Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовой проект

Ректификационная установка непрерывного действия для разделения смеси метанол-вода



Введение

Ректификация - один из самых распространенных технологических процессов в химической, нефтяной и других отраслях промышленности. Ректификация - процесс разделения бинарных или многокомпонентных паров, а также жидких смесей на чистые компоненты или их смеси.

Для разделения смесей используют ректификационные установки, представляющие собой ряд ступеней контакта, соединенный в противоточный разделительный каскад. Наиболее простое конструкционное оформление противоточного каскада достигается при движении жидкости.

В нефтяной, химической, нефтехимической и газовой промышленности распространены тарельчатые колонны.

Современные ректификационные аппараты должны обладать высокими разделительными способностями и производительностью, характеризоваться достаточной надежностью и гибкостью в работе, обеспечивать низкие эксплуатационные расходы, иметь небольшую массу и, наконец, быть конструкционно-простыми и несложными в изготовлении. Последние требования не менее важны, чем первые, поскольку они не только определяют капитальные затраты, но и в значительной мере влияют на себестоимость продукции, монтаж, ремонт, контроль, испытание и безопасную эксплуатацию оборудования.

Особое значение имеет надежность работы ректификационных аппаратов, установок, производящих сырье для нефтехимической промышленности. Ректификационные колонны должны отвечать требованиям государственных стандартов.

В качестве контактных устройств применяют различные типы тарелок. В данной установке используется ситчатая тарелка.

Расчет аппаратов выполняется с целью определения технологического режима процесса, основных размеров аппарата и его внутренних устройств, обеспечивающих заданную четкость разделения исходного сырья при заданной производительности. Технологический режим определяется рабочим давлением в аппарате, температурами всех внешних потоков, удельного расхода тепла и холода. Основными размерами аппарата являются его диаметр и высота.

В данной установке производится разделение бинарной смеси метанол - вода.



1. Описание технологической схемы

Рис. 1. Принципиальная схема ректификационной установки

1 - колонна, 2 - подогреватель исходной смеси, 3 - гребенка, 4 - кипятильник, 5 - конденсатор, 6,7 - холодильники, 8 - 10 - сборники;

/ - исходная смесь, // - дистиллят, III - кубовая жидкость, IV - пар, V - флегма, VI - теплоноситель, VII - охлаждающий агент

Принципиальная схема процесса непрерывной ректификации бинарных смесей показана на рис. Исходная смесь 1 подогревается в подогревателе 2 (предпочтительно до температуры кипения или близкой к ней) и через гребенку 3 (обеспечивающую возможность варьирования места подачи) подается в ректификационную колонну 1, внутри которой размещены контактные устройства (тарелки, насадка). Источником парового потока является кипятильник 4, источником жидкого потока - конденсатор 5. В схеме предусмотрены холодильники 6 и 7 продуктов, отбираемых сверху (поток II) и снизу (поток III), а также емкости исходной смеси и продуктов 8 - Принята следующая терминология основных потоков и узлов ректификационной установки:

· поток носит естественное название - исходная смесь;

· поток II именуют дистиллятом (или дистиллятом);

· поток III называют кубовым остатком (или кубовой жидкостью);

· восходящий паровой поток IV так и называют: поток пара (иногда просто «пар»);

· нисходящий жидкостной поток V (в том числе - возвращаемый сверху в колонну на орошение) именуют флегмой (иногда просто «жидкостью»).

Тарелку, находящуюся в сечении подачи исходной смеси в колонну 7, называют тарелкой питания.

Часть колонны, находящаяся выше тарелки питания (на выходе из нее получается «крепкий» НКК), носит название укрепляющей части колонны (иногда - укрепляющей колонны).

Часть колонны, находящаяся ниже тарелки питания (в ней НКК отгоняется из жидкости, исчерпывается), носит название отгонной (реже - исчерпывающей) части колонны (иногда - отгонной или исчерпывающей колонны).

Генератор пара называют кипятильником, источник флегмы (чаще всего - и дистиллята) - конденсатором.

2. Материальный баланс

ректификация технологический баланс колонна

Составляем уравнения материального баланса ректификационной колонны непрерывного действия.

F = 255 моль/с



Относительный мольный расход питания

Равновесные данные системы метанол - вода при р = 1,013 10⁵ Па

Минимальное флегмовое число

Рабочее флегмовое число

Построение рабочих линий ректификационной колонны:

Рабочую линию укрепляющей и отгонной частей колонны удобно строить по двум точкам.

Уравнения рабочих линий

- верхней (укрепляющей) части колонны

- нижней (отгонной) части колонны

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

3. Определение скорости пара и диаметра колонны

Тарельчатые колонны составляют основную группу массообменных аппаратов. Они представляют собой вертикальный цилиндр, на высоте которого расположены специальные контактные устройства - тарелки. В этих колоннах жидкости меньшей плотности последовательно барботируются через слой жидкости на тарелках, расположенных на определенном расстоянии друг от друга. Жидкость непрерывно перетекает с верхних тарелок на нижние, отделенные друг от друга свободным пространством, где пар или легкая жидкость отделяется от уносимых ими частиц более тяжелой фазы. В тарельчатых колоннах происходит ступенчатый контакт фаз. Снизу вверх по колонне движутся пары, поступающие в нижнюю часть аппарата из кипятильника, который находится вне колонны. С помощью кипятильника создается восходящий поток пара. Пары проходят через слой жидкости. В результате взаимодействия между жидкостью и паром, имеющим более высокую температуру, жидкость частично испаряется, причем в пар переходит преимущественно НКК. Испарение жидкости на тарелке происходит за счет тепла конденсации пара. Из пара конденсируется и переходит в жидкость преимущественно ВКК. Его содержание в поступающем на тарелку паре выше равновесного с составом жидкости на тарелке. Пар представляет собой на выходе из кипятильника ВКК и по мере движения вверх все больше обогащается НКК, который переходит в паровую фазу на пути пара из кипятильника до верха колонны. Пары конденсируются в дефлегматоре, охлаждаемом водой и получаемая жидкость разделяется в разделителе на дистиллят и флегму, которая направляется на верхнюю тарелку колонны. На некотором расстоянии от верха колонны к жидкости из дефлегматора присоединяется исходная смесь, которая поступает на питающую тарелку колонны. Для того чтобы уменьшить тепловую нагрузку кипятильника, исходную смесь нагревают в подогревателе, до температуры кипения жидкости на тарелке питания. Тарелка питания делит колонну на две части, имеющие различное назначение. В верхней части должно быть обеспечено возможно большее укрепление паров, т.е. обогащение их НКК с тем, чтобы в дефлегматор направлялись пары, близкие по составу к НКК. Поэтому данная часть колонны называется укрепляющей. В нижней части необходимо в максимальной степени удалить из жидкости НКК, т.е. исчерпать жидкость для того, чтобы в кипятильник стекала жидкость, близкая по составу к ВКК. Эта часть колонны называется отгонной. В дефлегматоре могут быть сконденсированы все пары, поступающие из колонны, либо только часть их, соответствующая количеству возвращаемой в колонну флегмы. В первом случае, часть конденсата остающаяся после отделения флегмы (дистиллят) охлаждается в холодильнике и направляется в сборник дистиллята. Во втором случае, несконденсированные в дефлегматоре пары одновременно конденсируются и охлаждаются в холодильнике, который при таком варианте работы служит конденсатором - холодильником дистиллята. Жидкость, выходящая из низа колонны, близкая по составу к ВКК также делится на две части. Одна часть направляется в кипятильник, а другая - кубовый остаток, после охлаждения водой в холодильнике, направляется в сборник кубового остатка. Диаметр колонны по условиям верха и низа

4. Диаметр колонны по условиям верха и низа

Температура t и скорость пара _п изменяются по высоте колонны. Поэтому диаметр колонны d_к рассчитывают для ряда сечений колонны (в нашем случае для укрепляющей и отгонной частей). Если при расчете величины d_к получаются близкими, то колонну делают одного диаметра (ориентируясь на большее значение d_к). Если различие в значениях d_к велико, то в этом случае укрепляющая часть колонны имеет один диаметр, а отгонная другой.

Диаметр колонны по условиям верха находим по уравнению Менделеева - Клайперона плотность пара в укрепляющей части колонны.



Находим среднюю плотность жидкости в колонне. Для этого находим плотности метанола и воды по температуре в верху колонны (t₂) и в кубе - испарителе (t₀). Плотность жидкого метанола при температуре t₂ = 64,90°С равна _мет = 751,1 кг/м3 (см. [1] стр. 489, табл. IV).

Плотность воды при температуре t₀ = 99,50C равна _вод = 958,3 кг/м3 (см. [1] стр. 512, табл. XXXIX).

Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне

Если _ж >> _n (что имеет место в данном случае) допустимую оптимальную скорость пара в колонне рассчитывают по формуле

,

где С - коэффициент, зависящий от конструкции тарелок, расстоянии между ними, рабочего давления в колонне, нагрузки колонны по жидкости и др.

Принимаем расстояние между тарелками h = 0,3 м, тогда С = 0,032 (см. [1], стр. 301, рис. 7-2).

Скорость пара в верхней части колонны



Диаметр укрепляющей части колонны вычисляем по формуле

,

где P_м - массовый поток пара.

Массовый поток пара P_м изменяется по высоте колонны, его значение определяется по мольному потоку пара P и значению молярной массы М паровой смеси:

P_м =P М₂,

где P = D (R + l) = 0,0605 (1,257 + 1) = 0,136 кмоль/c

Мольный поток пара P постоянен по высоте колонны.

Тогда:

P_м =P М₂ = 0,136 31,91 = 4,34 кг/c

Диаметр укрепляющей части колонны равен

.

Диаметр колонны по условиям низа

Находим плотность пара в отгонной части колонны

.



Скорость пара в отгонной части колонны

Массовый поток пара P_м в отгонной части колонны

P_м = P М₀ = 0,136 18,06 = 2,46 кг/ c.

Тогда диаметр отгонной части колонны будет равен

Диаметр укрепляющей и отгонной частей колонны принимаем одинаковыми и равными d_к = 2400 мм (см. [3] стр. 9-10).

5. Определение числа тарелок и высоты колонны

По способу работы массообменные тарелки делятся на ситчатые, колпачковые, провальные и струйно-направленные. Диапазон тарелок, применяемых в колонной аппаратуре, составляет 200-8000 мм - в соответствии с диаметрами колонн, для которых они предназначаются. Количество тарелок в колонне бывает обычно не менее 20 - 30, а в отдельных случаях доходит до 80 штук и более. Расстояние между тарелками зависит в основном от физико-химических свойств разделяемой смеси и бывает от 60 до 600 мм и более. Тарелки малых размеров выполняются цельными, тарелки больших размеров - большей частью составными (разборными) из отдельных секций, соединенных между собой болтами и другими крепежными приспособлениями. Тарелки характеризуются нагрузками по пару и жидкости, относительная величина которых, в зависимости от разделяемой смеси, может значительно отличаться друг от друга.

6. Определение числа тарелок

Для определения теоретического числа тарелок необходимо на диаграмме х - y построить рабочие линии укрепляющей и отгонной частей колонны так, как это показано на рисунке

В итоге получаем

Число теоретических тарелок

Число реальных тарелок рассчитывается по уравнению



где - средний КПД тарелок (КПД колонны), учитывающий реальные условия массообмена на тарелках. Для определения среднего КПД тарелок находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов , равный отношению давлений насыщенных паров метанола и воды при средней температуре в колонне t_ср

и динамический коэффициент вязкости исходной смеси при температуре t_ср. Для последующего расчета необходимо найти значение средней температуры t_ср в колонне. Для этого находим средние концентрации жидкости и пара в укрепляющей и отгонной частях колонны.

Средние концентрации жидкости:

в укрепляющей части колонны

в отгонной части колонны

Средние концентрации пара находим по уравнениям рабочих линий колонны:

в укрепляющей части колонны



в отгоночной части колонны

Средние температуры в обеих частях колонны находим по диаграмме

Средняя температура в колонне

При данной температуре мм рт. ст. (см. [1] стр. 538, рис. XIV), мм рт. ст. (см. [1] стр. 511, табл. XXXVIII), тогда

Динамический коэффициент вязкости метанола сП (см. [1] стр. 529, рис. V), динамический коэффициент вязкости воды сП (см. [1], стр. 491, табл. VI).

Динамический коэффициент вязкости исходной смеси равен

сП



Тогда

Откуда (см. [1], стр. 323, рис. 7-4)

Число реальных тарелок

Из них тарелок в верхней части колонны и 13 тарелок в нижней части.

Высота тарельчатой части

Нт = (n - 1) h = (20 - 1) 0,3 = 5,7 м

3.3. Высота колонны.

Н = Нт + Нс + Нк

где Нс = 1 м - высота сепарационной части,

Нк = 2,5 м - высота кубовой части колонны

Н = 5,7 + 1 + 2,5 = 9,2 м.



7. Гидравлический расчет тарелок

Принимаем следующие размеры ситчатой тарелки: диаметр отверстий

d₀ = 4 мм высота сливной перегородки h_п = 50 мм. Свободное сечение тарелки 11% от общей площади тарелки. Рассчитаем гидравлическое сопротивление тарелки в нижней и верхней части колонны по уравнению

где - сопротивление сухой тарелки,

- сопротивление, вызываемое силами поверхностного натяжения,

- сопротивление парожидкостного слоя на тарелке

8. Верхняя часть колонны

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки

=

где - скорость пара в прорезях колпачка;

- коэффициент сопротивления, равный для ситчатых тарелок со свободным сечением 11 - 25% …1,45 (см. [1] стр. 27). Принимаем = 1,45.

- средняя плотность пара в верхней части колонны

=

где

- средняя мольная масса пара в верхней части колонны

=

Находим скорость пара в отверстиях тарелки . Для этого определяем скорость пара в верхней части колонны

.

Тогда

где F_св = 10,7% - свободное сечение тарелки (см. [3] стр. 12).

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки равно



Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения

где = 17,810^-3 Н/м - поверхностное натяжение жидкости при (см. [1] стр. 527)

=17,8 Па

Статическое сопротивление слоя жидкости на тарелке

где = 0,5 - коэффициент аэрации жидкости (см. [5] стр. 26)

h_ж = h_w + h_0w - высота слоя жидкости на тарелке

h_w = 0,05 м - высота сливной перегородки (см. [5] стр. 26)

h_0w = 0,029 - величина подпора жидкости над сливной перегородкой

- плотность орошения через сливную перегородку

- часовой расход жидкости



средняя мольная масса жидкости.

м3/ч

В = 1,210 м - длина сливной перегородки (см. [4] стр. 609)

= м3/ч

h0w = 0,029 W^2/3=0,029 6,92^2/3 = 0,105 м

hж = hw + h0w =

Тогда

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части колонны

68,4+17,8+600=686 Па

8. Нижняя часть колонны

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки

,



где - средняя плотность пара в нижней части колонны

,

где - средняя мольная масса пара в нижней части колонны.

Тогда

Находим скорость пара ₀ в прорезях колпачка. Для этого определяем скорость пара в нижней части колонны.

.

Тогда

.

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки



Сопротивление, вызываемое силами поверхностного натяжения

где = 59,710^-3 Н/м - поверхностное натяжение жидкости при

=59,7 Па

Статическое сопротивление слоя жидкости на тарелке

где

= 0,5

hж = hw + h0w

hw = 0,05 м

h0w = 0,029



м3/ч

В = 1,210 м

м3/ч

h0w = 0,029

hж = hw + h0w =

Тогда

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в нижней части колонны

128+59,7+1362,5=1550 Па

Проверим, соблюдается ли при расстоянии между тарелками h = 0,3 м необходимое для нормальной работы тарелок условие

Для тарелок нижней части колонны, у которых гидравлическое сопротивление больше



= 1550/854,7 9,81=0,18

Следовательно, условие соблюдается.

9. Расчет и подбор штуцеров

Присоединение труб к химическим аппаратам бывает разъемное и неразъемное. Первое осуществляется с помощью фланцев или на резьбе, второе на сварке или пайке. Для разъемного присоединения труб, арматуры и измерительных приборов на аппаратуре обычно предусматривают штуцера (патрубки) фланцевые или резьбовые. Наиболее распространены фланцевые штуцера для присоединения труб, арматуры и приборов. Фланцевое соединение состоит из двух симметрично расположенных фланцев, уплотнительного соединения (прокладок), и крепежных элементов (болтов, шпилек, шайб или гаек). В сварной аппаратуре низкого давления фланцы обычно изготавливают из листового полосового или фасонного проката с последующей приваркой их к обечайке, к трубе и т.д. Наиболее технологичной формой изготовления фланцев является круглая форма.

Диаметры штуцеров колонны и теплообменной аппаратуры, а, следовательно, и диаметры технологических трубопроводов, определяют из уравнения расхода по допустимой скорости потоков в них.

Штуцер для подачи исходной смеси.

Скорость ввода исходной смеси принимаем равной = 1,5 м/с (см. [5], стр. 42), тогда диаметр штуцера будет равен



где

Подбираем щтуцер по [4]. стр. 659 табл. 27.3

Выбираем штуцер с Dу=50 мм на р_у=1,0 МПа, Н_т=155 мм, материал - сталь Х18Н10Т, исполнение I, ОСТ 26-1404-76 согласно [8], стр. 175.

Фланец подбираем по [4], стр. 549, табл. 21.9: D_у=40 мм, D_ф=130 мм, D_б=100 мм, D₁=80 мм, d_б=М12, количество болтов z = 4, материал - сталь 3, исполнение I.

Штуцер для вывода пара из колонны.

Скорость вывода пара из колонны принимаем равной = 20 м/с (см. [5], стр. 42), тогда

где м3/с;

D=П (R+1) - поток пара

1,13 м³ при t₂ = 64,50С

Выбираем штуцер с D_у=600 мм на P_у = 1,0 МПа, Н_т=310 мм, материал - сталь Х18Н10Т, исполнение I, ОСТ 26-1404-76 согласно [8], стр. 175.

Фланец подбираем по [4], стр. 549, табл. 21.9: D_у=600 мм, D_ф=635 мм, D_б=495 мм, D₁=465 мм, d_б=М30, количество болтов z = 16, материал - сталь 3, исполнение I.

Штуцер для вывода кубового остатка.

Скорость вывода кубового остатка принимаем равной = 0,5 м/с (см. [5], стр. 42), тогда

где

Выбираем штуцер с D_у=80 мм на р_у=1,0 МПа, Н_т=155 мм, материал - сталь Х18Н10Т, исполнение I, ОСТ 26-1404-76 согласно [8], стр. 175.

Фланец подбираем по [4], стр. 549, табл. 21.9: Dу=80 мм, Dф=185 мм, Dб=150 мм, D1=128 мм, dб=М16, количество болтов z=4, материал - сталь 3, исполнение I.

Штуцер для подачи флегмы в колонну

Скорость подачи флегмы в колонну принимаем равной = 0,5 м/с (см. [5], стр. 42), тогда

где

Выбираем штуцер с D_у=40 мм на р_у=1,0 МПа, Н_т=155 мм, материал - сталь Х18Н10Т, исполнение I, ОСТ 26-1404-76 согласно [8], стр. 175.

Фланец подбираем по [4], стр. 549, табл. 21.9: D_у=40 мм, D_ф=130 мм, D_б=100 мм, D₁=80 мм, d_б=М12, количество болтов z = 4, материал - сталь 3, исполнение I.

Штуцер для подачи жидкости в кипятильник.

Расчет штуцеров для подсоединения кипятильника к колонне затруднен тем, что неизвестен расход циркулирующей жидкости. Поэтому диаметр штуцера можно принять равным соответствующим штуцерам на кипятильнике. В нашем случае диаметр условного прохода штуцера на кипятильнике D_у = 200 мм (см. [2], стр. 55, табл. 2.6). Тогда выбираем штуцер с D_у=200 мм на р_у=1,0 МПа, Н_т=190 мм, материал - сталь Х18Н10Т, исполнение I, ОСТ 26-1404-76 согласно [8], стр. 175.

Фланец подбираем по [4], стр. 549, табл. 21.9: D_у=200 мм, D_ф=315 мм, D_б=280 мм, D₁=258 мм, d_б=М16, количество болтов z=8, материал - сталь 3, исполнение. 1



Литература

1) Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии, Л.: Химия, 1987.

2) Борисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И. и др. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию, М.: Химия, 1991.

3) Колонные аппараты: Каталог, М.: Цинтихимнефтемаш, 1978.

4) Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры: Приложение к справочнику, М.: Машиностроение, 1970.

5) Захаров М.К., Солопенков К.Н., Варфоломеев Б.Г. Методические указания к курсовому проектированию ректификационных установок непрерывного действия, М.: Полинор-М, 1995.

6) Мясоединков В.М. / Под ред. Б.Г. Варфоломеева Подбор и расчет конденсатоотводчиков, М.: МИТХТ, 1989.

Размещено на Allbest.ru

...