Рассчитать и запроектировать насадочную ректификационную колонну для разделения бинарной смеси четыреххлористый углерод-толуол.

Введение.
Темой курсового проекта является разработка промышленной ректификационной установки для разделения смеси четыреххлористый углерод– толуол.
Ректификационная установка включает в себя подогреватель исходной смеси, ректификационную колонну с кипятильником и дефлегматором, холодильники кубового остатка и дистиллята. Ректификационная колонна представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат насадочного типа.
Кипятильник и дефлегматор подбираются выносными, что позволяет использовать стандартную аппаратуру с любой поверхностью теплообмена, обладающую относительно небольшим гидравлическим сопротивлением и обеспечивает удобство монтажа и обслуживания (замену, чистку и т.п.).
Проектируемая ректификационная установка должна обеспечивать получение дистиллята и кубового остатка в заданном количестве и заданного состава:
F = 6,1 т/ч; содержание легколетучего компонента в исходной смеси — 32% масс.; дистилляте - 85% масс.; кубовом остатке - 5 % масс).


Описание технологической схемы установки


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

Описание процесса

Исходную из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подают в холодильник кубовой жидкости 4, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 6 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 кипятильник 5.
Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка хw, т.е. обеднен легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состав хр, получаемой в дефлегматоре 7 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения – дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 8 и направляется в промежуточную емкость 9 .
Из кубовой части колонны насосом 3 непрерывно выводится кубовая жидкость-продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 4 и направляется в емкость 10.
Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный равновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента – четыреххлористого углерода) и кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом – толуолом).

Основные физико-химические свойства перерабатываемых веществ и получаемых продуктов:


ЧХУ
ТОЛУОЛ
Температура кипения при давлении 1 ата, оС
76,7
110,6
Молекулярная масса, г/моль
160
100
Стр 547
Плотность веществ

Вещество
Плотность ρ, кг/м3
ЧХУ
870
ТОЛУОЛ
1630

Динамические коэффициенты вязкости жидких веществ

Вещество
Динамический коэффициент вязкости μ, мПас (сП)
ЧХУ
1
ТОЛУОЛ
1,1

Динамические коэффициенты вязкости паров веществ:

Вещество
Динамический коэффициент вязкости , мкПас
ЧХУ
7,38
ТОЛУОЛ
8,38

Коэффициенты теплопроводности жидких веществ при различной температуре:

Вещество
Коэффициент теплопроводности λ, 103 Вт/(мК)

0 оС
20 оС
40 оС
60 оС
80 о С
ЧХУ
1,102
0,99
0,95
0,9
0,85
ТОЛУОЛ
0,12
0,115
0,109
0,105
0,102

Поверхностное натяжение жидких веществ при различной температуре:

Вещество
Поверхностное натяжение σ, 103 Н/м

0 оС
20 оС
40 оС
60 оС
80 о С
100 оС
120 оС
ЧХУ
29,5
26,9
24,5
22
19,6
17,3
15,1
ТОЛУОЛ
30,7
28,5
26,2
23,8
21,5
19,4
17,3


Удельная теплота парообразования:

Вещество
Удельная теплота парообразования r, (кДж/кг)

0 оС
20 оС
60 оС
100 оС
ЧХУ
218,3
213,7
201,9
185,6
ТОЛУОЛ
414,8
407,7
388,8
368,7



Расчет диаметра насадочной ректификационной колонны
Пересчет концентраций
Для дальнейших расчетов выражаем концентрации питания дистиллята и кубового остатка в мольных долях.
Xf=25% масс=0,23 кг толуол / кг смеси
Хр=95% масс=0,83 кг толуол / кг смеси
Xw=1% масс=0,014 кг толуол / кг смеси


Материальный баланс колонны.
Расчет материальных потоков в колонне проводится на основании уравнений материального баланса. Уравнения материального баланса колонны:

где:
1* F – расход исходной смеси кг/с;
2* W – расход кубового остатка кг/c;
3* P – расход дистиллята кг/c;
4* xF – концентрация легколетучего компонента в исходной смеси;
5* xW – концентрация легколетучего компонента в кубовом остатке;
6* xP – концентрация легколетучего компонента в дистилляте;
Решая систему этих уравнений, находим расход кубового остатка и дистиллята:




Расход питания — 6,1 т/ч
Содержание легколетучего компонента в:
исходной смеси — 32% масс.,
дистилляте - 85% масс.,
кубовом остатке - 5 % масс


Нахождение оптимального флегмового числа и расчет коэффициента избытка флегмы.
Находим оптимальное флегмовое число Rопт путем построения графиков зависимости y=f(x) и ntt*(Rtt+1)=f(Rt) (смотри страницы 6 – 7).
Для построения графика зависимости y=f(x) Используем таблицу «Равновесные составы жидкости и пара для системы четыреххлористый углерод - толуол при Р = 760 мм рт. ст.» на странице 5. По этим данным строим равновесную линию , затем проводим несколько предположительных рабочих линий и ищем с помощью графика ntt*Rопт=f(Rt) оптимальное значение флегмового числа.
Для построения графика зависимости ntt*(Rtt+1)=f(Rt) используем следующую таблицу:

№
Xp/(Rt+1)
Rt
ntt
ntt*(Rt+1)
1
0.242
2.88
20
77.6
2
0.219
3.29
17
74.8
3
0.209
3.5
15.86
71.37
4
0.192
3.9
15
73.5
5
0.166
4.66
13.86
78.45
6
0.134
6.02
12.8
89.86
Из графика равновесия вар-жидкость четыреххлористый углерод -толуол, приложение А, рисунок А.1 находят равновесную концентрацию пара четыреххлористого углерода при xF.
Получено значение =0.6835
Задавшись различными значениями коэффициентов избытка флегмы β, определяют флегмовые числа. Графическим посторением ступеней изменения концентраций между равновесной и рабочими линиями на диаграмме состав пара y – состав жидкости x находим n, приложение Б,
Результаты рабочего фрегмового числа представлены в Приложении В,
По графику определила оптимальное флегмовое число. Оно составило Rопт=3,5. Число теоретических ступеней составило ntt=15,86

Находим коэффициент избытка флегмы.

Для этого необходимо рассчитать минимальное флегмовое число:

Yf = 42%мольн. = 0,42 кмоль С3Н6О / кмоль смеси



Находим коэффициент избытка флегмы:




Средние нагрузки по жидкости и пару отдельно для верхней и нижней части колонны.
Определим массовые расходы жидкости для верхней и нижней частей колонны ил соотношения:




где:
Mp и Mf – мольные массы дистиллята и исходной смеси;
Mv и Mn – средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны;

Мольные массы:
Дистиллята: Mp=58*0,94+46*(1-0,94)=57,28 кг см/кмоль см
Исходной смеси: Mf=58*0,21+46*(1-0,21)=48,52 кг см/кмоль см
Кубового остатка: Mw=58*0,008+46*(1-0,008)=46,096 кг см/кмоль см

Средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны:
Mv=Мац*Хср.в.+Мсп*(1-Хср.в.)=58*0,575+46*(1-0,575)=52,9 кг см/кмоль см
Mn= Мац*Хср.н.+Мсп*(1-Хср.н.)=58*0,109+46*(1-0,109)=47,308 кг см/кмоль см

где:
Мац и Мсп – мольные массы четыреххлористого углерода и толуола соответственно;
Хср.в. и Хср.н. – средний мольный состав жидкости в верхней и нижней частях колонны.

Хср.в.=( Xf+ Хр)/2=(0,94+0,21)/2=0,575 кмоль ац/кмоль см
Хср.н.=( Xf+ Xw)/2=(0,21+0,008)/2=0,109 кмоль ац/кмоль см

Средние массовые расходы по жидкости:
Lv=1,17 кг см/сек
Ln=2,40 кг см/сек

Определим средние массовые потоки пара в верхней и нижней частях колонны:





где:
Gv и Gn – массовые потоки пара в верхней и нижней частях колонны;
M’v и M’n – средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны.

M’v=Мац*Уср.в.+Мсп*(1-Уср.в.)=58*0,655+46*(1-0,655)=53,86 кг/кмоль
M’n= Мац*Уср.н.+Мсп*(1-Уср.н.)=58*0,189+46*(1-0,189)=48,222 кг/кмоль

где:

Уср.в.=(Ур+Уf)/2=(0,94+0,37)/2=0,655 кмоль ац/кмоль см.
Уср.н.=(Уw+Уf)/2=(0,008+0,37)/2=0,189 кмоль ац/кмоль см.

Средние массовые расходы по пару:
Gv =1,52 кг/сек
Gn=1,33 кг/сек