

Одна из сложностей заключается в отсутствии обобщенных закономерностей для расчета кинетических коэффициентов процесса ректификации. В наибольшей степени это относится к колоннам диаметром более 800 мм с насадками и тарелками, широко применяемым в химических производствах. Большинство рекомендаций сводится к использованию для расчета ректификационных колон кинетических зависимостей, получаемых при исследовании абсорбционных процессов.

Большое разнообразие тарельчатых контактных устройств затрудняет выбор оптимальной конструкции тарелки. При этом наряду с общими требованиями (высокая интенсивность единицы объема аппарата, его стоимость и др.) ряд требований может определяться спецификой производства: большим интервалом устойчивой работы при изменении нагрузок по фазам, способность тарелок работать в среде загрязненных жидкостей, возможностью защиты от коррозии и т.п. Зачастую эти качества становятся превалирующими, определяющими пригодность той или иной конструкции для использования в каждом конкретном процессе.

Размеры тарельчатой колонны (диаметр и высота) обусловлены нагрузками по пару и жидкости, типом контактного устройства (тарелки), физическими свойствами взаимодействующих фаз.

Ректификацию жидкостей, не содержащих взвешенные частицы и не инструктирующих, при атмосферном давлении в аппаратах большой производительности часто осуществляют на ситчатых переточных тарелках.

 

1- емкость для исходной смеси; 2, 9 – насосы; 3 – теплообменник-подогреватель; 4 – кипятильник; 5 – ректификационная колонна; 6 – дефлегматор; 7 – холодильник дистиллята; 8 – емкость для сбора дистиллята; 10 – холодильник кубовой жидкости; 11 – емкость для кубовой жидкости

Рисунок 1 – Принципиальная схема ректификационной установки

 

Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рис.1. Исходную смесь из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подают в теплообменник 3, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси x_p.

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении в кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка x_w , т.е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава x_p, получаемой в 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 обогащены труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 10 и направляется в емкость 11.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента) и кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).

 

 

Ректификационной колонны непрерывного действия