Курсовая работа (т): Ректификация метанол-этанол

Электропроводка, электродвигатели и пусковые устройства к ним допускаются только во взрывозащищённом исполнении.

В процессе эксплуатации ректификационных установок запрещается:

работать с подтёками спирта в сальниках, трубопроводах, фланцевых соединениях и других элементах установки;

применять открытый огонь, выполнять работы с нагретыми металлическими предметами (паяльниками), с оборудованием и инструментами, способным дать искру;

хранить в ректификационном отделении самовоспламеняющиеся материалы;

превышать избыточное давление в аппаратуре выше значения, установленного в паспорте завода - изготовителя;

проводить чистку отдельных аппаратов ректификационных установок во время их работы;

Перед ремонтом установки или отдельных её элементов необходимо тщательно произвести стяжку спирта из установки, промывку и пропаривание водяным паром колонн, дефлегматоров, конденсаторов, холодильников, трубопроводов и т.д.

Все работники производства должны узнать и строго соблюдать правила техники безопасности и охраны труда, соблюдать правила технической эксплуатации ректификационного оборудования и необходимой герметизации его.

2. Расчетная часть

.1 Материальный расчет

Из уравнения материального баланса:

G_D+G_W=G_F

Для дальнейших расчетов выражаю концентрацию питания, кубового остатка и дистиллята в мольных долях

Питание:

Дистиллят:

Кубовый остаток:

Относительный мольный расход питания

Строю кривую равновесия по данным из справочника (Рис. 3):

Где у^*_F=0.594 - мольная доля метанола в паре, равновесном с жидкостью определена по равновесной кривой.

Рабочее число флегмы

Уравнения рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части колонны

б) нижней (исчерпывающей) части колонны

На кривой равновесия строю прямую по полученной формуле. Нахожу точку А и соединяю её с точкой С.

Получаю теоретическое число тарелок

Nниж=19

Nверх=12

Рис. 3 Кривая равновесия

.2 Технологический расчет

Определяю скорость пара и диаметр колонны:

Средние концентрации жидкости

а) в верхней части колонны

б) в нижней части колонны

Средние концентрации пара нахожу по уравнениям рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части колонны

б) нижней (исчерпывающей) части колонны

Средние температуры пара определяю по диаграмме t - хy (Рис. 4)

Рис. 4 Диаграмма t, х-y

а) при y’_cp=0.745, t=69⁰C

б) при y’’_cp=0.277, t=75⁰C

Средние мольные массы и плотности пара:

Средняя плотность пара в колонне:

Плотность метанола при 69⁰С =747.300 кг/м³

Плотность этанола при 75⁰С =740.000 кг/м³

Средняя плотность жидкости в колонне:

ρ_Ж=(747.3+740)/2=743.650 кг/м³

Определяю скорость пара:

Т.к. плотности жидкости намного больше плотности пара, применяю формулу для расчета рекомендуемой скорости пара

По данным каталога-справочника «Колонные аппараты» принимаю расстояние между тарелками h=300 мм. Для ситчатых тарелок по графику (1, рис. 7.2) нахожу С=0,032

Объемный расход проходящего через колонну пара при средней температуре в колонне t_ср=(68.7+74.7)/2=71.7⁰С

Где M_D=0.964*32.042+0.036*46.069=32.537 кг/кмоль - мольная масса дистиллята

Диаметр колонны:

Выбираю по каталогу-справочнику «Колонные аппараты» для колонн с ситчатыми тарелками D=3,6 м.

Тогда скорость пара будет

.3 Тепловой расчет

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе:

Здесь

r_М и r_Э - удельные теплоты конденсации метанола и этанола при 74,7⁰С Расход теплоты получаемой в кубе-испарителе от греющего пара

Здесь тепловые потери Q_пот приняты в размере 3% от затрачиваемой теплоты, удельные теплоемкости смеси взяты при соответствующих температурах.

Расход теплоты в подогревателе исходной смеси

Расход теплоты отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята:

Расход греющего пара, имеющего давление р_абс=3 кгс/см² и влажность 5%:

В кубе-испарителе

Где r_г.п.=1606*10³ Дж/кг - удельная теплота конденсации греющего пара

В подогревателе исходной смеси

Всего 14.454 кг/с

Расход охлаждающей воды при нагреве её на 20⁰С

б) в дефлегматоре

г) в водяном холодильнике кубового остатка

Всего 0.243794 м³/с или 877.658 м³/ч.

2.4 Гидравлический расчет

Принимаю следующие размеры ситчатой тарелки:

Диаметр отверстий d₀=4 мм, высота сливной перегородки h_п=40 мм.

Свободное сечение тарелки (суммарная площадь) отверстий 8% от общей площади тарелки. Площадь, занимаемая двумя сегментными переливными стаканами составляет 20% от общей площади тарелки.

Рассчитываю гидравлическое сопротивление тарелки в верхней и нижней части колонны по уравнению

а) Верхняя часть колонны:

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки

Сопротивление обусловленное силами поверхностного натяжения

Где σ =0,0186 Н/м (2, Прил.V) - поверхностное натяжение метанола при температуре в верхней части колонны 69⁰С, d₀=0,004 м - диаметр отверстий тарелки

Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке

Высота парожидкостного слоя

Величину Δh - высоту слоя над сливной перегородкой рассчитываю по формуле

Где V_Ж - объемный расход жидкости, м³/с; П=6,75 м - периметр сливной перегородки (4, стр. 216), k=ρ_ПЖ/ρ_Ж - отношение плотности парожидкостного слоя (пены) к плотности жидкости, принимаемое приближенно равным 0.5

Где М_ср =0,716*32,042+0,284*46,069=35,292 - средняя мольная масса жидкости, кг/моль

Нахожу Δh:

Высота парожидкостного слоя на тарелке:

h_ПЖ= h_П+Δh=0.016+0.04=0.056 м

Сопротивление парожидкостного слоя:

Общее гидравлическое сопротивление

б) Нижняя часть колонны

Где σ =(19*0,38+18,6*0,62)/1000=0,0187 Н/м (2, Прил.V) - поверхностное натяжение смеси при температуре питания 65⁰С

(М_F=0,38*32,042+0,62*46,069=40,739 кг/кмоль)

h_ПЖ= h_П+Δh=0.020+0.040=0.060 м

Проверим, соблюдается ли при расстоянии между тарелками h=0.3 м необходимое для тарелок условие

Наибольшее сопротивление в нижней части колонны

Следовательно условие соблюдается

Проверяю равномерность работы тарелок - рассчитаю минимальную скорость пара в отверстиях ω_0мин, достаточную для того, чтобы ситчатая тарелка работала всеми отверстиями.

Тарелки будут работать всеми отверстиями

Определение числа тарелок и высоты колонны

Теоретическое число тарелок в нижней и верхней части 2 и 11

Число тарелок рассчитываю по формуле

Для определения среднего коэффициента к.п.д. тарелок η нахожу коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов α=Р_М/Р_Э и динамический коэффициент вязкости исходной смеси μ при средней температуре 72⁰С.

При этой температуре давление насыщенного пара метанола Р_М=927 мм.рт. ст, этанола Р_Э=543 мм.рт. ст

α=927/543=1,707

Динамический коэффициент вязкости метанола равен 0,32мПа*с, этанола 0,523мПа, принимаю средний коэффициент 0,4215МПа*с

αμ=1,71**0,4215=0,719

Нахожу коэффициент η=0,520 (1, рис. 7.4)

Принимаю значение Δ=0,170 (1, рис. 7.5)

Средний к.п.д.

Реальное число тарелок:

а) в нижней части n’’=19/0.712=27

б) в верхней части n’=12/0.712=17

Общее число тарелок 44

Нт=(n-1) h=(44-1)*0.3=13,2 м

Общее гидравлическое сопротивление тарелок:

Расчет штуцеров (5, пункт 1.2):

Диаметр отверстия:

Где Q-объемный расход жидкости или пара (м³/с)

ω - скорость жидкости или пара

Выбираю скорости питания, дистиллята, флегмы, и кубового остатка (4. стр. 16):

ω_F=1,5 м/с

ω_D=15 м/с

ω_W=1 м/с

ω_R=1,5 м/с

Объемный расход:

Q_F=9500/(3600*743,65)= 0,004м³/с

Q_D=3677,419/(3600*1,258)=0,811м³/с

Q_W=5822,581/(3600*740)= 0,002м³/с

Q_R=G_D(R+1)/(3600*747,3)=0,009м³/с

Диаметры фланцев:

D_F=0,06 м (выбираю фланец d_ВН=65 мм)

D_D=0,26 м (выбираю фланец d_ВН=300 мм)

D_W=0,05 м (выбираю фланец d_ВН=50 мм)

D_R=0,1 м (выбираю фланец d_ВН=100 мм)

Список использованной литературы

ректификация смесь паровой этанол

1. Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу ПАХТ, Л, Химия. 1978 г.

2.       Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии. М, Химия, 1991 г.

.        Романков П.Г. Процессы и аппараты химической промышленности Л, Химия. 1989 г.

.        Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии, М.; Химия, 1991 г.