Файл: Расчёт ректификационной установки непрерывного действия для разделения смеси этанолацетон.docx

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

Российский химико-технологический университет

имени Д.И. Менделеева

Кафедра процессов и аппаратов химической технологии

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

по дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии»

на тему «Расчёт ректификационной установки непрерывного действия ДЛЯ разделения смеси этанол-ацетон»

Москва, 2022

Содержание

---

Техническое задание

Рассчитать и спроектировать ректификационную установку непрерывного действия для разделения бинарной смеси «этанол-ацетон».

Исходные данные:

1. Производительность по исходной смеси 9 т/ч.

2. Температура исходной смеси 30°С.

3. Содержание легколетучего компонента:

а) в исходной смеси 25% мольных,

б) в дистилляте 90% мольных.,

в) в кубовой жидкости 1% мольных.

4. Тип колонны – тарельчатая.

5. Тип контактных элементов – ситчатые тарелки.

6. Хладагент в теплообменниках – вода

Температура воды на входе в теплообменники 20°С, на выходе – 30°С.

Введение

Одним из наиболее распространённых методов разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух и более числа компонентов, является ректификация.

Ректификация – процесс разделения жидкой гомогенной смеси летучих веществ, осуществляемый путём испарения части разделяемой жидкой смеси и последующей конденсации образующегося пара, с организацией массообмена между движущимися противотоком потоками жидкости и пара.

Необходимым условием для проведения процесса ректификации является различие составов кипящей жидкости и равновесного с ней пара. Это различие обусловлено разной летучестью компонентов, образующих смесь, в результате чего в паровую фазу переходит преимущественно легколетучие компоненты. Дополнительный контакт между фазами, организуемый при проведении процесса ректификации, приводит к массообмену, в результате которого паровая фаза обогащается, а жидкая фаза обедняется легколетучими компонентами.

Аппарат, в котором осуществляется процесс ректификации, называют ректификационной колонной.

Ректификационная колонна состоит из трёх основных элементов: куба-кипятильника, где производится испарение части разделяемой жидкой смеси; контактного устройства, представляющего собой цилиндрическую колонну и служащего для обеспечения массообмена между жидкой и паровой фазами; дефлегматора, где конденсируются поступающие из контактного устройства пары, часть которых отбирают в виде продукта (дистиллят), а другую часть направляют на орошение контактного устройства (флегма).

---

Контактное устройство – устройство, увеличивающее площадь поверхности контакта между жидкой и паровой фазами и, тем самым, интенсифицирующее массообмен между фазами.

Контактное устройство представляет собой цилиндрическую колонну, заполненную элементами насадки (насадочная колонна), либо снабжённую барботажными тарелками (тарельчатая колонна).

В тарельчатой колонне межфазная поверхность образуется за счёт барботажа пара через жидкость, в результате которого на тарелках образуется барботажный слой (пена), обладающий большой площадью поверхности контакта фаз.

Основные потоки в ректификационной установке (рис. 1): исходная смесь (обозначается индексом - F), кубовая жидкость (обозначается индексом - W), дистиллят (обозначается индексом - P), флегма (обозначается индексом - Ф).

Кубовая жидкость – жидкость, обогащённая высококипящими компонентами, отбираемая из куба ректификационной колонны в качестве нижнего продукта.

Дистиллят – часть образующегося в дефлегматоре конденсата, отбираемая в качестве верхнего продукта.

Флегма – часть образующегося в дефлегматоре конденсата, возвращаемая на орошение контактного устройства.

Кроме вышеперечисленных выделяют также потоки внутри самой колонны: нисходящий поток жидкости (обозначается индексом L) и восходящий поток пара (обозначается индексом G).

Ректификационная колонна разделяется на нижнюю (исчерпывающую) и верхнюю (укрепляющую) части.

К верхней части относится та часть контактного устройства, что находится выше точки ввода исходной смеси. Сама точка ввода исходной смеси и часть контактного устройства, находящаяся ниже этой точки, относятся к нижней части ректификационной колонны.

Ввод исходной смеси осуществляется на предназначенную для этого тарелку, называемую тарелкой питания. Тарелка питания присутствует как в тарельчатой, так и в насадочной колонне.

Верхняя часть колонны орошается потоком флегмы (L_В = Ф), нижняя часть суммарным потоком исходной смеси и флегмы (L_Н = F +Ф).


Рис.1. Основные потоки в ректификационной колонне

Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рис. 2.

Исходную смесь из 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.

---

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 . В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью состава , 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 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. 2. Принципиальная схема ректификационной установки

1 - ёмкость для исходной смеси; 2, 9 - насосы; 3 - теплообменник-подогреватель; 4 - кипятильник; 5- ректификационная колонна; 6 - дефлегматор; 7 - холодильник дистиллята; 8 - ёмкость для сбора дистиллята; 10 - холодильник кубовой жидкости; 11 - ёмкость для сбора кубовой жидкости

---

Расчёт диаметра ректификационной колонны

Пересчёт концентраций и материальный баланс колонны

Смесь: «Этанол-ацетон»

Условием заданы мольные доли НК-компонента в исходной смеси («F»), дистилляте («P») и кубовом остатке «W».

Мольная доля низкокипящего компонента в исходной смеси:



Мольная доля низкокипящего компонента в дистилляте:



Мольная доля низкокипящего компонента в кубовой жидкости:



Температуры кипения:





Низкокипящим («НК») компонентом смеси является ацетон;

высококипящим («ВК») компонентом – этанол.

Система уравнений материального баланса ректификационной колонны [1, с.228, ф. 6.1.]:



Молярные массы компонентов [2, с.13]:

низкокипящего (ацетон) –

высококипящего (этанол) – .

Расчёт массовых долей НК-компонента производится по формулам [1, с.228, формула 6.3.]:







Расчёт массовых расходов исходной смеси, дистиллята и кубовой жидкости:







Расчёт молярных масс исходной смеси, дистиллята и кубового остатка [1, с.230, ф. 6.6.]:

---