Спроектировать ректификационную установку непрерывного действия для разделения смеси ацетон-этанол

Министерство  образования и науки Российской федерации

Федеральное агентство образования

Иркутский Государственный Технический Университет

Кафедра химической технологии

^{наименование  кафедры} 

Допускаю  к защите

Руководитель  Огурцов В.И.

^{И.О. Фамилия} 
 
 
 

Спроектировать ректификационную установку непрерывного действия для разделения смеси ацетон-этанол

^{наименование  темы} 
 
 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому  проекту по дисциплине 

Процессы  и аппараты химической технологии 

     1.000.18.00.ПЗ

     ^{обозначение документа} 
 
 
 
 

Выполнила студентка группы    ХТТ-01-1       ________         Хачупин И.К.

                                                ^{шифр               подпись                И.О.Фамилия} 

Нормоконтролер                                                 ________         Огурцов В.И.

                                                                                  ^{подпись                И.О.Фамилия} 

Курсовой проект защищен с оценкой ______________ 
 
 
 

Иркутск, 2006г

СОДЕРЖАНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ………...…………………………………………………………..…….2

1 Расчет тарельчатой ректификационной колонны непрерывного действия 3

  1.1 Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число 4

  1.2 Скорость пара и диаметр колонны 9

1.3 Высота  светлого слоя жидкости на  тарелке и паросодержание барботажного слоя 12

1.4 Коэффициенты массопередачи и высота колонны 14

2 Гидравлическое сопротивление тарелок колонны 23

3 Тепловой расчёт установки 25

4 Расчёт теплообменника 28

4.1 Уточнённый расчёт теплообменника 31

4.2 Гидравлическое сопротивление теплообменника 33

5 Расчёт штуцеров 35

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 38

СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ 39

Приложение  А. Диаграмма равновесия между жидкостью  и паром при постоянном давлении, в координатах  (состав пара – состав жидкости) 40

Приложение  Б. Диаграмма равновесия между жидкостью и паром при постоянном давлении, в координатах (температура – состав жидкости и пара). Изменение ρ и σ  компонентов смеси в зависимости от t 41

Приложение  В. Диаграмма определения рабочего флегмового числа 42

Приложение  Г. Изображение рабочих линий в диаграмме при действительном флегмовом числе 42

Приложение  Д. Технологическая схема установки 44 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

    Одним из наиболее распространенных методов  разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух и большего числа компонентов, является перегонка (дистилляция и ректификация).

    В широком смысле перегонка представляет собой процесс, включающий частичное  испарение разделяемой смеси  и последующую конденсацию образующихся паров, осуществляемые однократно и  многократно. В результате конденсации получают жидкость, состав которой отличается от состава исходной смеси.

    Существует  два принципиально отличных вида перегонки: 1) простая перегонка (дистилляция) и  2) ректификация.

    Простая перегонка представляет собой процесс однократного частичного испарения жидкой смеси и конденсации образующихся паров. Применима только для разделения смесей, летучести компонентов которой существенно различны, т.е. относительная летучесть компонентов значительна. Обычно ее используют лишь для предварительного грубого разделения жидких смесей, а также для очистки сложных смесей от нежелательных примесей, смол и т.д.

    Значительно более полное разделение жидких смесей на компоненты достигается путем  ректификации.

    Ректификация  – массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаев в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки). Т.е. путем многократного контакта между неравновесными жидкой и паровой фазами, движущимися относительно друг друга.

    При взаимодействии фаз между ними происходит массо - и теплообмен обусловленные стремлением системы к состоянию равновесия. В результате каждого контакта из жидкости испаряется преимущественно низкокипящий компонент (НК), которым обогащаются пары, а из паров конденсируется преимущественно высококипящий компонент (ВК), 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. 

    В настоящее время ректификации все шире применяют в различных областях химической технологии, где выделение компонентов в чистом виде имеет весьма важное значение.

    Процессы  ректификации осуществляются периодически или непрерывно при различных  давлениях: при атмосферном давлении, под вакуумом (для разделения смесей высококипящих веществ), а также под давлением больше атмосферного (для разделения смесей, являющихся газообразными при нормальных температурах). 

1. Расчёт тарельчатой ректификационной колонны непрерывного действия 

    Расчет  ректификационной колонны сводится к определению ее основных геометрических размеров – диаметра и высоты. Размеры  тарельчатой колонны обусловлены  нагрузками по пару и жидкости, типом  контактного устройства (тарелки), физическими  свойствами взаимодействующих фаз.

    Большое разнообразие тарельчатых контактных устройств затрудняет выбор оптимальной  конструкции тарелки. При этом наряду с большими 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, способностью 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.

    Ректификацию  жидкостей, не содержащих взвешенные частицы  и не инкрустирующих, при атмосферном  давлении в аппаратах большой  производительностью часто осуществляют на ситчатых переточных тарелках. Сделаем расчет ректификационной колонны с ситчатыми тарелками. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.1. Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число 

    Определим производительность колонны по дистилляту и кубовому остатку из уравнений материального баланса колонны [1]: 

                                                                                   

,                                              (1.1) 

где массовый расход дистиллята,

    массовый расход кубового остатка,  

                                                                               

                                               (1.2) 

где массовый состав исходной смеси, смеси

    массовый состав дистиллята, смеси

    массовый состав кубового остатка, смеси 

    По  уравнению (1.2) находим: 

    

 

    Переводим мольные составы в массовые [1]: 

                                             

,                                      (1.3) 

где и - молекулярные массы соответственно ацетона и этанола,  

Массовый состав исходной смеси: 

    

смеси  

Массовый состав дистиллята: 

     

смеси 

Массовый состав кубового остатка: 

     

смеси

Отсюда массовый расход кубового остатка: 

                                               

Массовый расход дистиллята: 

    

 

    Нагрузки  ректификационной колонны по пару и  жидкости определяются рабочим флегмовым  числом ; его оптимальное значение можно найти путем технико-экономического расчета. Ввиду отсутствия надежной методики оценки используют приближенные вычисления, основанные на определении коэффициента избытка флегмы (орошении) . Здесь - минимальное флегмовое число [1]: 

                                                                

                                                  (1.4) 

где и - мольные доли легколетучего компонента соответственно в исходной смеси и дистилляте, смеси

- концентрация легколетучего  компонента в паре, находящемся  в равновесии с исходной смесь,  смеси. 

    Концентрацию  легколетучего компонента в паре, находящемся в равновесии с исходной смесью, находим по графику: Диаграмма  равновесия между паром и жидкостью  при постоянном давлении, в координатах  (состав пара – состав жидкости), (Приложение А). Данные для графического изображения приведены в таблице 1.1 [3] 

    Таблица 1.1 - Равновесные составы жидкости и пара для ацетона и метанола при