Автор работы: Пользователь скрыл имя, 06 Апреля 2014 в 16:20, курсовая работа
В химической промышленности осуществляются разнообразные процессы, в которых исходные материалы в результате химического взаимодействия претерпевают глубокие превращения, сопровождающиеся изменением агрегатного состояния, внутренней структуры и состава вещества. Наряду с химическими процессами протекают физические и физико-химические процессы. К ним относятся: перемешивание жидкостей и твердых материалов, нагревание и охлаждение веществ, выпаривание растворов, сушка материалов и др.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра процессов и аппаратов химических производств
РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ
ЗАПИСКА
к курсовой работе
по курсу “Технологические процессы и аппараты отросли”
на тему:
"Расчет и проектирование ректификационной установки непрерывного действия для разделения бинарной смеси бензол – хлорбензол "
Разработал: студент 4 курса, 4 гр.
факультета ХТиТ
Боровой А.Ф.
МИНСК 2005
РЕФЕРАТ
Данная пояснительная записка содержит листов 43, рисунков 18, литературных источника 4.
Ректификационная колонна, хлорбензол-бензол, тарелка, теплообменник, дефлегматор, насос, дистиллят, кубовый остаток, флегма, кубового испарителя, холодильник кубового остатка, делитель флегмы.
В данной работе проведён краткий теоретический обзор разрабатываемого процесса, спроектирована ректификационная установка непрерывного действия для разделения бинарной смеси хлороформ-бензол, приведён её расчёт, подробный расчёт кубового испарителя, произведён подбор и расчёт вспомогательного оборудования. Также работа содержит описание технологической схемы установки разделения заданной смеси, обоснование выбора аппаратурного оформления.
В химической промышленности осуществляются разнообразные процессы, в которых исходные материалы в результате химического взаимодействия претерпевают глубокие превращения, сопровождающиеся изменением агрегатного состояния, внутренней структуры и состава вещества. Наряду с химическими процессами протекают физические и физико-химические процессы. К ним относятся: перемешивание жидкостей и твердых материалов, нагревание и охлаждение веществ, выпаривание растворов, сушка материалов и др.
Технология производства самых разнообразных химических продуктов и материалов (кислот, щелочей, солей, минеральных удобрений, красителей, полимерных и синтетических материалов и т.д. ) включает ряд однотипных физических и физико-химических процессов. Эти процессы в различных производствах проводятся в аналогичных по принципу действия машинах и аппаратах.
Процессы и аппараты, общие для различных отраслей химической технологии, получили название основных процессов и аппаратов. Одним из основных процессов является перегонка (ректификация) – процесс разделения жидких смесей, основанный на различии давления паров компонентов смеси.
К числу основных аппаратов относятся тарельчатые и насадочные колонны, широко применяемые не только для проведения процессов ректификации, но также для извлечения компонентов из газовых или паровых смесей жидким поглотителем, очистка газов от пыли и т.д.
Насосы и компрессоры, фильтры и центрифуги, теплообменники и сушилки также относятся к числу основных аппаратов и машин, которые в разных сочетаниях составляют типовое оборудование большинства химических производств.
В курсе “ Процессы и аппараты “ изучается теория основных процессов, принципы устройства и методы расчета аппаратов и машин, используемых для проведения этих процессов.
В этом курсе изучаются также закономерности перехода от лабораторных процессов и аппаратов к промышленным.
В науке о процессах и аппаратах изучается макрокинетика основных процессов химической технологии. При этом используются данные по микрокинетике, характеризуемой элементарными, независимо протекающими на молекулярном уровне процессами.
Таким образом, курс “ Процессы и аппараты “ является инженерной дисциплиной, представляющей собой важный раздел теоретических основ химической технологии.
Одним из основных процессов является ректификация. Ректификация известна с начала XIX века как один из важнейших технологических процессов. В настоящее время её 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 других различных веществ высокой чистоты ).
1.1. Теоретические основы ректификации
Достаточно высокая степень разделения однородных жидких смесей на компоненты может быть достигнута путем ректификации. Сущность процессов, из которых складывается ректификация, и получаемые при этом результаты можно проследить с помощью t - x - y -диаграммы (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Диаграмма фазового равновесия (t -x-y)
Нагрев исходную смесь состава х1 до температуры кипения получим находящийся в равновесии с жидкостью пар. Отбор и конденсация этого пара дают жидкость состава х2 обогащенную НК (х2 > х1). Нагрев эту жидкость до температуры кипения t2, получим пар, конденсация которого дает жидкость с еще большим содержанием НК, имеющую состав х3, и т. д. Проводя таким образом последовательно ряд процессов испарения жидкости и конденсации паров, можно получить в итоге жидкость (дистиллят), представляющую собой практически чистый НК.
Аналогично, исходя из паровой фазы, соответствующей составу жидкости х3, путем проведения ряда последовательных процессов конденсации и испарения можно получить жидкость, состоящую почти целиком из ВК.
В простейшем виде процесс многократного испарения можно осуществить в многоступенчатой установке, в первой ступени которой испаряется исходная смесь.
На вторую ступень поступает на испарение жидкость оставшаяся после отделения паров в первой ступени, в третьей ступени испаряется жидкость, поступившая из второй ступени и т. д. Аналогично может быть организован процесс многократной конденсации, при котором на каждую следующую ступень
поступают для конденсации пары, оставшиеся после отделения от них жидкости (конденсата) в предыдущей ступени.
При достаточно большом числе ступеней таким путем можно получить жидкую или паровую фазу с достаточно высокой концентрацией компонента, которым она обогащается. Однако выход этой фазы будет мал по отношению к ее количеству в исходной смеси. Кроме того, описанный способ отличается громоздкостью и большими потерями тепла в окружающую среду. Значительно более экономичное, полное и четкое разделение смесей на компоненты достигается в процессах ректификации, проводимых обычно в более компактных аппаратах – ректификационных колоннах.
Процесс ректификации осуществляется 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 компоненты перераспределяются между фазами: пар несколько обогащается НК, а жидкость — ВК. Многократное контактирование приводит к практически полному разделению исходной смеси.
Материальный баланс ректификационной колонны. Согласно схеме (рис.1.2), в колонну поступает F кмоль исходной смеси, состав которой Х мольных долей НК. Сверху из колонны удаляется G кмоль паров, образующих после конденсации флегму и дистиллят. Количество получаемого дистиллята Р кмоль, его состав Х мольных долей НК. На орошение колонны возвращается флегма в количестве Ф кмоль, её состав равен составу дистиллята. Снизу удаляется W кмоль остатка состава Х мольных долей НК.
Тогда уравнение материального баланса колонны будет иметь вид:
Рис. 1.2. Ректификационная колонна
1— колонна; 2 — куб; 3 — дефлегматор.
Поскольку
G=P+Ф,
то
F=P+W
Соответственно материальный баланс по низкокипящему компоненту
F*XF=P*XP+W*XW
Для получения уравнения рабочих линий используем общее для всех массообменных процессов уравнение
(1.5)
где L – расход жидкой фазы кг/сек; G – расход газовой фазы кг/сек; Х – текущая концентрация в жидкой фазе распределяемого компонента; – начальная концентрация в газовой фазе распределяемого компонента; – конечная концентрация распределяемого компонента в жидкой фазе.
Уравнение (1.5) может быть представлено также в ином виде, если воспользоваться материальным балансом по распределяемому компоненту
(1.8)
Укрепляющая часть колонны. Количество жидкости (флегмы), стекающей по этой части колонны
(1.9)
где R=Ф/P – флегмовое число, представляющее собой отношение количества флегмы к количеству дистиллята.
Количество паров, поднимающихся по колонне
(1.10)
Для верхней части укрепляющей части колонны состав паров yG=yP и, согласно принятому выше допущению, yG=xP . Следовательно, в данном случае yK=yP .
В том же сечении колонны состав жидкости (флегмы), поступающей из дефлегматора, xФ=xP , т.е. xН=xP . Подставляя значение L, G, yK, xK получим
(1.11)
(1.12)
Зависимость (1.12) является уравнением рабочей линии укрепляющей части колонны. В этом уравнении – тангенс угла наклона рабочей линии к оси абсцисс, а – отрезок, отсекаемый рабочей линией на оси ординат диаграммы x-y рис. 1.3.
Исчерпывающая часть колонны. Количество орошающей жидкости L в этой части колонны больше количества флегмы Ф, стекающей по укрепляющей части на количество исходной смеси, поступающей на питающую тарелку. Если обозначить количество питания, приходящегося на 1 кмоль дистиллята через f=F/P, то F=P∙f и количество жидкости, стекающей по исчерпывающей части колонны, составит
(1.13)
Количество пара, проходящего через нижнюю часть колонны, равно количеству пара, поднимающегося по верхней (укрепляющей) её части. Следовательно
(1.14)
Для низа колонны состав удаляющейся жидкости (остатка) xК=xw и, согласно допущению, состав поступающего сюда из кипятильника пара yн=yw=xw . Подставим значения и получим
(1.15)
Рис. 1.3. Построение рабочих линий ректификационной колонны на y— х-диаграмме
После приведения к общему знаменателю и сокращению подобных членов находим
(1.16)
Зависимость представляет собой уравнение рабочей линии исчерпывающей части колонны. В этом уравнении (R+f)/(R+1)=tgα =A – тангенс угла наклона рабочей линии к оси ординат, а (1-f)/(R+1)=B – отрезок, отсекаемый рабочей линией на оси абсцисс.
Умножив числитель и знаменатель выражений для А и B (для укрепляющей части колонны) на количество дистиллята Р, можно заменить, что они представляют собой отношение количеств жидкой и паровой фаз, или удельный расход жидкости, орошающей данную часть колонны.
Процессы ректификации осуществляются периодически или непрерывно при различных давлениях: при атмосферном давлении, под вакуумом (для разделения смесей ВК веществ), а также под давлением больше атмосферного (для разделения смесей, являющихся газообразными при нормальных температурах).
Рассмотрим, как реализуются указанные выше условия в ректификационных колоннах непрерывного действия (рис.1.4.), которые наиболее широко применяются в промышленности.
Ректификационная колонна 3 имеет цилиндрический корпус, внутри которого установлены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Снизу вверх по колонне движутся пары, поступающие в нижнюю часть аппарата из кипятильника 4, который находится вне колонны, т. е. является выносным (как показано на рисунке 1.4), либо размещается непосредственно под колонной.