Расчет материального баланса

ВВЕДЕНИЕ

 

Данный курсовой проект ставит целью закрепление знаний, полученных при изучении курса ПАХТ. Его основой является расчет ректификационной установки для разделения смеси метанол-вода.

Процессы разделения жидких и газовых смесей играют важную роль во многих отраслях промышленности. Для осуществления процессов разделения жидких смесей применяют способы простой перегонки (дистилляции), перегонки под вакуумом и с водяным паром, ректификации, экстракции, адсорбции и т.д.

Ректификацию широко используют в промышленности для полного разделения смесей летучих жидкостей, частично или целиком растворимых одна в одной.

Сущность процесса ректификации сводится к выделению из смеси двух или более жидкостей с различными температурами кипения. Это достигается нагреванием и испарением такой смеси с последующим многократным тепло- и массообменом между жидкой и паровой фазами. Как следует из теории массообменных процессов, при контакте неравновесных паровой и жидкой фаз, в результате которого протекает процессы массо- и теплообмена, система достигает состояния равновесия. При этом происходит выравнивание температур и давлений в фазах и перераспределение компонентов между ними. Такой контакт называют идеальным, теоретическим.

Образованные в результате контакта паровая и жидкая фазы будут отличаться по составу от вступивших в контакт паровой и жидкой фаз. В итоге такого контакта паровая фаза обогатится НКК, а жидкость – ВКК, если жидкость, вступающая в контакт с паром, будет содержать больше НКК, чем жидкость, равновесная с этими парами. Если исходные пары и жидкость находились при одинаковом давлении, то для обеспечения этих условий требуется, чтобы температура вступающих в контакт жидкостей была бы ниже температуры паров. После контактирования температуры пара и жидкости выравниваются, так как система стремится к состоянию равновесия. Производя многократное контактирование, направляя после каждой ступени пары на смешение с жидкостью, более богатую НКК по сравнению с равновесной с этими парами жидкостью, а жидкость на контакт с паром, более бедными НКК, можно изменить составы фаз желаемым образом

Таким образом, процесс ректификации есть диффузионный процесс разделения жидких смесей, компоненты которых различаются по температурам кипения осуществляемой путем противоточного, многократного контактирования неравновесных паров и жидкостей.

 

ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС КОЛОННЫ

 

(7.13 [1]),

где - это расход теплоты в паровом подогревателе исходной смеси, Вт;

- это расход теплоты, получаемой в кубе-испарителя от греющего

пара, Вт;

- расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре - конденсаторе, Вт;

- количество тепла, уходящее из колонны вместе с кубовым остатком, Вт;

- количество тепла, уходящее из колонны вместе с дистиллятом, Вт;

- тепловые потери колонны в окружающую среду, Вт.

Из теплового баланса нужно рассчитать количество тепла, необходимое для подогрева кубового остатка в кипятильнике.

1. Количество тепла, уходящее из колонны вместе с дистиллятом:

(7.14 [1]),

где (из мат. баланса); (по графику);

- теплоемкость дистиллята.

(номограмма XI [1]),

(номограмма XI [1]).

.

2. Количество тепла, уходящее из колонны вместе с кубовым остатком:

(номограмма XI [1]).

3. Количество тепла, приходящее в колонну с сырьем:

(номограмма XI [1]),

(номограмма XI [1]).

4. Количество тепла, отдаваемое в дефлегматоре:

(7.15 [1]),

где - удельная теплота конденсации паров в дефлегматоре;

(табл. XLV [1]).

(табл. XLV [1]).

.

5. Расход теплоты получаемой в кубе-испарителе от греющего пара

(с учетом, что потери составляют 5%):

(7.14 [1]).

6. Количество тепла, необходимое для подачи в подогреватель сырья для нагрева сырья от 18 до температуры кипения () (с учетом, что потери составляют 5%):

7. Тепловые потери колоны в окружающую среду тогда:

8. Расход горячей струи:

где ― удельная теплота парообразования кубового остатка, Дж/кг; табл. XLV [1]

удельные теплоты парообразования взяты при температуре низа колонны t_н=94⁰С

9. Расход греющего пара с р_абс=1 кгс/см² и влажностью 5%

а) в кубе-испарителе:

стр. 360[1]

- удельная теплота конденсации греющего пара, Дж/кг;

б) в подогревателе исходной смеси:

Всего 1,816 кг/с или 6,538 т/ч

10. Расход охлаждающей воды при нагреве ее на 20⁰С

а) в дефлегматоре:

б) в водном холодильнике дистиллята:

в) в водяном холодильнике кубового остатка:

Всего 0,043 м³/с или 154,98 м³/ч

 

ПОДБОР ШТУЦЕРОВ

 

1. Для ввода сырья в колонну

(1.19 [1]),

принимаем скорость сырья

- плотность при вводе сырья в колонну (при )

(табл. IV[1]),

.

Принимаем штуцер по ОСТ 26 – 1404 – 76 по табл. 10.2 [4]

D = 0,05м

Скорость на входе сырья в колонну:

2. Для отвода жидкости из куба

Принимаем скорость

Принимаем штуцер по ОСТ 26 – 1404 – 76 по табл. 10.2 [4]

D = 0,1м

Тогда скорость .

3. Штуцер для вывода дистиллята

Принимаем скорость дистиллята

;

, принимаем штуцер по ОСТ 26 – 1404 – 76 по табл. 10.2 [4] с D = 0,4 м,

тогда .

 

4. Для возврата флегмы в колонну

Принимаем скорость флегмы

Принимаем штуцер по ОСТ 26 – 1404 – 76 по табл. 10.2 [4] при

D = 0,08м, тогда

5. Для ввода горячей струи в колонну

Принимаем скорость горячей струи

Принимаем штуцер по ОСТ 26 – 1404 – 76 по табл. 10.2 [4] D = 0,4м, тогда

.

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. – Л.: Химия, 1987. 576 с.

2. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию / Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под редакцией Ю.И. Дытнерского, 2 – е изд., перераб. и дополн. М.: Химия, 1991. – 496 с.

3. Машины и аппараты химических производств. Примеры и задачи/

И. В. Доманский, В. П. Исаков, Г. М. Островский, А. С. Решанов, В. Н. Соколов; Под ред. В. Н. Соколова. — Л.: Машиностроение, 1982. 384 с.

4. Лащинский А. А. Конструирование сварных химических аппаратов: Справочник. Л.: Машиностроение, 1981. 382 с.

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Данный курсовой проект ставит целью закрепление знаний, полученных при изучении курса ПАХТ. Его основой является расчет ректификационной установки для разделения смеси метанол-вода.

Процессы разделения жидких и газовых смесей играют важную роль во многих отраслях промышленности. Для осуществления процессов разделения жидких смесей применяют способы простой перегонки (дистилляции), перегонки под вакуумом и с водяным паром, ректификации, экстракции, адсорбции и т.д.

Ректификацию широко используют в промышленности для полного разделения смесей летучих жидкостей, частично или целиком растворимых одна в одной.

Сущность процесса ректификации сводится к выделению из смеси двух или более жидкостей с различными температурами кипения. Это достигается нагреванием и испарением такой смеси с последующим многократным тепло- и массообменом между жидкой и паровой фазами. Как следует из теории массообменных процессов, при контакте неравновесных паровой и жидкой фаз, в результате которого протекает процессы массо- и теплообмена, система достигает состояния равновесия. При этом происходит выравнивание температур и давлений в фазах и перераспределение компонентов между ними. Такой контакт называют идеальным, теоретическим.

Образованные в результате контакта паровая и жидкая фазы будут отличаться по составу от вступивших в контакт паровой и жидкой фаз. В итоге такого контакта паровая фаза обогатится НКК, а жидкость – ВКК, если жидкость, вступающая в контакт с паром, будет содержать больше НКК, чем жидкость, равновесная с этими парами. Если исходные пары и жидкость находились при одинаковом давлении, то для обеспечения этих условий требуется, чтобы температура вступающих в контакт жидкостей была бы ниже температуры паров. После контактирования температуры пара и жидкости выравниваются, так как система стремится к состоянию равновесия. Производя многократное контактирование, направляя после каждой ступени пары на смешение с жидкостью, более богатую НКК по сравнению с равновесной с этими парами жидкостью, а жидкость на контакт с паром, более бедными НКК, можно изменить составы фаз желаемым образом

Таким образом, процесс ректификации есть диффузионный процесс разделения жидких смесей, компоненты которых различаются по температурам кипения осуществляемой путем противоточного, многократного контактирования неравновесных паров и жидкостей.

 

РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА

 

Уравнение материального баланса составляем на основании задания:

производительность:

концентрации НКК (% масс.): .

Материальный баланс по потокам

(7.4 [1]),

где расход сырья, ; расход дистиллята, ; кубового остатка, .

Баланс по низкокипящему компоненту

(7.5 [1]),

где - массовая доля сырья, % масс.; - массовая доля НКК в дистилляте, % масс.; - массовая доля НКК в кубовом остатке, % масс.

11000 0,35= (11000 - ) 0,97 +

Для дальнейших расчётов необходимо перевести массовые концентрации НКК в мольные.

Сырье (питание):

(табл. 6.2 [1])

Дистиллят

Кубовый остаток

 

 

2. ПОСТРОЕНИЕ РАВНОВЕСНОЙ И РАБОЧЕЙ ЛИНИИ И ДИАГРАММЫ

 

 

Таблица 2. Экспериментальные данные смеси бензол - толуол по концентрации НКК в зависимости от температуры.

 

Мольная доля в жидкости (х)
Мольная доля в паре (y)		13,4		30,4	41,8	57,9	66,5	72,9	77,9	82,5		91,5	95,8
t,°C		96,4	93,5	91,2	87,7	81,7		75,3	73,1	71,2	69,3	67,5		64,5

 

По полученным данным строим графики x-y и t-x,y.

По графику определяем

Относительный мольный расход питания ([1] стр.320):

 

 

Определяем число флегмы по уравнению (7.10 [1]):

мольная доля метанола в паре, равновесном с жидкостью питания

 

Минимальное флегмовое число

Рабочее флегмовое число

(7.12 [1])

 

Уравнения рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части колонны

(стр. 352 [1])

Это уравнение характеризует прямую линию

б) нижней (исчерпывающей) части колонны

(стр. 352 [1])