_{Введение}

Курсовой проект по дисциплине “Процессы и аппараты химической технологии” является завершающим этапом. Его основой является расчёт ректификационной установки для разделения смеси вода - уксусная кислота.

Для разделения жидких смесей применяют способы простой перегонки (дистилляции), перегонки под вакуумом и с водяным паром, ректификации, экстракции, адсорбции и т.д.

Процесс ректификации осуществляется в ректификационных тарельчатых или насадочных аппаратах колонного типа. Для создания разности температур потоков в нижнюю часть колонны подводят тепло, а из ее верхней части тепло отводят.

В реальных условиях ректификационной колонны равновесие уходящих из контактной зоны потоков пара и жидкости может не достигаться, в связи с чем эти потоки будут иметь разные температуры, а их составы определяться не только уравнениями равновесия, но и более сложными зависимостями.

Основными рабочими параметрами процесса ректификации являются давление и температура в системе, соотношение потоков жидкости и пара, число контактных ступеней. При соответствующем выборе параметров обеспечивается разделение исходной смеси на компоненты (фракции), удовлетворяющие определенным требованиям.

Рис. 1. Принципиальная схема ректификационной установки

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.

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_F.

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 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 жидкость (флегмой) состава x_Р, 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, обогащенный 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 кубовой остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).

1. Материальный баланс.

Уравнение материального баланса составляем на основании задания:

Производительность по сырью: .

Концентрации низкокипящего компонента (% мас.):

В исходной смеси: ;

В дистилляте: ;

В кубовом остатке: ;

Смесь подается в колонну при температуре начала кипения.

Из уравнений материального баланса (7.4 и 7.5, [1]):

;

где – массовые расходы сырья, дистиллята и кубового остатка соответственно.

Для дальнейших расчетов необходимо перевести массовые концентрации низкокипящего компонента в мольные:

Исходная смесь:

.

Дистиллят:

.

Кубовой остаток:

.

где , — молярная масса воды и уксусной кислоты соответственно.

=18, =60 г/ моль

2. Построение равновесной и рабочей линий и диаграммы

Для построения диаграммы t-x, y воспользуемся данными таблицы 2.1

Таблица 2.1

t, °C	Pв, мм рт.ст.	Pук, мм рт.ст.	П, мм рт.ст.	x	y
128	1875	1000	1875	1	1
130	2200	1100		0,70455	0,82667
132	2400	1200		0,5625	0,72
134	2500	1250		0,5	0,66667
136	2600	1300		0,44231	0,61333
138	2750	1350		0,375	0,55
140	3000	1400		0,29688	0,475
142	3200	1500		0,22059	0,37647
144	3300	1600		0,16176	0,28471
146	3600	1700		0,09211	0,17684
148	3700	1750		0,0641	0,1265
150	3800	1875		0	0

Мольную концентрацию воды в жидкой фазе определим по закону Дальтона:

;

Мольную концентрацию воды в паровой фазе определим по уравнению (6.8, [1]):

.

В результате получаем диаграмму для бинарной смеси вода-уксусная кислота (рис. 2.1):

Рис. 2.1. Диаграмма .

где - мольные концентрация низкокипящего компонента (вода) в жидкой и паровой фазе смеси вода-уксусная кислота соответственно.

Далее используем данные, представленные в таблице 2.1, для построения равновесной линии ( ) для заданной смеси.

Для построения рабочей линии необходимо найти флегмовое число R, чтобы это сделать найдем сначала минимальное флегмовое число по уравнению (7.10, [1]):

,

где - мольная доля воды в паре, равновесном с жидкостью питания. Находим из диаграммы (рис. 2.2):

Рис. 2.2. Диаграмма с изображением равновесной линии процесса ректификации.

.

Рабочее число флегма определяется по уравнению (7.12, [1]):

.

Уравнения рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части колонны:

;

;

б) нижней (исчерпывающей) части колонны:

где - относительный мольный расход исходной смеси:

.

;

На основе полученных выше данных построим рабочую линии на диаграмме х-у, сделаем это следующим образом:

1. Проведем линию х=х_D до пересечения с диагональю и получим точку А.

2. Отложим на оси у отрезок B=0,279 ( из уравнения верхней части колонны) – получим точку B;

3. Соединим точки А и B – получим прямую АB;

4. Проведем линию х=x_Fдо пересечения с AB и получим точку C;

5. Проведем линию х=х_w до пересечения с диагональю и получим точку D;

6. Соединим точки С и D; в результате получаем ACD – рабочая линия.

Нанесем рабочие линии на диаграмму на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Диаграмма с изображением рабочих линий процесса ректификации.