Ректификационная установка непрерывного действия (тарельчатая (ситчатая) для разделения смеси: метанол - вода)

“Ректификационная установка непрерывного действия (тарельчатая (ситчатая) для разделения смеси: метанол - вода” Проект выполнил: Группа: XT-308 Руководитель проекта: Зиновкина Т.В. Москва 2001 СОДЕРЖАНИЕ: Введение Описание технологической схемы Данные по равновесию смеси Основные теплофизические характеристики потоков Материальный баланс Мольный расход питания Минимальное флегмовое число Рабочее флегмовое число Уравнения рабочих линий Определение скорости пара и диаметра колонны Расчет средних величин по аддитивности Тепловой баланс колонны Диаметр колонны по условиям верха и низа Скорость пара в колонне Определение числа тарелок и высоты колонны Число тарелок Высота тарельчатой части Высота колонны Гидравлический расчет тарелок Тепловой расчет установки Дефлегматор – конденсатор Куб – испаритель Паровой подогреватель смеси Водяной холодильник дистиллята Водяной холодильник кубового остатка Расход греющего пара Расчет теплообменной аппаратуры Расчет подогреваемой смеси Расчет конденсатора – дефлегматора Расчет испарителя (кипятильника) Выбор емкостей Емкость для хранения исходной смеси Емкость для дистиллята Емкость для кубового остатка Расчет тепловой изоляции Расчет центробежного насоса Расчет потерь на трение и местные сопротивления Выбор насоса Расчет и подбор штуцеров Штуцер для подачи исходной смеси Штуцер для вывода паров дистиллята Штуцер для вывода кубового остатка Штуцер для ввода парожидкостной смеси в колонну из кипятильника Штуцер для подачи жидкости в кипятильник Расчет и подбор крышки Расчет и подбор днища Расчет и подбор обечайки Расчет и подбор конденсатоотводчиков Конденсатоотводчик для куба – испарителя Конденсатоотводчик для подогревателя исходной смеси Опора аппарата Список литературы 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. 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 8-10. Перекачивающие насосы на рисунке не показаны. Принята следующая терминология основных потоков и узлов ректификационной установки: • поток / носит естественное название - исходная смесь; • поток II именуют дистиллятом (или дистиллатом); • 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.

Равновесные данные системы метанол - вода при р = 1,013 105 Па Таблица 1. x% 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y% 0 26,8 41,8 57,9 66,5 72,9 77,9 82,5 87 91,5 95,8 100 t0C 100 92,3 87,7 81,7 78 75,3 73,1 71,2 69,3 67,6 66 64,5 ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ: Производительность по исходной смеси W1 = 7500 кг/час = 2,08 кг/с концентрации низкокипящего компонента: в исходной смеси а1 = 25% (мас), в дистилляте а2 = 99,5% (мас), в кубовом остатке а0 = 0,5% (мас). Материальные балансы W1 - массовый расход смеси, П - массовый расход дистиллята, W0 - массовый расход кубового остатка.

Составляем уравнения материального баланса ректификационной колонны непрерывного действия.

Баланс по всей смеси: W1 - П - W0 = 0 Баланс по низкокипящему компоненту: W1a1 - W0a0 - Пa2 = 0 кг/с кг/с Выразим концентрации исходной смеси, дистиллята и кубового остатка в мольных долях, если Мметанол = 32,04 кг/кмоль, Мвод = 18,02 кг/кмоль Определяем мольные массы исходной смеси, дистиллята и кубового остатка Переведем количества жидкостей из кг/с в кмоль/c: Относительный мольный расход питания Минимальное флегмовое число где - концентрация низкокипящего компонента в паре, находящимся в равновесии с исходной смесью (находится по диаграмме x - y) Рабочее флегмовое число где - коэффициент избытка флегмы Уравнения рабочих линий - верхней (укрепляющей) части колонны - нижней (отгонной) части колонны Построение рабочих линий ректификационной колонны: рабочую линию укрепляющей части колонны удобно строить по двум точкам.

Первая получается при пересечении диагонали диаграммы x - y с прямой x = x2, а вторая - точка на оси ординат рабочую линию отгонной части колонны также строим по двум точкам. Первая - это точка пересечения рабочей линии укрепляющей части колонны с прямой x = x1, а вторая - точка на диагонали диаграммы x - y с абсциссой x0. 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 Температура t и скорость пара п изменяются по высоте колонны.Поэтому диаметр колонны dк рассчитывают для ряда сечений колонны (в нашем случае для укрепляющей и отгонной частей). Если при расчете величины dк получаются близкими, то колонну делают одного диаметра (ориентируясь на большее значение dк). Если различие в значениях dк 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.