Содержание
Введение
1. Общие сведения о ректификации
2. Свойства бинарной смеси
3. Материальный баланс колонны
3.1 Производительность колонны подистилляту и кубовому остатку
3.2 Расчет оптимального флегмовогочисла
4. Определение скорости пара и диаметраколонны
4.1 Определение скорости пара в колонне
4.2 Определение диаметра колонны
5. Гидравлический расчет тарелок
6. Определение числа тарелок и высотыколонны
6.1 Расчет к. п. д. тарелок
6.2 Расчет числа тарелок
7. Тепловой расчет установки
Заключение
Список использованной литературы
Задание на проектирование
Рассчитать ректификационную колонну непрерывного действия дляразделения бинарной смеси ацетон — вода по следующим данным:
1. Производительность по исходной смеси F=6 кг/с.
2. Содержание легколетучего компонента (в % (по массе)); в исходной смеси xF=35, в дистилляте xD=94,в кубовом остатке xW=2,5.
3. Давление в паровом пространстве дефлегматора 0,25 МПа.
4. Тип ректификационной колонны — тарельчатый, тип тарелки — ситчатый.
5. Исходная смесь перед подачей в колонну нагревается до температуры кипениянасыщенным водяным паром давлением 0,25 МПа.
/>Введение
Ректификация известна с начала XIX века как один из важнейшихтехнологических процессов главным образом спиртовой и нефтяной промышленности. Внастоящее время ректификацию все шире применяют в самых различных областях химическойтехнологии, где выделение компонентов в чистом виде имеет весьма важное значение(в производствах органического синтеза, изотопов, полимеров, полупроводников и различныхдругих веществ высокой чистоты).
Ректификационные установки по принципу действия делятся на периодическиеи непрерывные. В установках непрерывного действия разделяемая сырая смесь поступаетв колонну и продукты разделения выводятся из нее непрерывно. В установках периодическогодействия разделяемую смесь загружают в куб одновременно и ректификацию проводятдо получения продуктов заданного конечного состава [1].
При разработке ректификационной колонныс ситчатыми тарелками необходимо, как правило, решать задачи:
1) рассчитать материальный баланс колонны и определить рабочее флегмовое число;
2) анализ тепловых процессов, осуществляющихся в греющем паре куба колонны;
3) конструирование ректификационной колонны с ситчатыми тарелками.
/>1. Общие сведения оректификации
Ректификация — массообменный процесс разделения однородной смесилетучих компонентов, осуществляемый путем противоточного многократного взаимодействияпаров, образующихся при перегонке, с жидкостью, образующейся при конденсации этихпаров.
Разделение жидкой смеси основано на различной летучести веществ.При ректификации исходная смесь делится на две части: дистиллят — смесь, обогащеннуюнизкокипящим компонентом (НК), и кубовый остаток — смесь, обогащенную высококипящимкомпонентом (ВК).
Процесс ректификации осуществляется в ректификационной установкеосновным аппаратом, которой является ректификационная колонна, в которой пары перегоняемойжидкости поднимаются снизу, а навстречу парам стекает жидкость, подаваемая в видефлегмы в верхнюю часть аппарата.
Процесс ректификации может протекать при атмосферном давлении,а также при давлениях выше и ниже атмосферного. Под вакуумом ректификацию проводят,когда разделению подлежат высококипящие жидкие смеси. Повышенное давление применяютдля разделения смесей, находящихся в газообразном состоянии при более низком давлении.Атмосферное давление принимают при разделении смесей, имеющих температуру кипенияот 30 до 150°С.
Степень разделения смеси жидкостей на составляющие компонентыи чистота получаемых дистиллята и кубового остатка зависят от того, насколько развитаповерхность контакта фаз, от количества подаваемой на орошение флегмы и устройстваректификационной колонны.
В промышленности применяют тарельчатые, насадочные, пленочныетрубчатые и центробежные пленочные аппараты. Они различаются в основном конструкциейвнутреннего устройства аппарата, назначение которого — обеспечение взаимодействияжидкости и пара.
ацетон вода ректификационная колонна
Преимущественное использование тарельчатых колонн в процессахперегонки объясняется их значительно большей производительностью по сравнению снасадочными.
При выборе ректификационной колонны для проектируемого разделенияследует иметь ввиду, что тарельчатые колонны очень малого диаметра значительно дорожесоответствующих насадочных колонн, однако по мере увеличения диаметра стоимостьнасадочных колонн возрастает значительно быстрее. Приблизительно можно считать,что стоимость насадочной колонны растет пропорционально квадрату диаметра, а колпачковой- диаметру в первой степени. Следовательно, за пределами некоторого граничного значениядиаметра использование тарельчатых колонн должно быть более экономичным.
Длительный опыт промышленной эксплуатации насадочных колонн показалцелесообразность их использования при диаметрах не более 0,8 м. При дальнейшем увеличении диаметра насадочной колонны ухудшается равномерное распределение флегмыпо насадке, образуются каналы, по которым преимущественно устремляется флегма, иэффективность колонны резко снижается.
Наиболее распространены колпачковые тарельчатые колонны, хотяв последнее время получили преимущество ситчатые, клапанные, чешуйчатые и другиеболее эффективные виды барботажных устройств, главным назначением которых являетсямаксимальное развитие межфазного контакта, что способствует интенсификации массообменамежду парами и флегмой. Помимо этого выбор типа контактного устройства определяетсяи такими факторами, как экономия материала, стоимость, легкость изготовления, чисткии ремонта, стойкость к коррозии, малое падение напора при прохождении паров, широтадиапазона устойчивой работы тарелки [1].
Ректификационная колонна — аппарат, предназначенный для разделенияжидких смесей, составляющие которых имеют различную температуру кипения. Классическаяколонна представляет собой вертикальный цилиндр с контактными устройствами внутри.
Ректификация известна с начала XIX века как один из важнейшихтехнологических процессов главным образом спиртовой и нефтяной промышленности. Внастоящее время ректификацию все шире применяют в самых различных областях химическойтехнологии, где выделение компонентов в чистом виде имеет весьма важное значение(в производствах органического синтеза, изотопов, полимеров, полупроводников и различныхдругих веществ высокой чистоты).
В ректификационную колонну подаются пары перегоняемой жидкости.Они поднимаются снизу, а в режиме противотока навстречу парам идёт жидкость, сконденсировавшаясянаверху в холодильнике. В случае, если разгоняемый продукт состоит из двух компонентов,конечными продуктами являются дистиллят, выходящий из верхней части колонны и кубовыйостаток (менее летучий компонент в жидком виде, вытекающий из нижней части колонны).Ситуация усложняется, если необходимо разделить смесь, состоящую из большого количествафракций. В этом случае используются аппараты, подобные изображенному на картинке.
Ректификационные установки по принципу действия делятся на периодическиеи непрерывные. В установках непрерывного действия разделяемая сырая смесь поступаетв колонну и продукты разделения выводятся из нее непрерывно. В установках периодическогодействия разделяемую смесь загружают в куб одновременно и ректификацию проводятдо получения продуктов заданного конечного состава.
Промышленные ректификационные колонны могут достигать 60 метров в высоту и 6 метров диаметре. В ректификационных колоннах в качестве контактных устройств применяютсятарелки, которые дали название химическому термину, и насадки. Насадка, заполняющаяколонну, может представлять из себя металлические, керамические, стеклянные и другиеэлементы различной формы. Конденсация осуществляется на развитой поверхности этихэлементов. 2. Свойства бинарной смеси
1. Ацетон (диметилкетон, систематическое наименование: пропаноон-2)- простейший представитель кетонов. Формула: CH3-C (O) — CH3.Бесцветная легкоподвижная летучая жидкость с характерным запахом.Он полностью смешивается с водой и большинством органических растворителей. Ацетонхорошо растворяет многие органические вещества (ацетилцеллюлозу и нитроцеллюлозу, жиры, воск,резину и др.), а также ряд солей(хлорид кальция, иодид калия). Являетсяодним из метаболитов, производимых человеческим организмом. Мировое производствоацетона составляет более 3-х миллионов тонн в год. В промышленности получается напрямуюили косвенно из пропена.
Основную часть ацетона получают как сопродукт при получении фенолаиз бензола по кумольному способу. Алкилированиембензолапропеном, окислением полученного кумола догидропероксида с последующим разложением его на феноли ацетон.
C6H6+ CH3CH=CH2→ C6H5CH (CH3) 2
C6H5CH (CH3)2 + O2 → C6H5C (OOH) (CH3)2
C6H5C (OOH) (CH3)2 → C6H5OH + OC (CH3) 2
Прямым окислением пропена в жидкой фазе в присутствии PdCl2в среде растворов солей Pd, Cu, Fe при 50-120°C и 50-100 атм.
CH3CH=CH2 + PdCl2 + H2O→ CH3C (O) CH3 + Pd + 2HCl
Pd+2HCl + 0.5O2 → PdCl2 + H2O
Некоторое значение имеет метод брожения крахмала под действиемBacyllus acetobutylicus с образованием ацетона и бутанола. Метод характеризуется малыми выходами.Используется также методы получения из изопропилового спирта и ацетилена.
Ацетон является одним из наиболее реакционноспособных кетонов.Так, он один из немногих кетонов образует бисульфитное соединение
CH3C (O) CH3 + NaHSO3 →(CH3) 2C (OH) — SO3Na
Вступает в альдольную самоконденсацию под действием щелочей,с образованием диацетонового спирта.
2CH3C (O) CH3 →(CH3) 2C (OH) CH2C (O) CH3
Восстанавливается цинкомдо пинакона.
2CH3C (O) CH3 + Zn → (CH3) 2C (OH) C (OH) (CH3) 2
При пиролизе (700°C) образует кетен.
CH3C (O) CH3 → CH2=C=O
Легко присоединяет циановодород с образованием ацетонциангидрина.
CH3C (O) CH3 + HCN →(CH3) 2C (OH) CN
Атомы водорода в ацетоне легко замещаются на галогены. Под действием хлора (иода)в присутствии щёлочи образует хлороформ (йодоформ).
Ацетон, как и другие кетоны, в щелочной среде способен изомерироватьсяв пропаналь, последний — до пропенового спирта. В кислой среде и в присутствии ионовдвухвалентной ртути, пропеновый спирт изомерируется сразу в ацетон. Между этимивеществами всегда существует таутомерное равновесие:
CH3C (O) CH3 ↔ С2Н5СОН↔ СН2=С (ОН) — СН3
В крови в норме содержится 1-2 мг/100 мл ацетона, в суточномколичестве мочи — 0,01-0,03 г. При нарушениях обмена веществ, например, при сахарномдиабете, в моче и крови повышается содержание ацетона. Незначительная часть ацетонапревращается в оксид углерода (IV), который выделяется с выдыхаемым воздухом. Некотороеколичество ацетона выделяется из организма в неизменном виде с выдыхаемым воздухоми через кожу, а некоторое — с мочой.
Сырьё для синтеза многих важных химических продуктов: уксусного ангидрида, кетена,диацетонового спирта,окиси мезитила, метилизобутилкетона,метилметакрилата, дифенилпропана,изофорона, бифенола А и др.;
(CH3) 2CO + 2 C6H5OH→ (CH3) 2C (C6H4OH) 2+ H2O
2. Вода — оксид водорода — одно из наиболее распространенныхи важных веществ. Поверхность Земли, занятая водой, в 2,5 раза больше поверхностисуши. Чистой воды в природе нет, — она всегда содержит примеси. Получают чистуюводу методом перегонки. Перегнанная вода называется дистиллированной. Состав воды(по массе): 11,19 % водорода и 88,81 % кислорода.
Чистая вода прозрачна, не имеет запаха и вкуса. Наибольшую плотностьона имеет при 0° С (1 г/см3). Плотность льда меньше плотности жидкойводы, поэтому лед всплывает на поверхность. Вода замерзает при 0° С и кипит при100° С при давлении 101 325 Па. Она плохо проводит теплоту и очень плохо проводитэлектричество. Вода — хороший растворитель. Молекула воды имеет угловую форму атомыводорода по отношению к кислороду образуют угол, равный 104,5°. Поэтому молекулаводы — диполь: та часть молекулы, где находится водород, заряжена положительно,а часть, где находится кислород, — отрицательно. Благодаря полярности молекул водыэлектролиты в ней диссоциируют на ионы.
В жидкой воде наряду с обычными молекулами Н20 содержатсяассоциированные молекулы, т.е. соединенные в более сложные агрегаты (Н2О)x благодаря образованию водородных связей. Наличием водородных связеймежду молекулами воды объясняются аномалии ее физических свойств: максимальная плотностьпри 4° С, высокая температура кипения (в ряду Н20-Н2S — Н2Sе)аномально высокая теплоемкость [4,18 кДж/ (г К)]. С повышением температуры водородныесвязи разрываются, и полный разрыв наступает при переходе воды в пар.
Вода — весьма реакционноспособное вещество. При обычных условияхона взаимодействует со многими основными и кислотными оксидами, а также со щелочнымии щелочно-земельными металлами. Вода образует многочисленные соединения — кристаллогидраты.
Очевидно, соединения, связывающие воду, могут служить в качествеосушителей. Из других осушающих веществ можно указать Р205,СаО, ВаО, металлический Ма (они тоже химически взаимодействуют с водой), а такжесиликагель.
К важным химическим свойствам воды относится ее способность вступатьв реакции гидролитического разложения [].
Таблица 1. Равновесный состав смеси ацетон-водаx 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Азеотропная смесь t 60,3 72 80,3 82,7 84,2 85,5 86,9 88,2 90,4 94,3 100 - y 100 77,9 69,6 64,5 62,6 61,6 60,7 59,8 59 58,2 57,5 56,9 - /> />
Рис.1. Диаграмма t-x,y для смеси ацетон — вода.
/>3. Материальный балансколонны/>3.1 Производительность колонныпо дистилляту и кубовому остатку
Таблица 2. Температурыкипения и молекулярные массы разделяемых компонентов
tк, °С МВ, кг/кмоль ацетон 56
58 (МА) вода 100
18 (МВ)
Обозначим массовый расход дистиллята GD кг/с, кубового остатка через GW кг/с, тогда
/>, />
/>, />
Питание: />
Дистиллят: />
Кубовый остаток: />
Относительный мольный расход питания
/>
/>3.2 Расчет оптимальногофлегмового числа
/>
Рис.2. Кривые равновесия при П=760 мм рт. ст.:
1 — ацетон-вода; 2 — четыреххлористый углерод-ацетон.
Минимальное число флегмы
/>
Где />=0,76 — мольную долю ацетона в равновесномс жидкостью питания, определяем по диаграмме /> - х. Рабочее число флегмы
/>
Уравнения рабочих линий
а) верхней (укрепляющей) части колонны
/>
/>
б) нижней (исчерпывающей) части колонны
/>
/>
/>4. Определение скоростипара и диаметра колонны/>4.1 Определение скоростипара в колонне
Средние концентрации жидкости
а) в верхней части колонны
/>
б) в нижней части колонны
/>
Средние уравнения пара находим по уравнениям рабочих линий:
а) в верхней части колонны
/>
б) в нижней части колонны
/>
Средние температуры пара определяем по диаграмме t-x,y:
а) при /> />
б) при /> />
Средние мольные массы и плотности пара:
а) />
/>
б) />
/>
Средняя плотность пара в колонне
/>
Температура в верху колонны при xD=0,83равняется 57оС, а в кубе-испарителе при xW=0,008она равна 97оС.
Плотность жидкого ацетона при 57оС />, а воды при 97оС/>.
Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне
/>
Определяем скорость пара в колонне
/>,
где С — коэффициент, зависящий от конструкции тарелок, расстояниямежду тарелками, рабочего давления в колонне, нагрузки колонны по жидкости.
Объемный расход проходящего через колонну пара при средней температуре
/>
/>
Где МD — мольнаямасса дистиллята, равная:
/>/>4.2 Определение диаметраколонны
Диаметр колонны
/>
По каталогу-справочнику «Колонные аппараты» [4] D=800 мм. Тогда скорость пара в колонне будет
/>
По ОСТ 26-01-108-85 определяем:
Диаметр колонны — 800 мм.
Расстояние между тарелками — 300 мм.
Высота сливного порога — 25 мм.
Диаметр отверстия — 5 мм.
Шаг — 15 мм.
Исполнение — 1.
Материал для изготовления — углеродистая сталь ВСт3сп.
/>5. Гидравлическийрасчет тарелок
Принимаем следующие размеры ситчатой тарелки: диаметр отверстийd0=5мм, высота сливной перегородкиhп=25мм. Свободное сечение тарелки8% от общей площади тарелки. Площадь, занимаемая двумя сегментными переливными стаканами,составляет 20% от общей площади тарелки. Гидравлическое сопротивление тарелки вверхней и нижней части колонны по уравнению:
/>
а) Верхняя часть колонны. Гидравлическое сопротивление сухойтарелки
/>
где />=1,82 — коэффициент сопротивления неорошаемыхситчатых тарелок со свободным сечением 7 — 10%; /> - скорость пара в отверстияхтарелки. Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения
/>
где />=/>Н/м — поверхностное натяжениежидкости при средней температуре в верхней части колонны; dЭ=d0=0,005м.
Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке
/>
Высота парожидкостного слоя
/>
Величина Δh — высоту слоянад сливной перегородкой рассчитываем по формуле
/>
где VЖ — объемный расходжидкости, м3/с; П — периметр сливной перегородки, м;/> -отношение плотности парожидкостного слоя (пены) к плотности жидкости, принимаемоеприближенно равным 0,5.
Объемный расход жидкости в верхней части колонны
/>
где /> - средняя мольная масса жидкости.
Периметр сливной перегородки П находим, решая системууравнений
/>
/>
где R=0,2м — радиус тарелки;2/3Пb — приближенное значение площади сегмента.
Находим, что П=0,294м; b=0,064м.
/>
Высота парожидкостного слоя на тарелке
/>
Сопротивление парожидкостного слоя
/>
Общее гидравлическое сопротивление тарелки
/>
б) Нижняя часть колонны
/>
/>
/> при />
/>
/>
/>
/>
/>
Общее гидравлическое сопротивление тарелки в нижней части колонны
/>
Проверим, соблюдается ли при расстоянии между тарелками h=0,3м необходимое для нормальной работы тарелок условие
/>
Для тарелок в нижней части колонны, у которых гидравлическоесопротивление больше, чем у тарелок в верхней части
/>
Следовательно, вышеуказанное условие соблюдается:
Проверим равномерность работы тарелок — рассчитаем минимальнуюскорость пара в отверстиях />, достаточную для того, чтобы ситчатаятарелка работала всеми отверстиями
/>
Рассчитанная скорость />; следовательно, тарелки будут работатьвсеми отверстиями.
/>6. Определение числатарелок и высоты колонны/>6.1 Расчет к. п. д. тарелок
а) наносим на диаграмму у-х рабочие линии верхней и нижнейчасти колонны и находим ступени изменения концентрации nТ.В верхней части колонны />; в нижней части />, всего 8 ступеней.
Число тарелок рассчитываем по уравнению
/>
Для определения среднего к. п. д. тарелок /> находим коэффициентотносительной летучести разделяемых компонентов /> и динамический коэффициентвязкости смеси μ при средней температуре в колонне, равной 77oC. При этой температуредавление насыщенного пара ацетона />мм рт. ст., воды РВ=314,1мм рт. ст., откуда />. Динамический коэффициент вязкостиацетона при t=77oC равен0,2·10-3Па·с, воды 0,3702·10-3Па·с. Принимаем:
/>
Тогда:
/>
По графику находим />. Длина пути жидкости на тарелке
/>
По графику (рис.3) находим значение поправки на длину пути />. Среднийк. п. д. тарелок
/>
/>
Рис.3. Зависимость поправки Δ от длины пути жидкости натарелке l.
Для сравнения считаем средний к. п. д. тарелки /> по критериальнойформуле, полученной путем статистической обработки многочисленных опытных данныхдля колпачковых и ситчатых тарелок
/>
Предварительно рассчитаем коэффициент диффузии:
/>/>
В этом случае
/>; />;
/>; />/>.
Коэффициент диффузии
/>
Безразмерные комплексы
/>
/>
Средний к. п. д. тарелки
/> 6.2 Расчет числа тарелок
Число тарелок:
в верхней части колонны
/>
в нижней части колонны
/>
Общее число тарелок n=11, с запасомn=15, из них в верхней части колонны 9, а в нижней6 тарелок.
Высота тарельчатой части колонны
/>
Общее гидравлическое сопротивление тарелок
/>
/>7. Тепловой расчетустановки
Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе
/>
Здесь
/>
где rA и rВ — удельные теплотыпарообразования ацетона и воды при 77оС.
Расход теплоты, получаемой в кубе-испарителе от греющего пара
/>
Здесь тепловые потери Qпот. Принятыв размере 3% от полезно затрачиваемой теплоты; удельные теплоемкости взяты соответственнопри tD=57оС; tW=97оС; tF=67оС; температура кипенияисходной смеси tFопределена по рис.1.
Расход теплоты в паровом подогревателе исходной смеси
/>
Здесь тепловые потери приняты в размере 5%, удельная теплоемкостьисходной смеси /> взята присредней температуре />. Расходтеплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята.
/>
где удельная теплоемкость дистиллята /> взята при средней температуре
/>.
Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильникекубового остатка
/>
где удельная теплоемкость кубового остатка />взята при среднейтемпературе />.
Расход греющего пара, имеющего давление Pабс.=2,5МПа и влажность 5%: а) в кубе-испарителе
/>
где rГ.П. =2141·103Дж/кг — удельная теплота конденсации греющего пара;
б) в подогревателе исходной смеси
/>
Всего: 0,58+0,53=1,11 кг/с или 4,0 т/ч.
Расход охлаждающей воды при нагреве ее на 20оС
а) в дефлегматоре
/>
б) в водяном холодильнике дистиллята
/>
в) в водяном холодильнике кубового остатка
/>
Всего: 0,0208м3/с или 75м3/ч.
Заключение
Рассчитали ректификационную колонну для разделения смеси ацетон- вода подаваемый расход 6 кг/с, необходима колонна с диаметром D=800мм, высота тарельчатой части колонны 4,2м,общее гидравлическое сопротивление 0,05МПа с ситчатыми тарелками, количествокоторых 15 штук, расстояние между тарелками — 300мм, высота сливного порога- 25мм, диаметр отверстия — 5мм, при этих данных к. п. д. тарелки0,58 производительность дистиллята 0,87. Материал для изготовления колонны — углеродистаясталь ВСт3сп.
Список использованной литературы
1. Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии. — Л.: Химия, 1991. — 352с.
2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессови аппаратов химической технологии. — Л.: Химия, 2006. — 576с.
3. Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии.М.: Госхимиздат, 1962. — 546 с.
4. Электронный ресурс — spetsmashservis. narod.ru/katalog_kolon.html