Проект установки производства метанола мощностью 592 тыс.т год

Проект установки производства метанола мощностью 592 тыс.т год
2016 ТюмГНГУ
...

1.ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
2.ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
2.1 Выбор и обоснован технологии производства
2.2 Описание технологической схемы установки
2.3 Материальный баланс
2.4 Технологический расчет оборудования ЗАКЛЮЧЕНИЕ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Минимальное флегмовое число
Определим минимальное флегмовое число.
Выражая при помощи уравнения

x= ("a" /"Mмет." )/("a" /"Mмет." "+" "1-a" /"Mвода" ) ,

составы исходной смеси xF, дисстилята xp; и остатка xW в молярных долях, получаем: M(CH3OH) =32,04 г/моль; M(H2O)=18,02 г/моль.

В точке ввода исходной смеси пар может иметь в пределе состав, равновесный с исходной смесью. Для более полного обогащения пара НКК верхнюю часть колоны орошают жидкостью состава хр, которая получается в Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист11дефлегматоре путем конденсации пара, выходящего из колонны. Эта часть конденсата называется флегмой. Другая часть конденсата пара выводится из дефлегматора в виде продукта разделения – дистиллята. Жидкость, отводимая из нижней части колонны, называется кубовым остатком. Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный процесс разделения подаваемой в колонну исходной бинарной смеси на дистиллят с высоким содержанием НКК и кубовый остаток, обогащенный ВКК. Если обозначить количество поступающей на ректификацию исходной смеси Gf, количествополучаемого дистиллята Gp и количество кубового остатка Gw, то материальный баланс выразится равенством:Gf = Gp + Gw. Если заданы количество и состав исходной смеси и составы продуктов разделения, то для определения количеств дистиллята и кубового остатка уравнение дополняют уравнением материального баланса для НКК:Gf хf= Gp хp + Gw хw. Степень разделения – чистота получаемых при ректификации продуктов – определяется физико-химическими свойствами разделяемых веществ, размерами и конструкцией аппарата, условиями проведения процесса (гидродинамикой, давлением и пр.).Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист12На рисуноке 2.1 в координатах состав пара (у) – состав жидкости (х) графически представлена типичная зависимость между равновесными (линия 1) и рабочими (линия 2 и 3) составами фаз для бинарной смеси. Уравнения линий рабочих концентраций для верхней и нижней частей колонны имеют различный вид:- для верхней частиyв = R / (R + 1) x + xp / (R + 1), - для нижней частиyн = (R + f) / (R + 1) x – (f – 1) × × xw / (R + 1), где f = Gf / Gp – удельное количество поступающей исходной смеси;R = GR / Gp – флегмовое число, представляющее собой отношение количества флегмы, подаваемой на орошение колонны к количеству дистиллята.В уравнениях рабочих линий составы взаимодействующих фаз выражаются только в мольных долях НКК.Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист13Рис.2.1 Х-Y-диаграмма. Зависимость между равновесными и рабочими составами фаз для смеси этиловый спирт-водаПри расчетах процессов ректификации принимаются следующие допущения, мало искажающие фактические условия протекания процесса, но значительно упрощающие расчет:1 Разделяемая смесь следует правилу Трутона, согласно которому отношение мольной теплоты испарения или конденсации к абсолютной температуре кипения для всех жидкостей является приближенно величиной постоянной.Для смеси, состоящей из двух компонентов:rсм / Tсм = r1 / T1 = r2 / T2 - const. Отсюда следует, что при конденсации 1 кмоль ВК в колонне испаряется 1 кмоль НК, т.е. мольное количество паров, поднимающихся по колонне постоянно.Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист142 Принимается, что Yp = xp , a Yw = xw , т.е. пренебрегается укрепляющим действием дефлегматора в процессе конденсации в нем паров и пренебрегается исчерпывающим действием кипятильника.3 Теплоты смешения компонентов разделяемой смеси равны нулю. Кроме того, в расчетах исходят из того, что смесь, подлежащая разделению, поступает в колонну нагретой до температуры кипения на питающей тарелке. В этом случае точка пересечения рабочих линий низа и верха колонны лежит на ординате x = хf .Следует отметить, что питание колонны исходной смесью может осуществляться в виде пара и в виде жидкости с температурой ниже температуры кипения смеси. Из анализа уравнений рабочих линий низа и верха колонны с учетом сделанных допущений следует, что рабочая линия верхней части колонны пересекает диагональ в точке А (при этом x = хр), а нижней – в точке В (x = хw). Между собой эти линии пересекаются в точке С, где x = хf.По высоте точка С располагается между равновесной линией и диагональю и зависит от R, при Rmin точка С находится на равновесной линии, при Rmax – на диагонали.По фазовой диаграмме (рисунок 1) графическим построением может быть найдено число теоретических ступеней изменения концентраций или число "теоретических тарелок". За "теоретическую тарелку" принимается такая условная тарелка, на которой (рисунок 2.1) пар состава у1, взаимодействуя с жидкостью состава х1, изменяет концентрацию до равновесной Y1*.В этом случае число "теоретических тарелок" определяется построением ступеней между рабочими и равновесными линиями в пределах от хw до хр.На реальных тарелках в колонне не достигается равновесного состояния между паром и жидкостью. Поэтому для аналогичного изменения концентрации требуется большее число действительных тарелок.Отношение числа «теоретических тарелок» nт к числу действительных тарелок nд в колонне называют средним коэффициентом полезного действия тарелок (КПД колонны): ηср = nт / nд .Величина КПД как мера интенсивности работы тарелок зависит от гидродинамических условий на тарелке, физических свойств пара и жидкости, кривизны равновесной линии. В связи с тем, что все эти факторы могут изменяться с изменением концентрации, КПД каждой тарелки η будет Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист15отличаться от среднего для всех тарелок ηср. Величина ηср определяется опытным путем.Проведение процесса ректификации требует затраты тепловой энергии. Тепло, необходимое для испарения кубовой жидкости, подводится в кипятильник. Обычно подвод тепла осуществляется насыщенным водяным паром, а для колонн малого диаметра можно использовать электронагрев.Теоретический расход тепла на проведение процесса определяется из уравнения теплового баланса:Qк = Gp (R + 1) rp + Gp cp tp + Gw cw tw – Gf cf tf , где rp – удельная теплота конденсации паров в дефлегматоре;сf, cp, cw – соответственно, теплоемкости исходной смеси, дистиллата и кубового остатка;tf, tp, tw – температуры кипения исходной смеси, дистиллата и кубовой жидкости, соoтвeтcтвeннo. Теплоемкости и скрытая теплота конденсации смесей рассчитывается по правилу аддитивности. Фактический расход тепла несколько больше рассчитанного по уравнению теплового баланса за счет потерь тепла в окружающую среду.2.2 Описание технологической схемы установкиОбычно ректификационный аппарат состоит из двух частей: верхней и нижней, каждая из которых представляет собой организованную поверхность контакта фаз между паром и жидкостью.В нижней части исходная смесь взаимодействует с паром, начальный состав которого равен составу кубового остатка. Вследствие этого из смеси извлекается НКК.В верхней ступени пар начального состава соответствующий составу исходной смеси, взаимодействует с жидкостью, начальный состав которой равен составу дистиллята. Вследствие этого пар обогащается НКК до требуемого предела, а ВКК извлекается из паровой фазы.Пар для питания ректификационной колонны получается многократным испарением жидкости, имеющей тот же состав, что и кубовый остаток, а жидкость – многократной конденсацией пара, имеющего состав, одинаковый с составом дистиллята.Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист16Полученный в конденсаторе дистиллят делится на две части. Одна часть направляется обратно в колонну – флегма, другая является отбираемым продуктом – дистиллят. Отношение количества возвращенного в колонну дистиллята (флегмы) к количеству дистиллята, отобранного в виде продукта – называется флегмовым числом R.В ректификационном аппарате снизу вверх движутся пары, а сверху подается жидкость, представляющая собой почти чистый НКК. При соприкосновении поднимающихся паров со стекающей жидкостью происходит частичная конденсация паров и частичное испарение жидкости. При этом из паров конденсируется преимущественно ВКК, а из жидкости испаряется преимущественно НКК. Таким образом, стекающая жидкость обогащается ВКК, а поднимающиеся пары обогащаются НКК, в результате чего выходящие из аппарата пары представляют собой почти чистый НКК. Эти пары поступают в конденсатор, называемый дефлегматором, и Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист17конденсируются. Часть конденсата, возвращаемая на орошение аппарата, называется флегмой, другая часть отводится в качестве дистиллята.Как и для всех массобменных процессов эффективность ректификации зависит от поверхности контакта фаз. Для увеличения поверхности массобмена используют различные контактные устройства насадочного или барботажного типа.Рассмотрим технологическую схему ректификационной установки (рисунок 2.2).Исходная смесь из расходной емкости РЕ центробежным насосом подается в подогреватель П, где нагревается до температуры кипения и поступает на питающую тарелку ректификационной колонны РК. Стекая по тарелкам жидкость, попадает в куб, из которого поступает в кипятильник К. Из кипятильника пары жидкости поступают в нижнюю часть колонны и двигаются навстречу исходной смеси, барботируя через нее и обогащаясь низкокипящим компонентом. Выходя из колонны пары, попадают в дефлегматор Д и конденсируются. Дистиллят поступает в разделитель Р, где разделяется на два потока: одна часть в качестве флегмы возвращается в колонну и стекает по тарелкам вниз, обогащаясь при этом высококипящим компонентом, а другая часть поступает в холодильник Х1, охлаждается и попадает в приемную емкость ПЕ2. По мере работы часть жидкости из куба отводится в холодильник Х2 и поступает в приемную емкость ПЕ1 в качестве кубового остатка.Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист18Описание технологической схемыРис.2.2 Принципиальная схема ректификационной установки1 - колонна, 2 - подогреватель исходной смеси, 3 - гребенка, 4 - кипятильник, 5 - конденсатор, 6,7 - холодильники, 8…10 - сборники; I - исходная смесь, II - дистиллят, III - кубовая жидкость, IV - пар, V - флегма, VI - теплоноситель, VII - охлаждающий агент.Принципиальная схема процесса непрерывной ректификации бинарных смесей показана на рисунке 1. 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. Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист19В 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 I 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"). 2.3 Материальный балансИсходные данные: Разработать проект ректификационной установки непрерывного действия с насадочной ректификационной колонной, работающей в режиме подвисания и предназначенной для разделения бинарной смеси метанол – вода. Смесь метанол – вода поступает на ректификацию в количестве F=9500 кг/ч, содержание метанола в смеси aF=45 масс. %. Содержание метанола в дистилляте ар=98,3 мас. %, в кубовом остатке aw=2.0 масс. %. Начальная температура смеси до подогрева её в теплообменнике tH=25℃. В колонну смесь вводится при температуре ее кипения tF, а в дефлегматоре происходит полная конденсация поступающих в него паров. Продукты разделения охлаждаются в холодильнике до tK=35℃. Начальная температура воды, подаваемой на охлаждение tB=30℃.Равновесные составы жидкости (х) и пара (у) в мол.% и температуры кипения (t) в ℃ смеси метанол – вода при 760мм.рт.ст.: Х05102030405060708090100У026,841,857,966,572,977,982,58791,595,8100t10092,387,781,77875,373,171,269,367,66664,5Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист20Определить количество дистиллята и остатка.Решение: По уравнениям материального баланса F=P+W и FxF=PxP+WxW, составленных из весовых количеств имеем:9500=P+W→ P = 9500-W;9500∙0,45=P∙0,983+W∙0,02;4275=(9500-W)∙0,983+ 0,02W;4275=9338,5 - 0,983W + 0,02W;0,963W =5063,5;W=5258,05 кг/ч =1,46 кг/с;P=4241,95 кг/ч=1,18 кг/с.Минимальное флегмовое числоОпределим минимальное флегмовое число.Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист21Выражая при помощи уравнения x= aMмет.aMмет.+1-aMвода , составы исходной смеси xF, дисстилята xp; и остатка xW в молярных долях, получаем: M(CH3OH) =32,04 г/моль; M(H2O)=18,02 г/моль.XF = 0,4532,040,4532,04+1-0,4518,02 = 0,01400,0140+0,03052 = 0,3144 кмоль×мет.кмоль×см;XP= 0,98332,040,98332,04+1-0,98318,02 = 0,970 кмоль×мет.кмоль×см; XW = 0,02032,040,02032,04+1-0,02018,02 = 0,0112 кмоль×мет.кмоль×см .Min флегмовое число можно найти без графического построения по формуле: Rmin=xp-yFyF-xF = 0,970-0,6720,672-0,3144 = 0,833,где ордината точки В’ равна yF= 0,672(рис.3).Рабочее флегмовое числоПринимаем коэффициент избытка флегмы 1,4, тогда рабочее флегмовое число составит:R=1,4*Rmin=1,4*0,652=0,9123.Отрезок, отсекаемый рабочей линией укрепляющей колонны на оси ординат диаграммы равновесия (рис.3), определяем по формуле:b= XpR+1 = 0,9650,9123+1 = 0,505.Средние массовые расходы по жидкости и паруИзм.Лист№ докум.