Проект ректификационной установки для разделения бинарной смеси "метанол-вода"

Размещено на http://www.allbest.ru

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Состояние вопроса

2. Технические описания и расчеты

2.1 Описание принципа работы технологической схемы

2.2 Материальный расчет установки

2.3 Тепловой расчет аппарата

2.4 Конструктивный расчет аппарата

2.5 Расчет комплектующего оборудования

2.6 Гидравлический расчет продуктовой линии и подбор нагнетательного оборудования

Заключение

Список используемых источников



ВВЕДЕНИЕ

Ректификация - процесс разделения жидких смесей при помощи одновременно и многократно повторяемых частичных испарений и конденсаций. В качестве аппаратов служащих для проведения ректификации используются ректификационные колонны, состоящие из собственно колонны, где осуществляется противоточное контактирование пара и жидкости, и устройств, в которых происходит испарение жидкости и конденсация пара - куба и дефлегматора. Колонна представляет собой вертикально стоящий полый цилиндр, внутри которого установлены так называемые тарелки (контактные устройства различной конструкции) или помещен фигурный кусковой материал - насадка. Куб и дефлегматор - это кожухотрубчатые теплообменники (находят применение также трубчатые печи и кубы-испарители).

Назначение тарелок и насадки - разделение межфазной поверхности и улучшение контакта между жидкостью и паром. Тарелки, как правило, снабжаются устройством для перелива жидкости. В качестве насадки ректификационных колонн обычно используются кольца, диаметр которых равен их высоте. ректификационный метанол вода раствор

Как в насадочных, так и в тарельчатых колоннах кинетическая энергия пара используется для преодоления гидравлического сопротивления контактных устройств и для создания динамической дисперсной системы пар-жидкость с большой межфазной поверхностью. Существуют также ректификационные колонны с подводом механической энергии, в которых дисперсная система создаётся при вращении ротора, установленного по оси колонны. Роторные аппараты имеют меньший перепад давления по высоте, что особенно важно для вакуумных колонн.

По способу проведения различают - непрерывную и периодическую ректификацию. В первом случае разделяемая смесь непрерывно подается в ректификационную колонну, а из колонны непрерывно отводятся две или более число фракций, обогащенных одними компонентами и обедненных другими. Полная колонна состоит из двух секций: укрепляющей и исчерпывающей. Исходная смесь (обычно при температуре кипения) подается в колонну, где смешивается с так называемой извлеченной жидкостью, стекающей по контактным устройствам (тарелкам или насадке) исчерпывающей секции противотоком к поднимающемуся потоку пара. Достигая низа колонны, жидкость обогащается тяжелолетучими компонентами. Внизу жидкость частично испаряется в результате нагрева подводящимся теплоносителем, и пар снова поступает в исчерпывающую секцию.

Пройдя её, обогащенный легколетучими компонентами, пар поступает в дефлегматор, где обычно полностью конденсируется подходящим хладагентом. Полученная жидкость делится на два потока - дистиллят и флегму. Дистиллят является продуктовым потоком, а флегма поступает на орошение укрепляющей секции, по контактным устройствам которой стекает. Часть жидкости выводится из куба колонны в виде так называемого кубового остатка (также продуктовый поток).

Если исходную смесь нужно разделить непрерывным способом на число фракций больше двух, то применяется последовательное либо параллельно - последовательное соединение колонн.

При периодической ректификации исходная смесь единовременно загружается в куб колонны, ёмкость которая соответствует желаемой производительности. Пары поступают в колонну и поднимаются к дефлегматору, где происходит их конденсация. В начальный период весь конденсат возвращается в колонну, что отвечает режиму полного орошения. Затем конденсат делится на дистиллят и флегму. По мере отбора дистиллята (либо при постоянном флегмовом числе, либо с его изменением из колонны выводятся сначала легколетучие компоненты, затем среднелетучие и так далее). Нужную фракцию (или фракции) отбирают в соответствующий сборник. Операция продолжается до полной переработки первоначально загруженной смеси.

Основные области промышленного применения ректификации - получение отдельных фракций и индивидуальных углеводородов из нефтяного сырья в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, в химической промышленности. Ректификация широко используется и в других отраслях народного хозяйства: коксохимической, лесохимической, пищевой, химико-фармацевтической промышленностях.



1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Ректификационные колонны отличаются, в основном, конструкцией внутреннего устройства для распределения жидкой и паровой фаз. Взаимодействие жидкости и пара осуществляется в колоннах путём барботирования пара через слой жидкости на тарелках или же путём поверхностного контакта пара и жидкости на насадке или на поверхности жидкости, стекающей тонкой плёнкой.

В ректификационных установках применяют 3 основных типа колонн:

1) барботажные (тарельчатые);

2) насадочные;

3) пленочные.

Разработаны также конструкции аппаратов для ректификации, в которых интенсификация процесса разделения достигается под действием центробежной силы (центробежные ректификаторы).

Барботажные (тарельчатые) колонны

Эти колонны наиболее распространены в ректификационных установках. На рисунке 1 схематически изображена колонна небольшого диаметра, состоящая из тарелок 1, на каждой из которых имеется один колпачок 2 круглого сечения и патрубок 3 для прохода пара. Края колпачка погружены в жидкость. Благодаря этому на тарелке создается гидравлический затвор, и пар, выходящий из колпачка, должен проходить через слой жидкости, находящийся на тарелке. Колпачки имеют отверстия или зубчатые прорези для раздробления пара на мелкие пузырьки, т.е. для увеличения поверхности его соприкосновения с жидкостью.

Приток и отвод жидкости, а также высоту жидкости на тарелке регулируют при помощи переливных трубок 4, которые расположены на диаметрально противоположных концах тарелки; поэтому жидкость течет на соседних тарелках во взаимно противоположных направлениях.



1-тарелка; 2-колпачок; 3-паровой патрубок; 4-переливная трубка.

Рисунок 1- Схема устройства тарельчатой (колпачковой) колонны

Схема работы колпачковой тарелки

Схема работы колпачковой тарелки изображена на рисунке 2. Выходящие через прорези колпачков пузырьки пара сливаются в струйки, которые проходят через слой жидкости, находящейся на тарелке, и над жидкостью образуется слой пены и брызг, - основная область массообмена и теплообмена между паром и жидкостью на тарелке.

Процесс барботажа на тарелке весьма сложен. Проводившиеся до сих пор исследования (В. Н. Стабников, А. М. Шуер и др.) дают возможность представить лишь качественную картину процесса.

При движении струйки пара обычно сливаются друг с другом; при этом некоторая часть сечения прорезей обнажается и образуются каналы, по которым газ проходит из-под колпачка сквозь жидкость. Поэтому поверхность взаимодействия газа с жидкостью непосредственно в зоне барботажа невелика. Основная зона фазового контакта находится в области пены и брызг над жидкостью, которые образуются вследствие распыления пара в жидкости и уноса брызг при трении пара о жидкость.

Интенсивность образования пены и брызг зависит от скорости пара и глубины погружения колпачка в жидкость. Сечение и форма прорезей колпачка имеют второстепенное значение, но желательны узкие прорези, так как они разбивают газ на более мелкие струйки, увеличивая поверхность соприкосновения с жидкостью.

Работа колпачка в оптимальных условиях при предельной скорости и наибольшего к.п.д. высота открытия прорези колпачка наибольшая, что способствует увеличению пути паров и времени их контакта с жидкостью.

Рисунок 2- Схема работы колпачковой тарелки.

Виды колпачковых тарелок

1. Колпачковая тарелка с радиальным переливом жидкости

Для создания достаточной поверхности соприкосновения между паром и жидкостью на тарелках обычно устанавливают не один, а большое число колпачков (рисунок 3).

Колпачки располагают на близком расстоянии друг от друга (равен в среднем 1,5 диаметра колпачка) с тем, чтобы пузырьки, выходящие из соседних колпачков, прежде чем принять вертикальное направление движения, могли бы сталкиваться друг с другом.

Типовые колпачковые тарелки изготовляют с радиальным и с диаметральным переливом жидкости. Тарелки первого типа (рис. 3,а) представляют собой вырезанные из стального листа диски 1 и 2, которые крепятся на болтах 7 и прокладках 8 к опорному кольцу 3. Колпачки 4 расположены на тарелке в шахматном порядке. Жидкость переливается на лежащую ниже тарелку по периферийным переливным трубкам 5, течёт к центру и сливается на следующую тарелку по центральной переливной трубке 6, затем снова течёт к периферии и т.д.

1 и 2-диски; 3-опорное кольцо; 4-колпачки; 5-периферийные колпачковые трубки; 6-центральная переливная трубка; 7-болты; 8-прокладки.

Рисунок 3- Колпачковая тарелка с радиальным переливом жидкости:

Колпачковая тарелка с диаметральным переливом жидкости.

Тарелки этого типа (рис. 4) представляют собой срезанный с двух сторон диск 1, установленный на опорном листе 2, с одной стороны тарелка ограничена приёмным порогом 3, а с другой стороны - переливным порогом 5 со сменной гребенкой 6, при помощи которой регулируют уровень жидкости на тарелке.

В тарелке этой конструкции периметр слива увеличен путём замены сливных труб сегментообразными отверстиями, ограниченными перегородками 7 для того, чтобы уменьшить вспенивание и брызгообразование при переливе жидкости.



1-диск; 2-опорный лист; 3-приёмный порог; 4-колпачки; 5-переливной порог; 6-сменная гребёнка; 7-перегородка.

Рисунок 4- Колпачковая тарелка с диаметральным переливом жидкости:

Колпачковая тарелка с туннельными колпачками

В тарелках с туннельными колпачками (рис. 5) колпачки 1 представляют собой стальные штампованные пластины полукруглого сечения с гребенчатыми краями; каждый колпачок устанавливают над желобом 2 строго горизонтально при помощи двух уравнительных шпилек 3. Жидкость сливается через переливной порог 4 в сегментный карман 5, затем через три переливных трубки 6 - в приёмный сегментный карман следующей тарелки. Здесь образуется гидравлический затвор, и поднимающиеся по колонне пары не могут проходить на тарелку, лежащую выше, минуя колпачки. Ток жидкости на тарелках - диаметральный.

На тарелках такого типа можно легко регулировать высоту слоя жидкости, быстро производить установку в горизонтальной плоскости имеющегося на ней небольшого числа колпачков и, следовательно, создавать благоприятные условия для равномерного распределения паров. Конструкция тарелки отличается простотой монтажа и демонтажа.



1-колпачки; 2-желоб; 3-шпилька; 4-переливной порог; 5-сегментный карман; 6-переливные трубки; 7-опорный уголок с вырезами

Рисунок 5- Колпачковая тарелка с туннельными колпачками:

Ректификационные тарельчатые колонны с круглыми (капсульными) и туннельными колпачками, предназначенные для работы под атмосферным давлением, имеют диаметры 1000, 1200, 1400, 1600, 1800, 2200, 2600 и 3000 мм. Эти колонны изготавливают из углеродистой стали. Разделение химически активных смесей производят в колоннах из кислотоупорных сталей, высококремнистого чугуна и других химически стойких материалов.

Ситчатые колонны

Колонны этого типа (рис. 6) состоят из вертикального цилиндрического корпуса 1 с горизонтальными тарелками 2, в которых просверливается значительное число мелких отверстий, равномерно распределенных по всей поверхности тарелки. Для слива жидкости и регулирования ее уровня на тарелке служат переливные трубки 3. Нижние концы трубок 3 погружены в стаканы 4 на лежащих ниже тарелках и образуют гидравлические затворы.



1- корпус;2- ситчатая тарелка;3- переливная трубка; 4- стакан

Рисунок 6- Схема устройства ситчатой колонны.

Пар проходит через отверстия тарелки (рис. 7) и распределяется в жидкости в виде мелких струек; лишь на некотором расстоянии от дна тарелки образуется слой пены и брызг - основная область массообмена и теплообмена на тарелке.

В определенном диапазоне нагрузок ситчатые тарелки обладают большим к.п.д., чем колпачковые. Однако допустимые нагрузки по жидкости и пару для ситчатых колонн относительно невелики. Для повышения к.п.д., в ситчатых тарелках создают более длительный контакт между жидкостью и паром. Существует ситчатая колонна с принудительным круговым движением жидкости на тарелках - одна из современных конструкций ситчатых тарелок, в которых длительный контакт достигается принудительным круговым движением жидкости на тарелке при одинаковом направлении ее движения на всех тарелках колонны.

Очистка, промывка и ремонт ситчатых тарелок производятся относительно удобно и легко. Однако ситчатые тарелки требуют весьма тщательной горизонтальной установки, так как иначе пары будут проходить через часть поверхности сетки, не соприкасаясь с жидкостью.

Чувствительность к колебаниям нагрузки, а также загрязнениям и осадкам, которые образуются при перегонке кристаллизующихся веществ и быстро забивают отверстия тарелки, ограничивают область использования ситчатых колонн; их применяют, главным образом, при ректификации спирта и жидкого воздуха (кислородные установки).

Рисунок7- Схема работы ситчатой тарелки.

Насадочные колонны

Широкое распространение в промышленности в качестве абсорберов получили колонны, заполненные насадкой - твердыми телами различной формы. В насадочной колонне (рис.8) насадка укладывается на опорные решетки 2, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и стока жидкости. Последняя с помощью распределителя 3 равномерно орошает насадочные тела и стекает вниз. По всей высоте слоя насадки равномерное распределение жидкости по сечению колонны обычно не достигается, что объясняется пристеночным эффектом - большей плотностью укладки насадки в центральной части колонны, чем у ее стенок. Вследствие этого жидкость имеет тенденцию растекаться от центральной части колонны к ее стенкам. Поэтому для улучшения смачивания насадки в колоннах большого диаметра насадку иногда укладывают слоями (секциями) высотой 2-3 м и под каждой секцией, кроме нижней, устанавливают перераспределители жидкости 4.

В насадочной колонне жидкость течет по элементу насадки главным образом, в виде тонкой пленки, поэтому поверхностью контакта фаз является в основном смоченная поверхность насадки, и насадочные аппараты можно рассматривать как разновидность пленочных. Однако в последних пленочное течение жидкости происходит по всей высоте аппарата, а в насадочных абсорберах - только по высоте элемента насадки. При перетекании жидкости с одного элемента насадки на другой пленка жидкости разрушается и на нижележащем элементе образуется новая пленка. При этом часть жидкости проходит через расположенные ниже слои насадки в виде струек, капель и брызг. Часть поверхности насадки бывает смочена неподвижной (застойной) жидкостью.

Рисунок 8- Насадочная колонна



Центробежные ректификаторы

Для интенсификации массообмена и повышения эффективности разделения, были предложены аппараты, работающие на принципе использования центробежной силы (колонны с вращающейся трубой, горизонтальные аппараты с вращающимся спиралевидным ротором).

Центробежный пленочный ректификационный аппарат состоит из неподвижного кожуха, в котором вращается с большой скоростью ротор, состоящий из спиральной металлической ленты, ограниченной изнутри и снаружи сетчатыми цилиндрами. Начальная смесь движется по стенкам спирали в виде тонкой пленки от центра к периферии. Пар движется с большой скоростью противотоком к жидкости , и взаимодействие фаз происходит на поверхности плёнки. Интенсивность массообмена определяется сопротивление жидкой и паровой пленок. Поэтому эффективность пленочной ректификации возрастает и турбулизацией потоков пара и жидкости.



2. ТЕХНИЧЕСКИЕ ОПИСАНИЯ И РАСЧЕТЫ

2.1 Описание принципа работы технологической схемы

Исходная смесь, с содержанием низкокипящего компонента х_f в количестве F поступает на питающую тарелку с температурой t_f. На питающей тарелке происходит процесс однократного испарения (ОИ), в результате которого образуется паровая фаза, обогащенная НК и жидкая фаза, обогащенная ВК. Жидкая фаза стекает с питающей тарелки вниз и поступает в куб колонны, где происходит интенсивное испарение. Образующийся пар подается вниз колонны и движется навстречу стекающей жидкости. На всем пути происходит тепломассообмен между паром и жидкостью, т.к. поступающий на каждую тарелку пар имеет температуру выше, чем жидкость, поступающая на эту тарелку сверху. В результате массообмена на выходе из колонны пар дистиллята содержит главным образом низкокипящий компонент, а жидкость в кубе колонны - в основном высококипящий компонент.

Выходящий пар дистиллята из колонны подвергается процессу дефлегмации с дальнейшим разделением потока на продукт (Р) с содержанием НК Х_р и жидкую фазу, флегму в количестве (Ф) с содержанием НК Х_ф. Флегма подается на орошение колонны сверху. Высокое содержание НК в потоке флегмы предопределяет, что в верхней части колонны (от питающей тарелки вверх) происходит, главным образом, укрепление паровой фазы низкокипящим компонентом. По этой причине верхняя часть колонны называется укрепляющей или концентрационной. Нижняя часть колонны (от питающей тарелки вниз) называется исчерпывающей или отгонной частью, поскольку именно в этой части происходит основной отгон НК из жидкости в пар. В самом общем случае орошение колонны флегмой может осуществляться по разным вариантам.

Однако с целью упрощения расчетов в данных методических указаниях предлагается следующий вариант орошения: пар дистиллята состава У_G поступает в дефлегматор, где происходит его полная конденсация и затем образующийся конденсат разделяется на два потока: горячая флегма подается на орошение, а оставшаяся часть конденсата, пройдя через холодильник, выводится из установки и поступает в виде готового продукта Р с содержанием НК Х_р в рефлюксную емкость. Исходная смесь в количестве F с содержанием НК Х_f может подаваться на питающую тарелку в колонну в различных состояниях и при различной температуре. Чаще всего исходная смесь предварительно подогревается в теплообменнике до температуры кипения и подается в виде кипящей жидкости. Принципиальная технологическая схема приведена на рисунке 13.



1 - ректификационная колонна; 2 - подогреватель исходной смеси; 3 - дефлегматор; 4 - кипятильник (куб) колонны; 5 - теплообменник

Рисунок 13- Схема ректификационной установки непрерывного действия для разделения бинарных смесей



2.2 Материальный расчет установки

Исходные данные:

Смесь: метанол - вода

F = 8000кг/ч= 2,2кг/с -производительность колонны по исходной смеси;

X_F = 0,24 - содержание НК в исходной смеси;

X_D = 0,88 - содержание НК в дистилляте;

x_w = 0,04 -содержание НК в кубовом остатке;

П = 0,1МПа -давление в колонне;

- давление греющего пара в испарителе;

М_М = 32 г/моль - молярная масса метанола;

М_В = 18 г/моль - молярная масса воды.

Материальный баланс

Производительность колонны по дистилляту G_D и кубовому остатку G_W определим из уравнений материального баланса колонны:[1,стр.319]

G_F = G_D + G_W (1)

G_F·x_F = G_D·x_D + G_W·x_W, (2)

откуда

G_D = G_F - G_W = 2,2 - 1,68 = 0,52 кг/с

Для дальнейших расчетов пересчитаем составы фаз из массовых в мольные доли по соотношению:

Питание:



(3)

получим

Дистиллят:

(4)

Кубовый остаток:

(5)

Относительный мольный расход питания:

(6)

С целью проведения дальнейших материальных расчетов требуется построение линии равновесия и t-x-y диаграммы.

По данным [1,стр.543] для смеси метиловый спирт -вода при П_абс=700 мм. рт. ст. строим кривую равновесия в координатах yx.

Таблица 1- Равновесные составы жидкости и пара метиловый спирт-вода

t,0C	Х	У
	мольные доли
100,0	0	0
96,4	2	13,4
93,5	4	23,0
91,2	6	30,4
87,7	10	41,8
81,7	20	57,9
78,0	30	65,5
75,3	40	72,9
73,1	50	77,9
71,2	60	82,5
69,3	70	87,0
67,5	80	91,5
66,0	90	95,8
64,5	100,0	100,0

Рисунок 14- у-х диаграмма метиловый спирт- вода

Определение рабочего флегмового числа

Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются рабочим флегмовым числом R; его оптимальное значение R_ОПТ можно найти путем технико-экономического расчета. Ввиду отсутствия надежной методики оценки R_ОПТ используют приближенные вычисления, основанные на определении коэффициента избытка флегмы (орошения). Здесь Rmin-- минимальное флегмовое число:

(7)

где x_F и x_D - мольные доли легколетучего компонента соответственно в исходной смеси и дистилляте, кмоль/кмоль смеси;

- концентрация легколетучего компонента в паре, находящимся в равновесии с исходной смесью, кмоль/кмоль смеси.

Обычно коэффициент избытка флегмы, при котором достигается оптимальное флегмовое число, не превышает 1,3.

Из графика (рисунок 14) при находим значение y_F* = 62,5%, тогда минимальное флегмовое число:

R_min = (x_D - y_F*)/(y_F* - x_F) = (0,804 - 0,625)/(0,625 - 0,152) = 0,378

Рабочее число флегмы по уравнению:

R = 1,3· R_min + 0,3 = 1,3·0,378+ 0,3 = 0,791

Уравнения рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части колонны:

(8)

б) нижней (исчерпывающей) части колонны:

(9)

тогда

2.3 Тепловой расчет аппарата

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре - конденсаторе определим по уравнению:

(10)

где r_М = 1080 кДж/кг -теплота конденсации метанола при t = 72,6 ⁰С

r_В =2327 кДж/кг - теплота конденсации В при t = 72,6 ⁰С

Следовательно,

тогда

Расход теплоты, получаемой в кубе-испарителе от греющего пара:

(11)

здесь тепловые потери приняты в размере 3% от полезно затрачиваемой теплоты.

Удельные теплоемкости взяты при

t_D = 72,6 ⁰С

t_W = 96,5 ⁰С

t_F = 84 ⁰С

Расход теплоты в паровом подогревателе исходной смеси:

(12)

Здесь тепловые потери приняты в размере 5%, удельная теплоемкость исходной смеси:

При средней температуре

с_М = 0,66 ккал/кг·⁰С

с_в = 1,1 ккал/кг·⁰С

ккал/кг·⁰С



Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята:

где удельная теплоемкость дистиллята взята при температуре

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике кубового остатка:

где удельная теплоемкость кубового остатка взята при средней температуре:

Расход греющего пара, имеющего давление P_абс = 4,0 кгс/см² и влажность 5%

а) в кубе-испарителе:

где - удельная теплота конденсации греющего пара.

б) в подогревателе исходной смеси:

всего: или 3,7 т/ч

Расход охлаждающей воды при нагреве ее на 20

а) в дефлегматоре:

б) в водяном холодильнике дистиллята:

в) в исходном холодильнике кубового остатка

всего: или 77,4 м³/ч

2.4 Конструктивный расчет аппарата

Расчет скорости пара и диаметра колонны

1)средние концентрации жидкости:

а) в верхней части колонны

б) в нижней части колонны

2) средние концентрации пара находим по уравнениям рабочих линий:

а) в верхней части колонны

б) в нижней части колонны

3) средние мольные массы и плотности пара:

а) в верхней части колонны

(13)

Средние температуры пара определим по диаграмме t-x-y бинарной смеси.

Данная диаграмма представляет собой совмещенный график зависимостей температуры кипения жидкости от ее состава и температуры насыщенных паров от их состава. Для ее построения используются данные расчета равновесных составов паровой и жидкой фаз (таблица 1).

Вначале в координатах t-х наносят точки, соответствующие температурам кипения жидкости и равновесным ее концентрациям Х. Через найденные точки проводят плавную линию, которая носит название линии кипения жидкости (рис.1). Затем на эту же диаграмму наносят точки, соответствующие температурам кипения и равновесным составам пара У^*. Полученные точки так же соединяют плавной линией, которая называется линией насыщения (или конденсации) рисунок 15.

Диаграмма t-х-у является основой для технологического расчета процессов разделения жидких смесей ректификацией, поскольку с ее помощью по известным значениям составов паров и жидкостей в любой точке аппарата определяются значения локальных температур, а так же решается обратная задача.

Рисунок 15- t-х-у диаграмма метанол - вода

При = 78,5 ⁰С

При =92,8 ⁰С

тогда

б) в нижней части колонны

Средняя плотность пара в колонне:

Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне:

(14)

при t = 72,6 ⁰С

при t = 96,5 ⁰С

Температура вверху колонны при x_D =0,804 равняется 72,6 ⁰С, а при x_W = 2,3% она равна 96,5 ⁰С (по графику)

тогда

Определим скорости пара в колонне по уравнению:

(15)

По данным каталога- справочника « Колонные аппараты» принимаем расстояние между тарелками 400 мм. Для колпачковых тарелок по графику находим с=480

Скорость пара в колонне

Объемный расход проходящего через колонну пара при средней температуре в колонне:

(16)

V=

где - мольная масса дистиллята

Диаметр колонны:



По каталогу-справочнику «Колонные аппараты» берем D=1000мм

Тогда скорость пара в колонне будет:

Гидравлический расчет тарелок

По каталогу для колонны D =1000 мм выбираем колпачковую тарелку ТСК-1 со средними конструктивными размерами [2,стр.213]

Диаметр отверстий в тарелке	d0=4 мм
Свободное сечение тарелки	Fc =8%
Высота переливного порога	hn=40 мм
Периметр слива	П=0,8 м

Рассчитаем гидравлическое сопротивление тарелки в верхней и в нижней части колонны по уравнению:

Р = Р_сух + Р_у +Р_пж (17)

а) верхняя часть колонны:

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки

Р_сух = w₀² _п / 2 (18)

где = 5 - коэффициент сопротивления колпачковых тарелок

- скорость пара в отверстиях тарелки.

Тогда

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

(19)

где у = 17,7·10^-3 Н/м - поверхностное натяжение жидкости при средней температуре в верхней части колонны 78,5 ⁰С

- диаметр отверстий.

Тогда:

Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:

_, (20)

Где g- ускорение свободного падения,м/с²;k- относительная плотность парожидкостного слоя [при расчетах принимают приблизительно k=0,5];с_ж- плотность жидкости ,кг/м³;l- расстояние от верхнего края прорезей до сливного порога,м;е - высота прорези,м; ?h- высота уровня жидкости над сливным порогом,м .

Принимаем е=15 мм,l= 40 мм.

Величину рассчитываем по формуле:

(21)

Где - объемный расход жидкости, м³/с;

П - периметр сливной перегородки;

Объемный расход жидкости в верхней части колонны:

где

М_ср =

М_ср - мольная масса жидкости.

Принимаем значение П= 0,8м периметра слива из табличных значений.

Находим

Тогда

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части колонны:



= Р_сух + Р_у +Р_пж = 528,75 + 17,7+ 293,9=840,4 Па

б) нижняя часть колонны:

Где у= 16,38 10^-3 Н/м - поверхностное натяжение жидкости при средней температуре в нижней части колонны 92,8⁰С

(22)

M_F = x_F·32 + (1- x_F)·18 = 0,152·32 + (1-0,152)·18 = 20,128 кг/м³;

M_ср = кг/м³

Тогда

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в нижней части колонны:

= Р_сух + Р_у +Р_пж=410,625 + 16,38 + 387,8= 814,805 Па

Проверим, соблюдается ли при расстоянии между тарелками 0,4 м необходимое условие для нормальной работы тарелок:

(23)

Для тарелок нижней части колонны, у которых гидравлическое сопротивление больше, чем у тарелок верхней части:

Следовательно, вышеуказанное условие соблюдается: проверим равномерность работы тарелок - рассчитаем минимальную скорость пара в отверстиях щ₀, достаточную для того, чтобы колпачковая тарелка работала всеми отверстиями:

рассчитанная скорость щ₀ = 15 м /с;

следовательно, тарелки будут работать всеми отверстиями.

Определение числа тарелок и высоты колонны

а) наносим на диаграмму у-х рабочие линии верхней и нижней части колонны и находим число ступеней изменения концентрации n_т;

в верхней части колонны =5, в нижней =5, всего ступеней - 10.

Число тарелок рассчитываем по уравнению:

(24)



Для определения среднего к.п.д. тарелок з находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов:

(25)

и динамический коэффициент вязкости исходной смеси при средней температуре t_ср= 86,0 ⁰С

При этой температуре давление насыщенного пара

Метанола -

Воды -

тогда

Динамический коэффициент вязкости метанола и воды при 86⁰С

м(метанола) = 0,2750·10^-3 Па·с

м(воды) = 0,3315·10^-3 Па·с

Принимаем м_ср

Тогда

Ь·м = 3,59·0,303 =1,09

По графику находим з = 0,48; длину пути жидкости на тарелке принимаем l=0,8 м

По графику[3,стр.324] находим значение поправки на длину пути ?=0,средний к.п.д.тарелок найдем по уравнению:

=

Для сравнения рассчитаем средний к.п.д. тарелки по критериальной формуле, полученной путём статистической обработки многочисленных опытных данных для колпачковых и ситчатых тарелок:

(26)

В этой формуле безразмерные комплексы :

К₁= (27)

К₂ =; (28)

Где w - скорость пара в колонне ,м/с; S_cв - относительная площадь свободного сечения тарелки;h_п - высота сливной перегородки ,м;с_п и с_ж - плотности пара и жидкости ,кг/м³; D_ж- коэффициент диффузии легколетучего компонента в исходной смеси, м²/с; - поверхностное натяжение жидкости питания,Н/м.

Физико- химические константы отнесены к средней температуре в колонне. Предварительно рассчитаем коэффициент диффузии D_ж:

D_ж=7,4 . (29)

В нашем случае:

=0,303 м Па с;М= М_F= 20,128 кг/к моль;v= 2*3,7 + 7,4= 14,8; Т= 86 +273= 359К.

Коэффициент диффузии:



D_ж =7,4 10 ^-12 =1,2 10^-8 м²/с.

Безразмерные комплексы:

К₁= = 4,9

К₂ ==1,3

Средний к.п.д. тарелки :

Что близко к найденному значению .

Число тарелок в верхней части колонны:

Число тарелок в нижней части колонны:

Общее число тарелок: n=, , из них в верхней части колонны 10, а в нижней 10тарелок.

Высота тарельчатой части колонны:



Общая высота колонны:

Н= +z_n, (30)

Где z_B и z_n -соответственно высота сепарационного пространства над насадкой и расстояние между днищем колонны и насадк

Н=(20-1) 0,3 +0,6+1,5=7,8 м

Общее гидравлическое сопротивление тарелок:

2.5 Расчет комплектующего оборудования

Расчет поверхности теплопередачи дефлегматора

Пары, выходящие из верхней части колонны, сначала необходимо сконденсировать, а потом охлаждать до необходимой нам температуры.

В качестве охлаждающего агента принимаем воду с начальной температурой 20⁰С, а конечной 40⁰С.

Расход теплоты, отдаваемой воде в дефлегматоре:

Расход воды рассчитан выше и составляет :

Средняя разность температур:

(31)

где

Тогда

Принимаем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи К_ор=600 Вт/м²·К, тогда требуемая поверхность теплообмена:

Задаваясь числом Re=15000, определим соотношение n/z для конденсаторов из труб диаметром d_н=20Ч2 мм

(32)

где n- общее число труб,

d- внутренний диаметр труб, м,

z- число ходов по трубному пространству.

Тепло конденсации отводится водой с начальной температурой 18⁰С

Примем температуру воды при выходе из конденсатора 25 ⁰С

При средней температуре

вода имеет следующие физико - химические характеристики

л₂ = 0,618 Вт/м·К;

с₂ = 996 кг/м³;

м₂ = 0,7679·10^-3 Па·с;

Pr₂ = (с_F· м_F)/ л = 5,19

Тогда

В соответствии с таблицей 2.9[2] n/z принимает наиболее близкое к заданному значение у конденсаторов с диаметром кожуха D=800мм, диаметр труб 25Ч2 мм, число ходов z=4, общее число труб n=404

Тогда

В зависимости от длины труб ( 3,0; 4,0;6,0 м) эти конденсаторы имеют поверхности теплопередачи (95,0;127,0; 190,0м)

Действительное число Re:

Коэффициент теплоотдачи к воде:

(33)

Pr===5,19

Коэффициент теплоотдачи от пара, конденсирующегося на пучке вертикально расположенных труб:

(34)

б₁=3,78

Сумма термических сопротивлений стенки труб из нержавеющей стали и загрязнений со стороны воды и пара:

Коэффициент теплопередачи:

Требуемая поверхность теплопередачи:

Как видно из таблицы 2.9[2] конденсатор с длинной труб 3,0 м и поверхностью 95м² подходит с запасом.

Расчет поверхности теплопередачи кожухотрубчатого теплообменника

Рассчитаем и подберем нормализованный кожухотрубчатый теплообменник-подогреватель исходной смеси до температуры, близкой к температуре кипения.

Тепловая нагрузка теплообменника составляет

Средняя разность температур:

(35)

где

В соответствии с табл. 2.1[2] принимаем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи К_ор = 600 Вт/м²·К, тогда требуемая поверхность теплообмена:

Пусть Re₁=15000 - турбулентный режим течения в трубах. Такой режим возможен у теплообменников, у которых число труб n, приходящихся на один ход по трубам диаметром d_н=25Ч2 мм



Расход греющего пара из уравнения теплового баланса:

Тогда диаметр кожуха D=325 мм, диаметр труб 20Ч2 мм, число ходов z=2, общее число труб n=100

В зависимости от длины труб (2,0; 3,0; 4,0 м) эти теплообменники имеют поверхности теплопередачи (12,5;19,0; 25,0)

Действительное число Re:

Коэффициент теплоотдачи к жидкости:

(36)

Коэффициент теплоотдачи к воде составит:

(37)



Теплопроводность нержавеющей стали(табл.28[2])

Требуемая поверхность составляет:

Как видно из табл 2.3[5], что из выбранного ряда подходит теплообменник с трубой L=1,5м и номинальной поверхностью , d_н = 20Ч2 мм.

2.6 Гидравлический расчет продуктовой линии и подбор нагнетательного оборудования

Объемный расход исходной смеси:

а) Выбор трубопровода

Для всасывающего и нагнетательного трубопровода примем одинаковую скорость течения, равную щ = 1,5 м/с.

Тогда диаметр равен:

Принимаем трубу из углеродистой стали наружным диаметром 56 мм и толщиной стенки 3,5 мм [2,стр.16]

б) Определение потерь на трение и местные сопротивления

Находим критерий Рейнольдса:

Т.е. режим турбулентный. Абсолютную шероховатость трубопровода принимаем [2,стр.14]

Тогда:

Далее получим:

Т.е. 5000<Re<280000

Таким образом, в трубопроводе имеет место смешанное трение, и расчет л следует проводить по формуле:

(38)



Определим сумму коэффициентов местных сопротивлений отдельно для всасывающей и нагнетательной линий.

Для всасывающей линии:

1) Вход в трубу (принимаем с острыми краями):[2, стр.14]

о₁ = 0,5

2) Вентиль прямоточный при полном открытии (2 шт.)(т.к. Re < 3·10⁵):

о₂ = 4,5

3) Отвод:

Коэффициент А=1, В=0,15

о₃ = А·B = 0,15

Сумма коэффициентов местных сопротивлений во всасывающей линии:

Потерянный напор во всасывающей линии находим по формуле:

Длина трубопровода на линии всасывания L₁=10 м.

Для нагнетательной линии:

1) Отводы 90⁰ R₀ /d = 2

о₃ = А·B = 0,15

2) Нормальный вентиль; о₄ = 4,5

3) Выход из трубы о₅ = 1

Сумма коэффициентов местных сопротивлений в нагнетательной линии:

Потерянный напор в нагнетательной линии:

(39)

где L₂ = 8 м - длина трубопровода на линии нагнетания.

Общие потери напора:

Выбор насоса:

Находим напор насоса по формуле:

(40)

где - давление в аппарате, из которого перекачивается жидкость;

- давление в аппарате, в который подается жидкость;

- геометрическая высота подъема жидкости;

- суммарные потери напора во всасывающей и нагнетательной линиях.

Примем - геометрическая высота подъема раствора.

Н=8,8+10,65=19,45 м

Полезную мощность насоса, затрачиваемую на перекачивание жидкости, определим по формуле:

где Q - подача (расход);

Н - напор насоса (в метрах столба перекачиваемой жидкости).

Принимая

з_пер = 0,9 и з_н = 0,7 (для центробежного насоса)

по формуле:

По табл. 1.прил.1.1[2] устанавливаем, что заданным подаче и напору соответствует больше всего центробежный насос марки Х8/30

Q = 2,4·10^-3 м³/с;

Н=24 м;

частота вращения вала двигателя n = 48,3 с^-1;

з_н = 0,50;

двигатель АО2-32-2;

мощность номинальная

2.7 Требования охраны труда и техники безопасности

Технологический процесс получения регенерированных продуктов этиленгликоля, метанола, полиэфирной смолы, пластификатора АДМТ, дигликольизофталата является пожаро-взрывоопасным и вредным.

Опасность и вредность цеха определяются:

- возможностью взрыва аппаратов и коммуникаций, работающих под давлением;

- возможностью получения травмы при работе с гидромонитором;

- возможными отравлениями персонала в результате выделения в помещения при авариях токсичных паров метанола, этиленгликоля, изофталевой кислоты, фталевого ангидрида и других вредных веществ;

- возможностью взрыва паров метанола, этиленгликоля, пыли изофталевой кислоты в смеси с воздухом;

- возможностью загорания легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, применяемых в цехе;

- возможностью поражения электрическим током при эксплуатации электрооборудования и освещения;

- возможными термическими ожогами при эксплуатации оборудования с повышенной температурой поверхности;

- возможными термическими и химическими ожогами при использовании высокотемпературных органических теплоносителей, пара, конденсата;

- расположением рабочего места на высоте;

- расположением рабочего места вблизи перемещающихся грузов;

- наличием шума превышающим 80 дБа;

- наличием движущихся и вращающихся частей машин и механизмов.

Условия возможного образования взрывоопасной среды внутри аппаратов, выбросов взрывоопасных и токсичных веществ, возникновения пожаров и взрывов, наличие технических средств противоаварийной защиты технологических процессов, оборудования, локализации аварийных ситуаций, методы удаления продуктов производства из технологических систем и оборудования при аварийных ситуациях приводятся в ПЛЛИА цеха регенерации ЛиОР ЗОС.

Специфичные особенности цеха, связанные с применением и производством токсичных, пожаро-взрывоопасных продуктов, выдвигают перед работниками цеха повышенные требования по созданию и обеспечению безопасных условий труда, по соблюдению норм и правил безопасности.

Характеристика применяемого сырья, полупродуктов и готовой продукции

Метанол - класс опасности 3.

Метанол - прозрачная бесцветная жидкость, с водой смешивается во всех отношениях, горит синим не коптящим пламенем. По внешнему виду и запаху метанол напоминает этиловый (винный) спирт. Плотность 0,795 г/см³. Температура кипения 64,7 °С. Плотность пара по воздуху 1,1.

Метанол - сильный, преимущественно нервно-сосудистый яд. В организм человека может поступать через дыхательные пути, неповрежденную кожу. При любом способе попадания во внутрь (через легкие, кожу или желудок) типичны поражения зрительного нерва и сетчатки глаз. Пары метанола сильно раздражают слизистые оболочки дыхательных путей и глаз. Особенно опасен прием метанола во внутрь. 5-10 грамм метанола могут вызвать отравление человека. Смертельная доза- 30 грамм. Симптомы отравления: головная боль, головокружение, мерцание в глазах, коньюктевит, повышенная утомленность, общая слабость, тошнота, боль в животе, в тяжелых случаях потеря зрения и смерть.

Предельно-допустимая концентрация метанола в воздухе производственных помещений 5 мг/м³.

Требования по охране труда при работе с метанолом:

- к работе с метанолом допускаются лица не моложе 18 лет, прошедшие инструктаж, обучение и проверку знаний по вопросам охраны труда;

- работники, выполняющие работы с метанолом, проходят предварительный, при поступлении на работу, и периодические (один раз в два года) медицинские осмотры;

- содержание паров метанола в воздухе рабочей зоны не должно превышать 5,0 мг/м³;

- аппаратчики, работающие с метанолом, обеспечиваются средствами индивидуальной защиты. Не допускается выполнение работ с метанолом без средств индивидуальной защиты;

- не допускается использование трубопроводов, насосов и шлангов, применяемых для перекачки метанола, для перекачки других продуктов;

- в случае пролива метанола следует незамедлительно засыпать место песком, который удаляется в отдельно отведенное место, а место пролива промыть струей воды. Пропитанный метанолом песок подлежит промывке водой;

- места отбора проб метанола и присоединения к приборам КИПиА должны быть закрыты защитными кожухами, опломбированы. Сохранность пломб проверяется аппаратчиками перед началом работы и в течение смены;

- при обнаружении факта хищения метанола работник должен незамедлительно сообщить об этом непосредственному руководителю;

- места отбора проб должны оснащаться местными укрытиями вытяжной вентиляции;

- посуду с метанолом нельзя ставить вблизи нагревательных приборов и оставлять без присмотра;

- в случае замерзания трубопровода или емкости, в которых имеется метанол, отогревать их следует паром или горячей водой после отключения от действующей схемы;

- после работы с метанолом необходимо вымыть руки с мылом;

- в случае попадания метанола на спецодежду необходимо ее снять и заменить, загрязненная метанолом спецодежда подлежит химчистке или стирке в теплой воде;

- при отравлении метанолом пострадавшего следует вывести (вынести) на свежий воздух и немедленно обратиться за квалифицированной медицинской помощью. Пострадавшему необходимо создать покой, уложить на спину, расстегнуть стесняющую одежду;

- в случае потери сознания с остановкой дыхания пострадавшему следует немедленно, не ожидая прихода медперсонала, сделать искусственное дыхание;

- при попадании метанола на кожу открытых участков тела (лицо, руки и др.) необходимо немедленно промыть пораженные участки большим количеством воды;

- при попадании метанола внутрь следует немедленно обратиться за мед. помощью в здравпункт;

Для безопасного ведения технологического процесса получения регенерированного ЭГ, регенерированного метанола, полиэфирной смолы, пластификатора АДМТ, ароматических полиолов, получение дигликольизофталата и других видов работ, проводимых в цехе (ремонтных, строительных, монтажных и т.д.) должны соблюдаться следующие основные правила:

- знание и точное соблюдение обслуживающим персоналом правил ведения технологического процесса согласно требований инструкций по охране труда (для соответствующих профессий) и технологического регламента;

- знание и точное выполнение персоналом инструкций по охране труда (для соответствующих профессий), по охране труда при проведении отдельных видов работ и пожарной безопасности помещений, Принципов безопасности, принятых в организации.

- на рабочем месте необходимо находиться в положенной спецодежде, иметь в положении "НАГОТОВЕ" фильтрующий противогаз с коробкой марки "А";

- рабочее место каждого работающего должно содержаться в чистоте и порядке, уборка рабочего места производится по окончании работ, проливы органических веществ должны убираться немедленно;

- обтирочные материалы, промасленная ветошь должны собираться в металлические ящики с крышками и в конце смены отправляться на утилизацию;

- осуществлять постоянный контроль за герметичностью аппаратов, трубопроводов, состоянием ограждений, заземлением следить за показаниями приборов КИПиА;

- при обнаружении дефектов в работе оборудования и состоянии производственных помещений работающий должен поставить в известность непосредственного руководителя работ;

- ежесменно в "Оперативный журнал системы ППА" записывается состояние средств противопожарной защиты;

- подступы к производственному оборудованию, средствам связи, пожарной сигнализации, эвакуационные выходы, проходы, проезды, коридоры должны быть свободными.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном курсовом проекте в результате проведённых инженерных расчетов была подобрана ректификационная установка для разделения бинарной смеси метанол - вода с тарельчатой ректификационной колонной диаметром D = 1000(мм), высотой H = 7800 (мм), в которой применяются колпачковые тарелки. Колонна работает в нормальном режиме.

Также были рассчитаны и подобраны кожухотрубчатый теплообменник для подогрева исходной смеси, дефлегматор и насос, осуществляющий подачу раствора.



СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Павлов К. Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии./-14-е изд. - Москва: ООО ИД «Альянс», 2007. - 576с.

2 Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию /под общ. ред. Ю.И. Дытнерского.-2-е изд.-Москва: Химия,1991.-496с.

3 Стабников В.И. Расчет и конструирование контактных устройств ректификационных и абсорбционных аппаратов / 2-е изд., Киев: Техника,1970.-208с.

4 Александров И.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты / 3-е изд. - М.: Химия, 1978.- 280 с.

Размещено на Allbest.ru

...