Проект ректификационной установки непрерывного действия для разделения смеси метиловый - этиловый спирт

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет»

Факультет: Химических технологий

Кафедра: Промышленной экологии,

Процессов и аппаратов химических производств

Дипломная работа

Проект ректификационной установки непрерывного действия для разделения смеси метиловый- этиловый спирт

(ПЭ ПАХП.000000.122.ПЗ)

Руководитель: А.А. Атаманов

Разработал: студент гр. 64-1 IV курса

Т.А. Эйхо

Красноярск, 2008

Содержание

Реферат

Введение

1. Расчет колонны

1.1 Материальный баланс

1.2 Расчет диаметра колонны

1.3 Определим высоту колонны

2. Гидравлический расчет колонны

3. Тепловой расчет ректификационной колонны

3.1 Расчет тепловой изоляции колонны

4. Расчет вспомогательного оборудования

4.1 Расчет кипятильника

4.2 Расчет дефлегматора

4.3 Расчет холодильника для дистиллята

4.4 Расчет холодильника для кубового остатка

4.5 Расчет подогревателя

Заключение

Список использованной литературы

Приложения

метиловый этиловый спирт ректификационная колона

В курсовом проекте приведены результаты расчета ректификационной колоны непрерывного действия, предназначенной для разделения бинарной смеси метиловый спирт – этиловый спирт.

Курсовой проект содержит расчетно-пояснительную записку из 44 страниц текста, 4 таблиц, 2 рисунков, 5 литературных источников и графическую часть из 2 листов формата А1.

Введение

Ректификация - массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаев в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными используемыми в процессе абсорбции. Поэтому методы подхода к расчету и проектированию ректификационных и абсорбционных установок имеют много общего.

Большое разнообразие тарельчатых контактных устройств затрудняет выбор оптимальной конструкции тарелки. При этом наряду с общими требованиями (высокая интенсивность единицы объема аппарата, его стоимость и др.) ряд требований может определяться спецификой производства: большим интервалом устойчивой работы при изменении нагрузок по фазам, способностью тарелок работать в среде загрязненных жидкостей, возможностью защиты от коррозии. Зачастую эти качества становятся превалирующими, определяющими пригодность той или иной конструкции для использования в каждом конкретном процессе.

Целью расчета массообменного аппарата является определение конструктивных размеров, т.е. высоты и диаметра колонны, гидромеханических и экономических показателей ее работы.

При расчете процессов ректификации составы жидкостей обычно задаются в массовых долях или процентах, а для практического расчета удобнее пользоваться составами жидкостей и пара, выраженными в мольных долях или процентах.

Простая перегонка.

Фракционная перегонка. Перегонку проводят путем постепенного испарения жидкости, находящейся в перегонном кубе. Образующиеся пары отводятся и конденсируются. Процесс осуществляют периодическим или непрерывным способом.

Если простая перегонка проводится периодически, то в ходе отгонки НК содержание его в кубовой жидкости уменьшается. Вместе с тем, изменяется во времени и состав дистиллята, который обедняется НК по мере протекания процесса. В связи с этим отбирают несколько фракций дистиллята, имеющих различный состав. Простая перегонка, проводимая с получением конечного продукта разного состава, называется фракционной, или дробной, перегонкой.

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).

Непрерывно действующие установки. Ректификационная колонна 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, который находится вне колонны, т. е. является выносным, либо размещается непосредственно под колонной. Следовательно, с помощью кипятильника создается восходящий поток пара.

Влияние агрегатного состояния и температуры исходной смеси на работу колонны.

При выборе оптимальных условий работы ректификационной установки необходимо учитывать расход тепла и основные параметры (температуру и давление) теплоносителей — греющего пара и охлаждающей воды, а также требуемые размеры, как самой колонны, так и соединенных с ней теплообменных аппаратов (кипятильника, нагревателя исходной смеси, дефлегматора и холодильника паров). Все эти факторы взаимосвязаны и зависят, в частности, от температуры и агрегатного состояния подаваемой на разделение смеси.

Исходная смесь может поступать в колонну не только в жидком, но и в парообразном состоянии или в виде смеси жидкости и пара. При прочих равных условиях — заданны составах дистиллята уD и остатка xW, давлении Р в колонне и др. — подвод тепла в колонну минимален в случае подачи в нее жидкой исходной смеси, предварительно нагретой до температуры кипения tK на питающей тарелке.

Кипятильник, или куб предназначен для превращения в пар части жидкости, стекающей из колонны, и подвода пара в ее нижнюю часть (под насадку или нижнюю тарелку). Кипятильники имеют поверхность нагрева в виде змеевика или представляют собой кожухотрубчатый теплообменник, встроенный в нижнюю часть колонны. Более удобны для ремонта и замены выносные кипятильники, которые устанавливают ниже колонны с тем, чтобы обеспечить естественную циркуляцию жидкости.

В периодически действующих колоннах куб является не только испарителем, но и емкостью для исходной смеси. Поэтому объем куба должен быть в 1,3—1,6 раза больше его единовременной загрузки (на одну операцию). Обогрев кипятильников наиболее часто производится водяным насыщенным паром.

Дефлегматор, предназначенный для конденсации паров и подачи орошения (флегмы) в колонну, представляет собой кожухотрубчатый теплообменник, в межтрубном пространстве которого обычно конденсируются пары, а в трубах движется охлаждающий агент (вода). Однако вопрос о направлении конденсирующихся паров и охлаждающего агента внутрь или снаружи труб следует решать в каждом конкретном случае, учитывая желательность повышения коэффициента теплопередачи и удобство очистки поверхности теплообмена.

Расчет ректификационной колоны сводится к определению ее основных параметров – диаметра и высоты. Оба параметра в значительной мере определяются гидродинамическим режимом работы колонны, который в свою очередь, зависит, от скорости и физических свойств фаз, а так же от типа и размеров насадок.

При выборе колпачков, клапанов, насадок для аппаратов руководствуются рядом соображений

Принципиальная технологическая схема и ее описание

Рисунок 1 – Схема непрерывно действующей ректификационной установки.

Пары проходят через слой жидкости на нижней тарелке, которую будем считать 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, имеющим 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 x2 содержит больше НК, чем на первой (х2 > х1), и соответственно кипит при более низкой температуре (t2 < t1). Соприкасаясь с ней, пар состава y1 частично конденсируется, обогащается НК и удаляется на вышерасположенную тарелку, имея состав у2 > x2, 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 верхнюю 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, охлаждаемом водой, и получаемая жидкость разделяется в делителе 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 (флегма), 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 до температуры кипения жидкости на питающей тарелке.

Питающая тарелка как бы делит колонну на две части, имеющие различное назначение. В верхней части (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 (от питающей до нижней тарелки) 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 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. 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 ВК), также делится на две части. Одна часть, как указывалось, направляется в кипятильник, а другая — остаток (нижний продукт) после охлаждения водой в холодильнике направляется в сборник

Физико-химические характеристики продукта

Продуктом этой смеси являются метиловый и этиловый спирты.

Метиловый спирт

Молекулярный вес 32 кг/моль

Плотность 792 кг/м³ при 20^оС

Температура кипения 64,509^оС

Бесцветная жидкость

Этиловый спирт

Молекулярный вес 46 кг/моль

Плотность 789 кг/м³ при 20^оС

Температура кипения 76,605^оС

Бесцветная жидкость

Используя опытные данные о равновесии между жидкостью и паром или расчетные. Равновесные данные для указанной бинарной системы при заданном давлении в ректификационной колонне заносят в таблицу 1.

Таблица 1 – Равновесные составы жидкостей (х) и пара (у) в мол % и температуре кипения (t) ºС двойных смесей при атмосферном давлении.

х, % мольн	у, % мольн	t, ^оС	P, мм рт ст
0,0	0	78,3	760
13,4	18,3	76,3
24,2	32,6	75
32,0	42,8	73,6
40,1	52,9	72,3
43,5	56,6	71,7
54,2	67,6	70
65,2	75,9	68,6
72,8	81,3	67,7
79,0	85,8	66,9
81,4	87,5	66,6
87,3	91,9	65,8
91,0	93,7	65,6
100	100	64,5

1. Расчет колонны

1.1 Материальный баланс

Материальный баланс всей ректификационной колонны может быть представлен двумя уравнениями: по всему продукту

по легколетучему компоненту

где х_f, х_D, х_w – молярные составы (мольные доли) низкокипящего компонента (НК) соответственно в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке.

Для дальнейших расчетов необходимо концентрации исходной смеси дистиллята и кубового остатка выразить в массовых долях.

;

где х_А – мольная доля низкокипящего компонента в жидкости;

М_А – молекулярная масса низкокипящего компонента, кг/кмоль;

М_В – молекулярная масса высококипящего компонента, кг/кмоль.

Молекулярная масса метилового спирта – 32 кг/кмоль, этилового спирта – 46 кг/кмоль.

Массовый расход исходной смеси, кг/с, определим по формуле

кг/с

Массовый расход кубового остатка, кг/с, определим по формуле

G_w = G_f – G_d = 8,13-1,32=7,81кг/с

По имеющимся данным о равновесии между жидкостью и паром строим изобары температур кипения и конденсации смеси t=f(x,y) (Рисунок 1) и линию равновесия на диаграмме y=f(x) (Рисунок - 1).

Рисунок 1- Зависимость температур кипения и конденсации от состава фаз

Затем рассчитаем минимальное флегмовое число

R_min=( x_d– у^*_f )/( у^*_f – x_f )=( 0.95 - 0.3)/(0.3-0.22) = 8,06

где у^*_f- мольная доля НКК в паре, равновесном с исходной смесью, определяется по диаграмме х-у (рис 2) у^*_f= 0,3

Оптимальное флегмовое число определим из условия получения минимального объема колонны, пропорционального произведению n_T(R+1),где n_T–число ступеней изменения концентрации (теоретическое число тарелок).

Таблица 2- Данные для расчета оптимального флегмового числа

β	R= β R_min	В	n_т	n_т(R+1)
1,1	8,87	0,09	17	167,7
1,2	9,67	0,08	15	160,05
2,0	16,1	0,05	12	205,2
2,8	22,57	0,04	11	259,3
3,6	29,02	0,03	10	300,2

Строим график зависимости n_т(R+1) от R. Находим min точку и опускаем из неё перпендикуляр на ось Х. Эта точка и будет являться оптимальным флегмовым числом. В нашем случае R_опт=9,67.

Рисунок 2 – Определение оптимального флегмового числа.

Уравнение рабочих линий

А) Верхней (укрепляющей) части колонны

Б) Нижней (исчерпывающей) части колонны

1.2 Определение скорости пара и диаметра колонны

Рассчитываем средние концентрации низкокипящего компонента в жидкости:

а) верхней (укрепляющей) части колонны:

;

б) нижней (исчерпывающей) части колонны:

;

Средние температуры пара определяем по t - x,y (Рисунок 1):

а) при ;

б) при .

Средняя плотность жидкости в колонне:

где: ρ_А,ρ_В– плотности низкокипящего и высококипящего компонентов при средней температуре в колонне, соответственно, кг/м³

а) верхней (укрепляющей) части колонны:

б) нижней (исчерпывающей) части колонны:

Для колоны в целом:

Рассчитываем средние концентрации низкокипящего компонента в паре:

y_F – концентрация низкокипящего компонента в паре на питающей тарелке. Определяется в точке пересечения линий рабочих концентраций, построенных при оптимальном флегмовом числе R=9,67.

y_F=0,29

а) верхней (укрепляющей) части колонны:

б) нижней (исчерпывающей) части колонны:

Средние температуры пара определяем по t - x,y (рис.4):

а) при ;

б) при.

Средние мольные массы и плотности пара:

а) в верхней части колонны

;

б) в нижней части колонны

Средняя плотность пара в колонне:

;

а) в верхней части колонны

;

б) в нижней части колонны

;

Средняя плотность пара в колонне:

;

Определяем скорость пара в колонне. Принимаем расстояние между тарелками h = 450 мм. По графику (рис.4,8 стр.69 (2)) находим С = 630.

;

где M_D – мольная масса дистиллята.

Тогда диаметр колонны:

По каталогу – справочнику «Колонне аппараты» принимаем D = 2600 мм. Тогда скорость пара в колонне будет:

;

Высоту колонны определим графо- аналитическим методом, т.е. последовательно рассчитываем коэффициенты массоотдачи, массопередачи, коэффициенты действия тарелок; строим кинетическую кривую и определяем число действительных тарелок.

Коэффициент массоотдачи в паровой фазе рассчитывают по формуле:

где - коэффициент диффузии паров в метиловом спирте, рассчитывается по формуле:

- критерий Рейнольдса для паровой фазы

где - коэффициент динамической вязкости смеси метилового и этилового спиртов при средней температуре.

Вязкость рассчитывают по формулам:

где - мольные массы пара и отдельных компонентов, кг/кмоль; μ_ср.п ,μ_А, μ_В – соответствующие им динамические коэффициенты вязкости:

в верхней части колоны при температуре t=71,4⁰С

μ_Ап= 0,010946 мПа·с, μ_Вп= 0,010047 мПа·с

в нижней части колонны при t=76,8⁰С

μ_Ап= 0,01112 мПа·с, μ_Вп= 0,01022 мПа·с;

y_А, y_В – объемные доли компонентов в паровой смеси.

Тогда:

Рассчитываем коэффициент диффузии паров по формуле:

Критерий Рейнольдса для паровой фазы:

Рассчитав все эти величины, определим и коэффициент массоотдачи в паровой в верхней и нижней частях колонны фазе по уравнениям:

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе:

гдеD_ж- коэффициент диффузии метилового спирта в жидком этиловом спирте, м/с²; М_ж.ср.- средняя мольная масса жидкости в колоне, кг/кмоль

Pr^/_ж- диффузионный критерий Прандля

Коэффициент диффузии пара в жидкости D_t связан с коэффициентом диффузии D₂₀ следующей приближенной зависимостью:

где b- температурный коэффициент. Определяется по формуле:

где μ_ж- динамический коэффициент вязкости жидкости при 20⁰С, мПа·с; ρ- плотность жидкости, кг/м³.

Коэффициент диффузии в жидкости при 20⁰С можно определять по формуле:

где μ_ж- динамический коэффициент вязкости жидкости, мПа·с; ν_А, ν_В- мольные объемы компонентов А и В;А и В – коэффициенты, зависящие от свойств растворенного вещества и растворителя; М_А, М_В- мольные массы растворенного вещества и растворителя.

Динамический коэффициент вязкости жидкости:

где μ_А, μ_В- коэффициенты динамической вязкости компонентов А и В при соответствующей температуре (2, c.516).

Коэффициент динамической вязкости жидкости для верхней и нижней части колонны при температуре 20⁰С равен:

Коэффициент диффузии метилового спирта в жидком этиловом спирте при 20⁰С для верхней и нижней чисти колонны:

Расчет коэффициента b.Для верхней и нижней части колонны:

Коэффициент диффузии метилового спирта в жидком этиловом спирте при средней температуре для верхней и нижней части колонны:

Рассчитываем коэффициент динамической вязкости жидкости в верхней и нижней части колонны при средней температуре:

при 70⁰С: μ_А=0,321 мПа·с; μ_В=0,625 мПа·с

при 76,6⁰С: μ_А=0,321 мПа·с; μ_В=0,56 мПа·с

Критерий Прандля для верхней и нижней части колонны:

Средняя мольная масса жидкости в верхней и нижней части колонны:

Рассчитав все величины, определяем коэффициент массоотдачи в жидкой фазе по уравнению:

Коэффициенты массопередачи определяем по уравнению:

где m – тангенс угла наклона линии равновесия на рабочем участке.

Для определения угла наклона разбиваем ось х на участки и для каждого из них находим среднее значение тангенса как отношение разности ординат (у^*-у) к разности абсцисс (х-х^*), т.е.

Подставляем найденные значения коэффициентов массоотдачи β_п и β_ж и тангенсов углов линии равновесия в уравнение, находим величину коэффициента массопередачи для каждого значения х в пределах от 0,07 до 0,95.

Полученные данные используем для определения числа единиц переноса n_у в паровой фазе: