Расчет процесса ректификации бинарной смеси метиловый спирт- вода РРБС

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Казанский национальный исследовательский технологический университет

Кафедра инженерной экологии

 

 

 

 

 

 

 

Расчетная работа по курсу ПАЗОС №4

 

Расчет процесса ректификации бинарной смеси метиловый спирт- вода РРБС

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнили: студенты группы 1291-31

Ахмерова Г. Р.,

Зиганшина Г. Р.,

Куманеева А. И.,

Мирзаянова Г. А.

Проверил:

ассистент Савельев С.Н

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Казань, 2012 год

 

Задание

Рассчитать ректификационную колонну непрерывного действия для бинарной смеси метиловый спирт- вода. Разработать технологическую схему.

1. тип колонны – тарельчатая, тип тарелки - ситчатая;
2. исходная смесь перед подачей в колонну нагревается до температуры кипения насыщенным водяным паром давлением Р=0,4 МПа;
3. производительность по исходной смеси F = 8 кг/с;
4. содержание легколетучего компонента по массе в исходной смеси xf = 30% (мольн.), в дистилляте xp = 92% (мольн.), в кубовом остатке xw = 3% (мольн.) ;
5. давление в паровом пространстве дефлегматора 0,1 МПа ;
6. начальная температура охлаждающей воды t=22°С
7. температура исходной смеси t=25°С

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список условных обозначений и сокращений

 

кип – кипения (температура)

НК – низкокипящий компонент

опт – оптимальное (значение)

ср – среднее

н – нижняя (часть колонны)

в – верхняя

ж – жидкость

п – пар

м – метанол

в – вода

пр – предельная (скорость)

см – смесь

к – колонна

т – тарелка

ст – сухая тарелка

п – полная (высота)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

Стр.

Задание          2

Список условных обозначений и сокращений     3

Введение          5

1 Литературный обзор        6

2 Расчетно– технологическая часть      7

2.1 Расчет ректификационной установки     7

2.1.1 Материальный баланс колонны и определение рабочего

 флегмового числа        7

2.2 Технологический расчет       8

2.2.1 Определение объема пара  и жидкости, проходящих через  колонну 8

2.2.2 Расчет скорости пара и  диаметра колонны    10

2.2.3 Расчет высоты ректификационной  колонны    11

2.3 Расчет гидравлического сопротивления  колонны   12

3 Описание технологической схемы      14

Выводы          15

Список использованной литературы      16  Приложения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Ректификация – это процесс разделения бинарных или многокомпонентных паровых, а так же жидких смесей на практически чистые компоненты или их смеси, обогащенные легколетучими или тяжелолетучими компонентами; процесс осуществляется в результате контакта неравновесных потоков пара и жидкости.

Характерной особенностью процесса ректификации являются следующие условия образования неравновесных потоков пара и жидкости, вступающих в контакт: при разделении паровых смесей (жидкостное орошение) образуется путем полной или частичной конденсации уходящего после контакта потока пара, в то время как при разделении жидких смесей неравновесный паровой поток (паровое орошение) образуется путем частичного испарения уходящей после контакта жидкости. Вследствие указанных особенностей проведения процесса неравновесные потоки пара и жидкости, вступающие в контакт, находятся в состоянии насыщения, при этом пор более нагрет, нежели жидкость, и в нем содержится больше тяжелолетучих компонентов, чем в жидкости. После контакта пар обогащается легколетучими, а жидкость – тяжелолетучими компонентами за счет перераспределения компонентов между фазами.

Возможность разделения смесей при ректификации обусловлена различием относительных летучестей компонентов смеси. Физической основой разделения является двусторонний массообмен между неравновесными потоками пара и жидкости.

Для заданного разделения смесей используют ректификационные установки, основным элементом которых являются ректификационные и абсорбционные аппараты, представляющие собой ряд ступеней контакта, соединенных в противоточный разделительный каскад. Наиболее простое конструктивное оформление противоточного каскада достигается при движении жидкости от одной ступени контакта к другой под действием силы тяжести. В этом случае контактные устройства (тарелки) располагаются одно над другим, и разделительный аппарат выполняется в виде вертикальной колонны [1].

Сбор и утилизация газов дегазации конденсата связаны с большими энергетическими затратами, поэтому при больших объемах перерабатываемого конденсата применяют стабилизацию с использованием ректификационных колонн. Она имеет ряд преимуществ, в частности, энергия нестабильного конденсата рационально используется, полученный стабильный конденсат отличается низким давлением насыщенных паров и др.

Ректификационная стабилизация газового конденсата проводится чаще всего в двух или трех колоннах, что дает возможность, кроме газов стабилизации и стабильного конденсата, получить пропан– бутановую фракцию ( или пропан и бутан) . На современных установках обычно применяют комбинирование процессов сепарации и ректификации, что позволяет повысить технологическую гибкость процесса и уменьшить энергозатраты. [2]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Литературный обзор

 

Метанол— бесцветная жидкость с запахом, напоминающим запах этилового спирта, но более слабым. Температура кипения 64,7 С. Метанол смешивается во всех отношениях с водой, этиловым спиртом и эфиром. При смешивании с водой происходит сжатие и разогревание. Горит синеватым пламенем. Метиловый спирт— сильный растворитель, вследствие чего во многих случаях может заменять этиловый спирт. Метанол ( в отличие от этанола) с водой не образует азеотропной смеси, в результате чего смеси метанол— вода могут быть разделены ректификационной перегонкой. [3]

В настоящее время предельно–допустимой концентрацией принято считать: рабочей зоны – 5 мг/м3, максимально– разовая – 1 мг/м3, средне– суточная – 0,5 мг/м3.[4]

Метанол– яд, действующий на нервную и сосудистую системы. Токсическое действие метанола обусловлено так называемым « летальным синтезом» – метаболическим окислением в организме до очень ядовитого формальдегида. Прием внутрь 5– 10 мл метанола приводит к тяжелому отравлению( одно из последствий– слепота), а 30 мл и более приводит с смерти. Наиболее легкая форма отравления характеризуется  наличием головной боли, общей слабостью, недомоганием, ознобом, тошнотой, рвотой. Поэтому опасен для жизни не только метанол, но и жидкости, содержащие этот яд даже в сравнительно небольшом количестве.[3]

В настоящее время во многих видах сточных вод содержатся высокотоксичные вещества. Одним из таких веществ является метанол. Метанол - чрезвычайно токсичное вещество, представляющее опасность для природы. Поэтому его сброс вместе со сточными водами в окружающую среду недопустим.

В органической химии метанол используется в качестве растворителя. Метанол используется в газовой промышленности для борьбы с образованием гидратов( из-за низкой температуры замерзания и хорошей растворимости). В органическом синтезе метанол применяют для выпуска формальдегида, формалина, уксусной кислоты и ряда эфиров. Низкий уровень примесей метанола может быть использован в топливе существующих транспортных средств.

Вода– химическое вещество в виде прозрачной жидкости, не имеющей цвета, запаха и вкуса. В твердом состоянии называется льдом, снегом или инеем, а в газообразном– водяным паром. Около 71% поверхности покрыто водой. Является хорошим растворителем. В природных условиях всегда содержит растворенные вещества ( газы, соли). Вода имеет ключевое значение в создании и поддержании жизни на Земле, в химическом строении живых организмов, в формировании климата и погоды.[5]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Расчетно – технологическая часть

2.1 Расчет ректификационной установки

Расчет ректификационной установки ведется по методике, изложенной в [6].

 

   2.1.1 Материальный баланс колонны и определение рабочего флегмового числа

Производительность колонны по дистилляту P и кубовому остатку W определяем из уравнений материального баланса колонны:

F = P + W

 

Для дальнейшего расчета выразим концентрации исходной смеси, дистиллята и кубового остатка в мольных долях:

кмоль/кмоль,

где – молекулярные массы  метанола и воды соответственно, кг/кмоль.

Аналогично: кмоль/кмоль, кмоль/кмоль.

На основании справочных данных о температурах кипения, равновесных составах жидкости и пара при 0,1 МПа для рассматриваемой бинарной смеси строим кривую равновесия в координатах x – y (рис. 1)  и кривую температур кипения смеси (рис. 2).

Из диаграммы определяем уF* = 0,57.

На диаграмме наносим т. А с координатами и точку С с координатами кмоль/кмоль, а на кривой равновесия – точку с абсциссой .

Из точки С проводим через точку  прямую  до пересечения с ординатой. На оси ординат отсекается отрезок, равный   

Минимальное флегмовое число равно:

Рабочее флегмовое число:

 

 

2.2 Технологический расчет

 2.2.1 Определение объемов пара и жидкости, проходящих через колонну.

Определяем мольные массы жидкостей и паров, средние мольные и массовые концентрации жидкостей и паров в колонне

Средний мольный состав жидкости:

в верхней части колоны

в нижней части

Средняя мольная масса жидкости:

в верхней части колонны

в нижней части колонны

кг/кмоль

Мольная масса:

дистиллята

исходной смеси

кубового остатка

Средний мольный состав паров:

в верхней части колонны

кмоль/кмоль

в нижней части колонны

кмоль/кмоль

Средняя мольная масса паров:

в верхней части колонны

кг/кмоль

в нижней части

 кг/кмоль

Средняя плотность жидкости:

в верхней части колонны

Где 742 и 975- плотность метилового спирта и воды соответственно при =(68+82)/2=75 [8]

в нижней части колонны

,

Где 726 , 963 - плотности соответственно метилового спирта и воды при =(96+82)/2=89 [8]

Средняя плотность пара:

в верхней части колонны

в нижней части

Массовый расход жидкости:

в верхней части

в нижней части

Массовый поток пара:

в верхней части

в нижней части

 

 

 

 

2.2.2 Расчет скорости пара и диаметра колонны

Скорость паров в колонне:

  в верхней части колонны 

 

в нижней части колонны

Рабочая скорость равна:

 В верхней части колонны

В нижней части колонны

Ориентировочный диаметр верхней и нижней части колонны:

в верхней части колонны

В нижней части колонны

Принимаем ректификационную колонну с диаметром 2,2 м.[7]

При этом действительная рабочая скорость пара:

Выбираем ситчатую тарелку ТС-Р со следующими конструктивными размерами: диаметр 2,2 м, длина сливного патрубка 282 мм, свободное сечение колонны 3,8 , высота сливного порога 30 мм, диаметр отверстия 5 мм, рабочее сечение тарелки 3,478 .

Скорость пара в рабочем сечении тарелки м/с

2.2.3 Расчет высоты ректификационной колонны

Для расчета высоты колонны определяем число действительных тарелок на диаграмме x–y (рис. 1).

Для выбора к.п.д. тарелки воспользуемся обобщенным опытным графиком зависимости к.п.д. от произведения относительной летучести α на вязкость μ перегоняемой смеси.

Смесь в нижней части колонны:

При α*μсм = 3,421*0,2798*10-3 = 0,957*10-3 η1=0,49

Исходная смесь:

При α*μсм = 3,5566*0,3061*10-3 = 1,0886*10-3 η2=0,48

Смесь в верхней части колонны:

При α*μсм = 3,5*0,3717*10-3 =1,3*10-3 η2 = 0,45

Средний к.п.д:

ηт = (η1+η2+η3)/3 = (0,49+ 0,48  + 0,45)/3 =  0,473

Действительное число тарелок: . Принимаем 15 тарелок, 7 в верхней и 8 в нижней, питающая тарелка восьмая снизу.

Общая высота колонны:

,

где Нт – высота тарельчатой части, м; Нн=3м– высота нижней части колонны, м; Нв – высота верхней части колонны, м. Нв примем равной 2,42 м.

,

где h – расстояние между тарелками, примем h = 0.3 м.

м

 

2.3 Расчет гидравлического сопротивления колонны

Гидравлическое сопротивление тарельчатой колонны:

,

где – гидравлическое сопротивление одной тарелки верхней и нижней частей колонны.