Расчет ректификационной колонны для разделения смеси "метиловый спирт - вода"

 

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

Кафедра «Процессы и аппараты химической технологии»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

РАСЧЕТ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСИ  «МЕТИЛОВЫЙ СПИРТ – ВОДА»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

       Студентка IV-ХТ-1                                                               Н.А. Филиппова

      Преподаватель                                                                     А. А. Скороход 

 

Самара 2011

Содержание

 

1. Введение…………………………………………………………………….3

2. Краткое описание технологической  схемы………………………………4

3. Описание конструкции  колонны и обоснование ее выбора…………….5

4. Аппаратурно-технологический  расчет…………………………………...7

5. Гидравлический расчет  тарелки и определение 

сопротивления колонны……………………………………………………..18

6. Список использованной  литературы…………………………………….29

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ВВЕДЕНИЕ

 

Ректификация  — массообменный процесс разделения однородной смеси летучих компонентов, осуществляемый путем противоточного многократного взаимодействия паров, образующихся при перегонке, с жидкостью, образующейся при конденсации этих паров.

Разделение  жидкой смеси основано на различной  летучести веществ. При ректификации исходная смесь делится на две  части: дистиллят — смесь, обогащенную  низкокипящим компонентом (НК), и кубовый  остаток — смесь, обогащенную  высококипящим компонентом (ВК).

Процесс ректификации осуществляется в ректификационной установке, основным аппаратом которой является ректификационная колонна, в которой пары перегоняемой жидкости поднимаются снизу, а навстречу парам стекает жидкость, подаваемая в виде флегмы в верхнюю часть аппарата.

Процессы  ректификации осуществляются периодически или непрерывно при различных  давлениях: при атмосферном давлении, под вакуумом (для разделения смесей высококипящих веществ), а также  под давлением больше атмосферного (для разделения смесей, являющихся газообразными при нормальных температурах).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ  СХЕМЫ

Технологическая схема представлена на рис 2.1.

Рис. 2.1

Смесь «метиловый спирт –  вода» прокачивается насосом  Н-1 и  нагревается в теплообменнике Т-1, затем поступает в ректификационную колонну К-1, где происходит разделение смеси.

С верха колонны К-1 отводятся  пары метилового спирта. Конденсация паров метилового спирта происходит в аппарате воздушного охлаждения АВО-1 и в водяном холодильнике ВХ-1. В емкости Е-2 происходит разделение метилового спирта и газов. Метиловый спирт насосом Н-2  подается на орошение верха колонны.

С низа колонны насосом  Н-3 отводится вода.

Для подогрева низа колонны  вводят  водяной пар.

 

 

 

 

3. ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ  КОЛОННЫ И ОБОСНОВАНИЕ ЕЕ ВЫБОРА

В данном курсовом проекте  в качестве контактных устройств  выбраны ситчатые тарелки.

Наиболее  универсальны колонны с колпачковыми тарелками, но при разделении незагрязненных жидкостей в установках с постоянной нагрузкой, хорошо зарекомендовали  себя аппараты с ситчатыми тарелками.

Ситчатые  тарелки отличаются простотой устройства, легкостью монтажа, осмотра и ремонта. Гидравлическое сопротивление этих тарелок невелико. Ситчатые тарелки устойчиво работают в довольно широком интервале скоростей. Ситчатые тарелки применяют главным образом при ректификации спирта и воздуха.

Общий вид аппарата и его отдельные  детали  приведен на рис. 3.1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Общий вид аппарата и отдельные  детали

Рис. 3.1

4. АППАРАТУРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ  РАСЧЕТ

4.1 Материальный баланс  колонны

Массовый расход получаемых дистиллята G_D и кубового остатка G_R  определяется из уравнения материального баланса колонны по низкокипящему компоненту:

                                              (1)                                                                        

                                              (2)

Проверка:                                                                 

Массовый расход каждого  компонента в  дистилляте G_iD , в сырье G_iF и кубовом G_iR продукте находится по формулам (3) – (5):

                                         (3)                                                                                 

                                         (4)

                                         (5)                                                                                 

Проверка:

Мольные расходы метилового спирта и воды в сырье, дистилляте и кубовом остатке рассчитываются по формулам (6) - (8):

                                                    ₍₆₎

                                                  ₍₇₎

                                                 ₍₈₎

_{Проверка:}

Мольные доли метилового спирта и воды в сырье, дистилляте и кубовой  жидкости определяются по формулам (9) – (11):

                                                       (9)

                                                  (10)

                                                (11)

Проверка:

Материальный баланс колонны  представлен в табл.4.1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 4.1

Материальный баланс колонны

компоненты	Молярная масса М, кг/кмоль	Сырье				Дистиллят				Кубовый остаток
		Массовый расход GiF, кг/ч	Массовая доля хiF	Мольный расход NiF, кг/кмоль	Мольная доля хiF	Массовый расход GiD, кг/ч	Массовая доля хiD	Мольный расход NiD, кг/кмоль	Мольная доля хiD	Массовый расход GiR, кг/ч	Массовая доля хiR	Мольный расход NiR, кг/кмоль	Мольная доля хiR
Метиловый Спирт	32	7500	0,5	234,3	0,36	7354,8	0,95	229,8	0,91	145,2	0,02	4,5	0,01
Вода	18	7500	0,5	416,7	0,64	387,1	0,05	21,5	0,09	7112,9	0,98	395,2	0,99
Сумма		15000	1,0	651	1,0	7714,9	1,0	251,3	1,0	7258,1	1,0	399,7	1,0

 

4.2 Определение давления  в колонне

 

В верхнем продукте содержится 91% (мольных) метанола, поэтому температура кипения такой смеси не будет значительно отличаться от температуры кипения чистого метанола, которая при атмосферном давлении составляет 64,5°C. В этом случае в дефлегматоре для конденсации паров, поступающих с верха колонны, можно использовать воду. При этом нет необходимости значительно повышать давление  в колонне по сравнению с атмосферным. В тоже время температура кипения смеси в кубе колонны не может значительно отличаться от температуры кипения высококипящего компонента – воды, так как содержание воды в кубовом продукте составляет 99% (мольных). Следовательно, температура в кубе колонны будет близкой к 100°C.

Поскольку при давлении в  колонне, близком к атмосферному, обеспечиваются приемлемые значения температур верха и куба колонны, целесообразно  принять давление наверху колонны π_В несколько больше атмосферного для преодоления гидравлических сопротивлений в шлемовой трубе и дефлегматоре.

Принимаем давление верха колонны π_в=112кПа; число реальных тарелок в верхней части колонны n=9, в нижней части колонны – m=9; гидравлическое сопротивление тарелок в верхней части , в нижней части . Тогда давление в зоне питания π_з.п и в нижней части колонны π_Н в соответствии с формулами (12) – (13) составит:

                                               (12)

                                             (13)

4.3. Построение диаграммы  фазового равновесия в координатах  у-х

Для системы метиловый  спирт – вода равновесные составы  паровой и жидкой фаз и температура  кипения смесей при давлении π=101кПа  представлены в таблице 4.2.[1, с.26].

Таблица 4.2

Равновесные составы жидкости и пара при давлении π=101 кПа

t,°C	х	У
100	0	0,0
88,10	10	42,2
82,12	20	58,1
78,28	30	66,2
75,57	40	73,3
73,50	50	78,7
71,52	60	83,1
69,70	70	87,6
67,97	80	92,0
66,27	90	96,2
64,59	100	100,0

 

По данным табл.4.2 строятся диаграммы фазового равновесия в  координатах у-х (см. рис.4.1) и t-х,у (рис.4.2).

Диаграмма фазового равновесия бинарной смеси метиловый спирт  – вода в координатах у-х

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4.1

Изобарные температурные  кривые кипения и конденсации  смеси метиловый спирт – вода

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4.2

Давления в верху и внизу колонны отличаются от давления в зоне питания незначительно, поэтому по изобарным температурным кривым кипения и конденсации с достаточной точностью можно определить температуры в зоне питания t_F, наверху t_D, и в кубе t_R колонны.

Так как сырье поступает  в колонну при температуре  кипения (е=0), температура в зоне питания   t_F=76,5°C, температура в кубе колонны t_R=99°С, температура верха колонны t_D=68°C.

 

4.4 Определение числа теоретических  тарелок в колонне

Минимальное флегмовое число R_min рассчитывается по уравнению:

                                                  (14)

Определение концентрации низкокипящего  компонента в паре, равновесном с жидкостью, показано на рис 4.2.

Для определения оптимального флегмового числа R_опт находится минимум функции f ( R) в соответствии с уравнением (15) и рис. 4.3.

                                          (15)

где n_Т – число теоретических тарелок в колонне.

 

Определение числа теоретических  тарелок в колонне

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.4.3

Значение флегмового числа определяется из соотношения:

                                                   (16)

где β – коэффициент  избытка флегмы (1,2-2,5).

Расчет оптимального флегмового числа приведен в табл. 4.3.

Таблица 4.3

Расчет оптимального флегмового числа

β	1,25	1,5	1,75	2,0
Rопт	0,93	1,1	1,3	1,5
nT	7	8	7	6
nT(R+1)	13,5	16,8	16,1	15