Проектирование ректификационной установки для разделения смеси метиловый спирт - вода

Санкт-Петербургский  государственный технологический  институт

(Технический университет)

 

 

 

 

 

 

Кафедра процессов и  аппаратов                              Факультет             4

                                                                                     Курс                      3

                                                                                     Группа              474

 

 

 

Учебная дисциплина: Процессы и аппараты химической технологии

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

 

Тема: Проектирование ректификационной установки

 для разделения  смеси метиловый спирт - вода

 

 

 

 

 

 

 

Студент                                                                                        Бамм Е.М.

 

Руководитель                                                                              Банных О.П.

 

Оценка за курсовой проект

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2010 год

 

Содержание:

 

  Введение

1. Аналитический обзор
2. Технологическая часть
3. Инженерный расчет
1. Технологические расчеты
1. Материальный баланс нижней частях колонны

   3.1.2 Расчет расходов пара и жидкости в верхней и

   3.1.3 Расчет теплового баланса колонны

3.2 Выбор основного  конструктивного материала

3.3 Гидравлический расчет для  ректификационной колонны с решетчатыми  тарелками

3.4. Расчет высоты колонны

3.4.1. Определение кинетических параметров (коэффициент массоотдачи числа единиц переноса)

3.4.2 Коэффициент массопередачи

3.4.3. Локальная эффективность тарелки

3.4.4. Определение высоты и гидравлического  сопротивления колонны

3.5. Ориентировочный расчет теплообменников

3.5.1. Куб – испаритель

3.5.2. Подогреватель исходной смеси греющим паром

3.5.3. Дефлегматор водяной

3.5.4. Холодильник дистиллята

3.5.5. Холодильник кубового остатка

3.6. Подробный расчет  парового подогревателя исходной  смеси

Вывод

  Список использованной литературы

 

 

Введение

 

Ректификацию применяют  в химической, нефтеперерабатывающей, пищевой и других отраслях промышленности для разделения жидких смесей на технически чистые продукты. Этот метод основан  на различной летучести составляющих смесь компонентов, т.е. на различии в температурах кипения компонентов при одинаковом давлении. Процесс ректификации осуществляют в аппаратах – ректификационных колоннах. В промышленности наибольшее распространение получили тарельчатые ректификационные колонны с колпачковыми, ситчатыми, клапанными и решетчатыми тарелками.

Через ректификационную колонну противотоком движутся пар  и жидкость. Пар идет снизу вверх, жидкость стекает сверху вниз. На каждой тарелке колонны они вступают в контакт благодаря барботажу  – прохождению пузырьков и струек пара через слой жидкости на тарелке. Вследствие отсутствия термодинамического равновесия между паром и жидкостью при этом возникают процессы тепло- и массообмена, в результате которых состояние двухфазной системы приближается к равновесному. Пар становится богаче более летучим (низкокипящим), а жидкость – менее летучим (высококипящим). Температура пара падает, жидкости – возрастает.

Пар образуется в кубе-испарителе при кипении жидкости, стекающей  в него с нижней тарелки колонны. Концентрация легколетучего компонента как в жидкости, так и в образующемся при её кипении паре низкая. Из куба-испарителя пар поступает в колонну под нижнюю тарелку. По мере продвижения через тарелки пар все в большей степени обогащается легколетучим компонентом. С верхней тарелки пар уходит в конденсатор (дефлегматор), где он полностью конденсируется. Часть образовавшегося конденсата – жидкости с высокой концентрацией более летучего компонента поступает на верхнюю тарелку колонны. Эту жидкость называют флегмой. Остальную жидкость отбирают в качестве верхнего продукта – дистиллята. Флегма, стекая вниз по тарелкам, обедняется более летучим компонентом и приходит в куб-испаритель состоящей в основном из менее летучего компонента. Часть этой жидкости отбирают в качестве нижнего продукта – кубового остатка. Исходную бинарную смесь (питание) подают на одну из тарелок средней части колонны, на которой состав жидкости близок к составу питания.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный  процесс  разделения подаваемой в колонну исходной смеси состава X_F (G_F) на дистиллят G_D с высоким содержанием более летучего компонента X_D и кубовый остаток G_W с малой его концентрацией X_W. Концентрации X_D и X_W получаемых продуктов разделения зависят от числа тарелок в колонне и от режима ее работы.

Для обогрева испарителей  ректификационных колонн наиболее часто  применяют насыщенный водяной пар, реже – электронагрев, топочные газы и высокотемпературные органические теплоносители. Охлаждение дефлегматоров  производят чаще всего водой, реже – атмосферным воздухом.

 

1. Аналитический обзор

 

Когда необходимо разделить  бинарную смесь с очень близкими летучестями компонентов, то это  можно реализовать с помощью  обычной ректификации. Однако при  близких температурах кипения компонентов  кривая равновесия Y*=f(X) располагается весьма близко к диагонали, при этом число теоретических тарелок оказывается слишком большим, что приводит к экономически неоправданной высоте ректификационной колонны.

В таких случаях стараются  подобрать некий третий компонент (экстрагент), который обладал бы по отношению к разделяемым компонентам некоторым разделяющим свойством по-разному связываться с исходными компонентами – как бы «разводить» их по свойству летучести. При этом летучий компонент (на рис.1 компонент А) уходит в дефлегматор, а смесь второго компонента (В) с экстрагентом (С) выходит из куба-испарителя в качестве менее летучей смеси. Эту смесь разделяют в дополнительной ректификационной колонне. После отделения от компонента В экстрагент С вновь поступает в первую колонну.

Такая экстрактивная  ректификация может оказаться выгоднее по величине приведенных затрат, несмотря на необходимость иметь две ректификационные колонны , дополнительную затрату греющего пара в кубе-испарителе второй колонны  и на наличие некоторого количества экстрагента в разделяемых компонентах А и В.

Конкретным примером экстрактивной ректификации может  служить разделения нормального  бутана и псевдобутилена, разность температур кипения которых составляет 1.7ºС. Экстрагентом для этой смеси служит ацетон, связывающий в значительно большей степени псевдобутилен.

Смесь псевдобутилена с  ацетоном разделяется во второй колонне, из куба-испарителя которой ацетон снова направляется в первую колонну.

 

 

 

 

 

 

 

2. Технологическая часть

 

Описание технологической схемы:

Исходная смесь из промежуточной емкости Е1 центробежным насосом Н1 подается в подогреватель  питания П, где она нагревается  до температуры кипения. Нагретая смесь  поступает на разделение в ректификационную колонну КР на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси X_F.

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся  вверх паром, образующимся при кипении  кубовой жидкости в кипятильнике К. Начальный состав пара примерно равен  составу кубового остатка X_W, т.е. обеднен легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом  жидкостью (флегмой) состава X_D, получаемой в дефлегматоре Д путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения – дистиллята, который охлаждается в теплообменнике Х2 и направляется в промежуточную емкость Е3.

Из кубовой части  колонны непрерывно выводится кубовая  жидкость – продукт, обогащенный  труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике Х1 и направляется в емкость Е2.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный  процесс разделения исходной смеси (бинарной) на дистиллят (с высоким  содержанием легколетучего компонента) и кубовый (обогащенный труднолетучим компонентом).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Инженерный расчет

 

1. Технологические расчеты

 

Для расчета процесса ректификации прежде всего необходимо располагать данными о равновесии в системе жидкость-пар при  постоянном общем давлении: зависимостями температуры кипения от состава и состава пара от состава жидкости. В приложении приведены диаграммы t-x,y и x-y,y* для бинарной смеси этанол-вода.

 

1. Материальный баланс

 

Зная расход питания  и необходимые концентрации, определим  недостающие данные, т.е. производительность колонны по дистилляту и по кубовому остатку на основании уравнений материального баланса:

 

                                               (3.1) (3.2) (3.2а)

 

где G_F, G_D, G_W – массовые расходы исходной смеси, дистиллята и кубового остатка соответственно, кг/с;

X_F, X_D, X_W – массовая доля легколетучего компонента (метанола) в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке кгА/кг(А+В)

Из уравнения ( 3.2а) следует, что:

Находим массовые доли X_D и X_F по формуле:

                                                                                            (3.3)

где М_А, М_В – мольные массы метанола и воды (легколетучего и труднолетучего компонентов) соответственно, кг/кмоль;

X_D – мольная доля метанола в дистилляте, кмольА/кмоль(А+В);

 

= 0.835

                                                                                              (3.4)

 

 

где X_F – мольная доля метанола в питании, кмольА/кмоль(А+В).

 

= 0.568

                                                                                     (3.5)

М_А = 32 кг/кмоль

М_В = 18 кг/кмоль

 

 

Нагрузка ректификационной колонны  по пару и жидкости определяется рабочим  флегмовым числом. Для его расчета  используют приближенные вычисления по формуле:

R = 1.3 · R_min + 0.3             (3.6)

где R – рабочее флегмовое число;

       R_min – минимальное флегмовое число;

т.к. на кривой равновесия Y*=f(X) приведенной в приложении имеется впадина (большое отклонение от закона Рауля), то величину Rmin определяют по соотношению:

 

 

 

3.1.2 Расчет расходов пара и  жидкости в верхней и нижней  частях колонны

 

Найдем уравнения рабочих  линий:

а) для верхней (укрепляющей) части  ректификационной колонны:

 

                                                                                            (3.7)

 

 

б) для нижней (исчерпывающей) части  колонны:

                                                                                (3.8)

где F – относительный мольный расход питания.

                                                                                                        (3.9)

где G_F, G_D – мольные расходы питания и дистиллята, кмоль/с;

X_W – мольная доля метанола в кубовом остатке,кмольА/кмоль(А+В).

По формуле [1, с283] найдем:

 

 

Определим средние физические величины потоков пара и жидкости:

а) для жидкой фазы в  верхней и нижней частях колонны

   - мольные составы  Х_АВ и Х_АН:

                                                                                                  (3.10)

                                                                                                      (3.11)

   - массовые составы Х_АВ и Х_АН:

                                                                                              (3.12)

где  M_XB = M_A∙x_AB + M_B∙(1 - x_AB)

        M_XB = 32∙0.702 + 18∙(1 – 0.702) = 27.83 кг/кмоль

                                                                                                (3.13)

где  M_XН = M_A∙x_AН + M_B∙(1 - x_AН)

        M_XН = 32∙0.289 + 18∙(1 – 0.289) = 22.05 кг/кмоль

 

 

   - средние температуры t_ХВ и t_ХН определяем по диаграмме t-x,y при соответствующих значениях Х_АВ и Х_АН (в приложении):

 

t_XB = 69.26°C

t_XH = 78.41°C

 

   - плотности ρ_ХВ и ρ_ХН: