Расчет насадочной ректификационной установки непрерывного действия для разделения смеси метанол-вода

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетно-образовательное  учреждение

Высшего профессионального  образования

Сибирский Государственный  технологический университет

 

 

Факультет химических технологий

Кафедра Промышленной экологии. Процессы и аппараты химических производств.

 

 

 

 

 

 

Курсовая  работа

 

На тему: «Расчет насадочной ректификационной установки непрерывного действия для разделения смеси метанол-вода».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Проверил: Воронин В.М.

Выполнил: Студент 4курса

 гр. 3207 Тарасов Р.Г.

 

 

 

 

 

 

 

 

Красноярск

2013

Реферат

 

 

В курсовом проекте приведены результаты разработки схемы ректификационной установки  непрерывного действия для разделения смеси метанол-вода производительностью 5,1 кг/с, давление в колонне 2,0 атм, тип колонны насадочная. Также произведен расчет вспомогательного оборудования: теплообменных аппаратов – кипятильника (куба-испарителя), дефлегматора, холодильника для дистиллята, холодильника для кубового остатка, подогревателя исходной смеси и расчет трубопроводов. Графическое оформление установки выполнено путем использования действующих ГОСТов, ОСТов и справочной литературы. 

Курсовой  проект содержит расчетно-пояснительную  записку из 41 страниц текста, 4 таблицы, 4 диаграмм, 5 литературных источников и графическую часть из 2 листов формата А1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оглавление

Реферат 2

Введение. 3

1. Схемы ректификационных установок для разделения бинарных смесей. 4

2. Схема расчета колонного аппарата. 6

Способы выражения фаз. 6

Материальный баланс процесса ректификации. 6

Построение диаграммы t-x,y и линии равновесия. 6

Построение рабочих линий. 7

Определение основных конструктивных размеров ректификационной колонны. 7

Тепловой баланс колонны. 8

Расчет теплообменных аппаратов. 8

3. Расчет ректификационной установки непрерывного действия. 9

Расчет насадочной колонны. 9

Расчет флегмового числа. 12

Определение скорости пара в колонне. 13

Определение высоты колоны. 19

Гидравлический расчет колонны. 27

4. Тепловой расчет ректификационной колонны. 29

Расчет тепловой изоляции колонны. 31

5. Расчет вспомогательного оборудования. 31

Расчет кипятильника (куба-испарителя). 31

Расчет дефлегматора. 34

Расчет холодильника для дистиллята. 35

Расчет холодильника для кубового остатка. 35

Расчет подогревателя исходной смеси. 36

6. Расчет трубопроводов. 37

7. Заключение 39

8. Список используемой литературы. 40

 

 

 

Введение.

 

 

Ректификация  – массообменный процесс, который  осуществляется в большинстве случаев  в противоточных колонных аппаратах  с контактными элементами (насадки, тарелки).

Сущность  процесса ректификации можно рассмотреть  на простом примере разделения двухкомпонентной смеси. При ректификации исходная смесь  делится на две части: часть, обогащенную  легколетучим компонентом, - дистиллят, и часть, обедненную легколетучим компонентом  – остаток. Обычно ректификационный аппарат состоит из двух частей, или ступеней – верхней и нижней, каждая из которых представляет собой  любым способом организованную поверхность  контакта фаз между паром и  жидкостью. Это означает, что сущность процесса ректификации можно характеризовать  как разделение жидкой смеси на дистиллят  и остаток в результате противоточного взаимодействия жидкости и пара.

  Нагрев исходную смесь состава х₁ до температуры кипения, получаем находящийся в равновесии с жидкостью пар. Отбор и конденсация этого пара дают жидкость состава х₂, обогащенную НК (низкокипящим компонентом). Нагрев эту жидкость до температуры кипения, получим пар, конденсация которого дает жидкость с еще большим содержанием НК, имеющую состав х₃, и т.д. Проводя таким образом последовательно ряд процессов испарения жидкости и конденсации паров, можно получить в итоге жидкость (дистиллят), представляющую собой практически чистый НК.

Аналогично, исходя из паровой фазы, соответствующей  составу жидкости х₄, путем проведения ряда последовательных процессов конденсации и испарения, можно получить жидкость (остаток), состоящую почти целиком из ВК (высококипящего компонента).

В простейшем виде процесс многократного испарения  можно осуществлять в многоступенчатой установке, в первой ступени которой  испаряется исходная смесь. На вторую ступень поступает на испарение жидкость, оставшаяся после отделения паров в первой ступени, в третьей ступени испаряется жидкость, поступившая из второй ступени (после отбора из последней паров), и т.д. Аналогично может быть организован процесс многократной конденсации, при котором на каждую следующую ступень поступают для конденсации пары, оставшиеся после отделения от них жидкости (конденсата) в предыдущей ступени.

При достаточно большом числе ступеней таким  путем можно получить жидкую или  паровую фазу с достаточно высокой  концентрацией компонента, которым  она обогащается. Однако выход этой фазы будет мал по отношению к  ее количеству в исходной смеси. Кроме  того, описание установки отличается громоздкостью и большими потерями тепла в окружающую среду.

Значительно более экономичное, полное и четкое разделение смесей на компоненты достигается  в процессах ректификации, проводимых обычно в более компактных аппаратах  – ректификационных колоннах.

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).

1. Схемы ректификационных установок  для разделения бинарных смесей.

 

 

Ректификационная  колонна 1 имеет цилиндрический корпус, внутри которого установлены контактные устройства в виде тарелок или  насадки. Снизу вверх по колонне  движутся пары, поступающие в нижнюю часть аппарата из кипятильника 2, который  находится вне колонны, т.е. является выносным, либо размещается непосредственно  под колонной. Следовательно, с помощью  кипятильника создается восходящий поток пара. Пары проходят через  слой жидкости на нижней тарелке, которую  считают первой, ведя нумерацию тарелок  условно снизу вверх.

Пусть концентрация жидкости на первой тарелке равна  х₁ ( по низкокипящему компоненту), а ее температура t₁. В результате взаимодействия между жидкостью и паром, имеющем более высокую температуру, жидкость частично испаряется, причем в пар переходит преимущественно НК. Поэтому на следующую (вторую) тарелку поступает пар с содержанием НК у₁ > х₁.

Испарение жидкости на тарелке происходит за счет тепла конденсации пара. Из пара конденсируется и переходит  в жидкость преимущественно ВК, содержание которого в поступающем на тарелку  паре выше равновесного с составом жидкости на тарелке.  При равенстве  теплот испарения компонентов бинарной смеси для испарения 1 моль НК необходимо сконденсировать 1 моль ВК. т.е. фазы на тарелке обмениваются эквимолекулярными количествами компонентов.

На второй тарелке жидкость имеет состав х₂, содержит больше НК, чем на первой (х₁  > х₂), и соответственно кипит при более низкой температуре (t₁< t₂). Соприкасаясь с ней, пар состава у₁ частично конденсируется, обогащаясь НК и удаляется на вышерасположенную тарелку, имея состав у₂ > х₂, и т.д.

Таким образом пар, представляющий собой на выходе из кипятильника почти чистый ВК, по мере движения вверх все более обогащается низкокипящим компонентом и покидает тарелку колонны в виде почти чистого НК, который практически полностью переходит в паровую фазу на пути пара от кипятильника до верха колонны.

Пары конденсируются в дефлегматоре 3, охлаждаемом водой, и получаемая жидкость разделяется  в делителе 4 на дистиллят и флегму, которая направляется на верхнюю  тарелку колонны. Следовательно, с  помощью дефлегматора в колонне  создается нисходящий поток жидкости. Жидкость, поступающая на орошение колонны (флегмы), представляет собой почти чистый НК. однако, стекая по колонне  и взаимодействуя с паром, жидкость все более обогащается ВК, конденсирующимся из пара.

Когда жидкость достигает нижней тарелки, она становится практически чистым  ВК и поступает  в кипятильник, обогреваемый глухим паром или другим теплоносителем.

На некотором  расстоянии от верха колонны к  жидкости из дефлегматора  присоединяется исходная смесь, которая поступает  на так называемую питающую тарелку  колонны. Для того чтобы уменьшить  тепловую нагрузку кипятильника, исходную смесь обычно предварительно нагревают  в подогревателе 5 до температуры  кипения жидкости на питающей тарелке.

Питающая  тарелка как бы делит колонну  на две части, имеющие различное  назначение. В верхней части 1а (от питающей до верхней тарелки) должно быть обеспечено, возможно большее укрепление паров, т.е. обогащение их НК с тем, чтобы в дефлегматор направлялись пары, близкие по составу к чистому НК. Поэтому данная часть колонны называется укрепляющей. В нижней части 1б (от питающей до нижней) необходимо в максимальной степени удалить из жидкости НК, т.е. исчерпать жидкость для того, чтобы в кипятильник стекала жидкость, близкая по составу к  чистому ВК. Соответственно эта часть колонны называется исчерпывающей.

В дефлегматоре 3 могут быть сконденсированы либо все пары, поступающие из колонны, либо только часть их, соответствующая  количеству возвращаемой в колонну  флегмы. в первом случае часть конденсата, остающаяся после отделения флегмы, представляет собой дистиллят (ректификат), или, верхний продукт, который после охлаждения в холодильнике 6 направляется в сборник дистиллята 9. Во втором случае несконденсированные в дефлегматоре пары одновременно конденсируются и охлаждаются в холодильнике 6, который при таком варианте работы служит конденсатором-холодильником дистиллята.

Жидкость, выходящая из низа колонны (близкая  по составу ВК), также делится  на две части. Одна часть, как указывалось, направляется в кипятильник, а другая – остаток (нижний продукт) после  охлаждения водой в холодильнике 7 направляется в сборник 8.

 На  рисунке приведена лишь принципиальная  схема непрерывно действующей  ректификационной установки. Такие  установки оснащаются необходимыми  контрольно-измерительными и регулирующими  приборами, позволяющими автоматизировать  их работу и проводить процесс  с помощью программного управления  в оптимальных условиях. путем автоматического регулирования сводятся к минимуму колебания количества, состава и температуры исходной смеси, давления и расхода греющего пара и расхода охлаждающей воды.

2. Схема расчета колонного  аппарата.

 

Способы выражения  фаз.

 

При расчете  процессов ректификации составы  жидкостей задаются в массовых долях  или процентах, а для практического  расчета необходимы также составы  жидкости и пара, выраженные в мольных  долях или процентах.

Пересчет  массовых долей НК А в мольные в жидкой фазе х_А  проводят по следующей формуле

              (1.1)

Пар, равновесный  с жидкостью состава х, имеет состав в мольных долях у^*, определяемый по соотношению

                                (1.2)

Для двухкомпонентной смеси, когда её оба компонента следуют  закону Рауля, мольную долю НК в паровой  фазе, равновесной с жидкостью, у*_А можно определить по уравнению

        (1.3)

Материальный баланс процесса ректификации.

 

Материальный  баланс, основанный на законе сохранения массы вещества, составляется для  определения расходов материальных потоков по всему количеству вещества и НК.

Материальный  баланс для всей колонны

G_F = G_D + G_W                                                       (1.4)

Материальный  баланс по Нк

                          (1.5)

Построение диаграммы  t-x,y и линии равновесия.

 

Для построения диаграммы t-x,y и линии равновесия предварительно выписываются из справочника данные по изменению концентраций паровой и жидкой фаз при различных температурах. Для расчета процесса ректификации строится график изменения составов жидкости и пара в зависимости от температуры.

С помощью  этого графика можно определить температуру жидкости и пара любого состава и, наоборот, найти составы  жидкости и пара при заданной температуре.

Построение рабочих  линий.