Расчет насадочной ректификационной установки непрерывного действия для разделения смеси метанол-вода
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное
государственное бюджетно-
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
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
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
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 хА проводят по следующей формуле
(1.1)
Пар, равновесный с жидкостью состава х, имеет состав в мольных долях у*, определяемый по соотношению
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
GF = GD + GW (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.
Колонну
непрерывного действия от места ввода
исходной смеси делят на две части:
верхняя часть колонны
Для каждой
части колонны существует уравнение,
характеризующее соотношение
Для укрепляющей (верхней) части колонны уравнение рабочей линии имеет вид
(1.6)
Для исчерпывающей (нижней) части колонны уравнение рабочей линии имеет вид
(1.7)
Для определения рабочего флегмового числа R нужно знать минимальное флегмовое число. если кривые равновесия бинарных смесей выпуклы и не имеют впадин, то минимальное флегмовое число можно рассчитать по формуле
Оптимальным флегмовым числом считается такое число, которое соответствует минимуму функции
После определения оптимального флегмового числа приступают к графическому построению рабочих линий.
Определение основных конструктивных размеров ректификационной колонны.
Основными
конструктивными размерами
Диаметр колонны D, м, определяется в зависимости от скорости и количества поднимающихся по колонне паров
(2.61)
Для
насадочных колонн высота
Требуемая высота слоя насадки НН, м, определяется по формуле
Общую высоту насадочной ректификационной колонны Нк, м, определяют по уравнению
Тепловой баланс колонны.
Тепловой
баланс ректификационной колонны составляется
для определения расхода
Расход теплоты, получаемой кипящей жидкостью от конденсирующего пара в кубе-испарителе колонны QК, Вт, определяется по формуле
(1.24)
Значение теплоемкости смеси жидкости с, Дж/кг·К, определяют по формуле
Количество
теплоты, отнимаемой охлаждающей водой
от конденсирующегося в
где rD – удельная теплота конденсации дистиллята, Дж/кг, определяемая по правилу аддитивности
Расход греющего пара Gгр.п, кг/с, определяется по уравнению
Расчет теплообменных аппаратов.
Один
из теплообменных аппаратов
3. Расчет ректификационной
установки непрерывного
Рассчитать
установку непрерывного
Расчет насадочной колонны.
Для дальнейших расчетов концентрации исходной смеси, дистиллята и кубового остатка выражается в массовых долях по формуле
(2.1)
где хА – мольная масса НК в жидкости; МА – мольная масса НК, кг/моль; МВ – мольная масса ВК, кг/моль.
Мольная масса метанола – 32,04 кг/моль, мольная масса воды – 18,02 кг/моль [2].
По расчетам получили
Обозначим массовый расход смеси через GF, дистиллята – GD, кубового остатка – GW. Составим материальный баланс согласно уравнениям (1.4) и (1.5):
по потокам и НК
GD = 5,1 кг/с
По номограмме [2,стр.565] определяем при заданном давление 2 атм =1520 мм.рт.ст. температура кипения воды -1180 С, метанол – 840 С.
В этом интервале
выбираем произвольный ряд температур
84-86-88-90-96-100-106-110-
Мольная доля НК х в жидкости определяется по уравнению
где П – общее давление в системе, мм.рт.ст.; РА и РВ – давление насыщенных паров НК и ВК, мм.рт.ст
Диаграмма 1.
Данные по расчету приведены в таблице 1.
|
Рб, мм.рт.ст |
Рт, мм.рт.ст. |
П, мм.рт.ст. |
|
|
|
84 |
1520 |
420 |
1520 |
1 |
1 |
86 |
1600 |
460 |
1520 |
0,97 |
0,98 |
88 |
1700 |
480 |
1520 |
0,85 |
0,95 |
90 |
1800 |
500 |
1520 |
0,78 |
0,92 |
96 |
2000 |
650 |
1520 |
0,64 |
0,84 |
100 |
2400 |
700 |
1520 |
0,48 |
0,76 |
106 |
2800 |
1000 |
1520 |
0,29 |
0,58 |
110 |
3000 |
1100 |
1520 |
0,22 |
0,43 |
116 |
3800 |
1400 |
1520 |
0,05 |
0,13 |
118 |
4000 |
1520 |
1520 |
0 |
0 |
Таблица 1.
По данным таблицы 1 строятся изобары кипения и конденсации смеси на диаграмме t,x-y 1 и линия равновесия на диаграмме x-y 2.
Диаграмма 2.
Расчет флегмового числа.
Минимальное флегмовое число рассчитывается по формуле (1.8)
у* = 0,33 по диаграмме х-у 2.
Оптимальное флегмовое число найдем из условия получения минимального объема колонны, пропорционального произведению nT(R+1), где nT - число ступеней изменения концентрации (теоритического числа тарелок). Расчет введется в следующем порядке:
а) задается ряд значений коэффициента избытка флегмы β в пределах 0,5-1,5, β >1. Определяется рабочее флегмовое число R= β Rmin, величину отрезка ;
б) откладываем отрезок на оси ординат и проводим линии рабочих концентраций верхней и нижней частей колонны;
в) при каждом значении β определяем величину произведения nT(R+1), данные заносятся в таблицу 3;
г) по данным таблицы строится график зависимости nT(R+1)=f(R) и находим минимальное значение nT(R+1), которое соответствует флегмовое число R=1.4
β |
R |
В |
nТ |
nT(R+1) |
0,5 |
0,7 |
0,35 |
20 |
34 |
0,8 |
1,12 |
0,28 |
15 |
31,8 |
1,0 |
1,4 |
0,25 |
12 |
28,8 |
1,3 |
1,82 |
0,21 |
11 |
31,02 |
1,5 |
2,1 |
0,19 |
10 |
32 |
Таблица 2.
Эту величину и принимаем в расчетах за оптимальное рабочее число флегмы. число ступеней изменения концентраций (число теоретических тарелок) nТ при этом составит 12.
Диаграмма 3.
Определение скорости пара в колонне.
Для дальнейших расчетов необходимы средние по высоте колонны мольные массовые концентрации НК в жидкости и паре. Средний мольный состав жидкости соответственно для верхней и нижней частей колонны
Средний массовый состав жидкости соответственно для верхней и нижней частей колонны
Средние температуры жидкости определяем по диаграмме 1 t-x,y
при хсрВ = 0,37 tжВ = 1040 С
при хсрН = 0,105 tжН = 1150 С
Средняя плотность жидкости по высоте колонны ρж кг/м3 определяется по формуле
где ρА, ρВ – плотности соответственно НК и ВК при средней температуре в колонне кг/м3
ρжВ = 714 кг/м3 – метанол
ρжН =958 кг/м3 – вода
Тогда средняя плотность жидкости по формуле составит
а) в верней части колонны
б) в нижней части колонны
ρжВ = 710 кг/м3
ρжН = 943 кг/м3
Средняя плотность для колонны в целом
Определяем средние мольные концентрации бензола в паре
а) в верхней части колонны
б) в нижней части колонны
Средние температуры пара определяем по диаграмме t-х,у
- при уВср = 0,59 tп = 105,70 С
- при уНср = 0,24 tп = 1140 С
Средняя мольная масса пара Мп, кг/ кмоль, определяется по формуле
Мп = МАуср + МВ(1-уср) (2.4)
Средняя плотность пара ρп, кг/м3, определяется по формуле
(2.5)
Тогда в соответствии с этими формулами получим
а) в верхней части колонны средняя мольная масса пара
средняя плотность пара
б) в нижней части колонны
Тогда средняя плотность пара по всей колонне
МD – мольная масса дистиллята кг/кмоль по формуле
