РОССИЙСКИЙ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ им. Д.И. Менделеева

кафедра процессов и аппаратов химической технологии

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

по процессам и аппаратам химической технологии

«Расчёт бинарной ректификации смеси бензол – уксусная кислота»

Выполнила:

студентка гр.П-43

Новоселова Ю.И.

Вариант 23

Преподаватель:

к.т.н., доцент

Кузнецова И.К.

Москва, 2016

Оглавление

1. Введение 5

1.1. Выбор конструкционного материала аппарата 6

2. Задание 7

3. Расчёт ректификационной колонны 8

3.1. Материальный баланс 8

3.2. Построение диаграмм состава и состояния системы 10

3.3. Определение минимального флегмового числа 12

13

3.4. Расчёт уравнений рабочих линий колонны 13

3.5. Определение рабочего флегмового числа 14

3.6. Расчёт средних массовых потоков жидкости и пара 16

3.7. Расчёт допустимой скорости пара и диаметра колонны 17

3.8. Характеристика контактных элементов колонны 22

3.9. Проверочный расчёт расстояния между тарелками 23

3.10. Определение рабочих характеристик тарелок 24

3.11. Расчёт числа реальных тарелок 26

3.11.1. Определение коэффициентов массоотдачи 26

3.11.2. Расчёт КПД тарелок по Мэрфри 29

3.11.3. Построение кинетической кривой 31

3.12. Определение гидравлического сопротивления колонны 34

3.13. Определение высоты колонны 36

4. Расчёт вспомогательного оборудования 37

4.1. Расчёт теплообменников 37

4.1.1. Расчёт подогревателя исходной смеси 37

4.1.2. Расчёт конденсатора-дефлегматора 42

4.1.3. Расчёт кипятильника 48

4.1.4. Расчёт холодильника дистиллята 52

4.1.5. Расчет холодильника кубового остатка 56

4.2. Расчёт диаметров трубопроводов 60

4.3. Расчёт насосного оборудования 61

4.3.1 Расчет насосов для подачи исходного сырья 61

4.3.2 Расчёт насоса для возврата потока флегмы в колонну 66

4.4. Подбор ёмкостей для сбора продуктов и хранения сырья 68

4.5. Подбор конденсатоотводчиков 70

4.6. Расчёт толщины теплоизоляции для основных аппаратов 72

5. Выбор точек контроля за проведением процесса 73

5. Механический расчет 75

5.1 Расчет толщины обечайки 75

5.2. Расчет толщины днища и крышки 76

5.3. Подбор фланца на крышке 77

5.4. Подбор опоры колонны 78

6. Выбор точек контроля за проведением процесса 79

Приложение №1. Расчёт физико-химических свойств системы 81

1.1 Расчёт плотности жидкой фазы 81

1.2. Расчёт давления насыщенных паров 81

1.3. Расчёт теплоты испарения (конденсации) 82

1.4. Расчёт теплоёмкости идеального газа 83

1.5. Расчёт теплоёмкости жидкой фазы 84

1.6. Расчёт коэффициента динамической вязкости паровой фазы 85

1.7. Расчёт коэффициента динамической вязкости жидкой фазы 86

1.8. Расчёт коэффициента теплопроводности паровой фазы 87

1.9. Расчёт коэффициента теплопроводности жидкой фазы 88

1.10. Расчёт поверхностного натяжения 89

Приложение №2. Определение плотности компонентов 90

Приложение №3. T-Y,X равновесие системы 95

1. Введение

Ректификация – массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаев в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными используемым 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 колонн кинетических зависимостей, полученных при исследовании абсорбционных процессов.

В процессе ректификации происходит непрерывный обмен между жидкой и паровой фазой. Жидкая фаза обогащается более высококипящим компонентом, а паровая фаза – более низкокипящим. Процесс массообмена происходит по всей высоте колонны между стекающей вниз флегмой и поднимающимся вверх паром. Что бы интенсифицировать процесс массообмена применяют контактные элементы, что позволяет увеличить поверхность массообмена. В случае применения насадки жидкость стекает тонкой пленкой по ее поверхности, в случае применения тарелок пар проходит через слой жидкости на поверхности тарелок. В данной работе приведен расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной смеси бензол – уксусная кислота.

Принципиальная схема ректификационной установки

Принципиальная схема ректификационной установки представлена на. 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 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, 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 Хp, 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 кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).

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.