Технологический расчет колонны

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Технологический расчет колонны

Цель расчета

Целью технологического расчета колонны ректификации является составление материального баланса, расчет диаметра колонны, числа тарелок и высоты аппарата, гидравлический расчет и тепловой расчет колонны.

Исходные данные

Производительность по исходному продукту F=1,6кг/с

Концентрация низкокипящего компонента (масс.доли):

в питании

в кубовом остатке

в дистилляте

Материальный баланс колонны

Производительность колонны по дистилляту Р и кубовому остатку W определяется из материального баланса:

Для дальнейших расчетов пересчитаем концентрации воды из массовых долей в мольные:

Где Мв = 18 кг/моль; Мук. = 60 кг\кмоль

Относительный мольный расход питания:

Ф = 0,975-0,731 / 0,731-0,058

По данным строим [- х] и [t-x,y] диаграммы

Минимальное флегмовое число определяется по формуле:

(3.4)

где - мольная доля воды в паре, равновесном с жидкостью питания, определяем по диаграмме [- х]

Задавшись различными значениями коэффициентов избытка флегмы , определим соответствующие флегмовые числа. Графическим построением ступеней изменения концентраций между равновесной и рабочими линиями на диаграмме состав пара y состав жидкости х (рис.2) находим N. Результаты расчетов рабочего флегмового числа представлены на графике и приведены ниже:

Таблица 1. Расчет действительного флегмового числа.

	1,35	1,75	2,35	3,30	6,25
R	2,8476	3,69	4,95	6,36	13,1
N	29	22	20	17	14
N(R+1)	82,5804	81,18	99	118,32	183,4

Условно-оптимальное значение R = 3,3.

При R = 3,3 = 1,57

Определение скорости пара и диаметра колонны

Средние концентрации жидкости:

- в верхней части колонны

- в нижней части колонны:

Средние концентрации пара по уравнениям рабочих линий:

- в верхней части колонны

- в нижней части колонны

Средние температуры пара определим по рисунку_______

При ,

При ,

Получим среднюю температуру:

Средние массовые потоки пара в верхней и нижней части колонны:

(3.8)

-мольная масса дистиллята, кг/кмоль; МВ и МН - средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны, кг/кмоль.

МВ = Мв•yср в+Мук•(1- yср в) (1.8)

МН = М в•yср н+Мук•(1- yср н),

МВ = 18•0,89+64•(1-0,89) =22,62 кг/кмоль

МН = 18•0,43+64•(1-0,43) = 41,77кг/кмоль

Тогда имеем:

кг/c

кг/c

Плотность пара в верхней и нижней части колонны определяется по формулам:

Плотности воды и жидкой уксусной кислоты при температуре смеси близки:

Плотность физических смесей жидкости подчиняется закону аддитивности:

Плотность смеси жидкостей:

Где = 1000, = 1049 -плотность воды и уксусной кислоты соответственно при =103?С,/6, табл.IV/.

Скорость пара в верхней и нижней части колонны:

Для ситчатых тарелок

Диаметр верхней и нижней части колонны:

Принимаем одинаковый диаметр обечайки для обеих частей колонны:

D===2,2 м

Тогда действительная скорость пара составит:

Выбираем следующие параметры для ситчатой тарелки:

Диаметр отверстий в тарелке

Шаг между отверстиями t= 15 мм

Свободное сечение тарелки

Высота переливного порога

Ширина переливного порога b = 1240 мм

Рабочее сечение тарелки

Скорость пара в рабочем сечении тарелки:

Определение числа тарелок и высота колонны

Получаем:

Число тарелок в верхней части колонны:

Число тарелок в нижней части:

Рассчитаем высоту колонны по формуле:

Где N- общее число тарелок;- расстояние между тарелками, м ; , - расстояние соответственно между верхней тарелкой и крышкой колонны и между днищем колонны и нижней тарелкой, м.

Подставив, получим:

=(20-1)0,5+1,0+2,0=12,5 м.

Гидравлический расчет

Расчет гидравлического сопротивления тарелок колонны ведем по формуле:

где и - гидравлическое сопротивление тарелки соответственно верхней и нижней части колонны, Па

Полное гидравлическое сопротивление одной тарелки слагается из трех слагаемых:

Где =1,5- коэффициент сопротивления ситчатой тарелки,[3,табл.III-7];

- доля свободного сечения тарелки от общей площади тарелки; [4];=0,008м - диаметр отверстия,[4] ; k= 0,5- коэффициент, характеризующий отношение парожидкостного слоя (пены) и плотность жидкости.

Рассчитаем полное гидравлическое сопротивление :

Для верхней части колонны:

?Р= 160 Па

Для нижней части колонны:

?Р= 345 Па

Па

Расчет диаметров штуцеров и люков

Диаметр штуцеров определяется по формуле:

Наименование штуцеров	Расход, кг/с	Плотность, кг/мі	Скорость м/с	Кол- во	Диаметр, м
					рассчитанный	принятый
Вход питания	5	1007	1,17	1	0,046	0,050
Вход флегмы	7,89	1200	1,17	1	0,082	0,100
Выход паров	10,28	0,735	40	1	0,446	0,500
Выход кубовой жидкости	2,61	945	0,6	1	0,054	0,080

Тепловой расчет установки

ректификация колонна сопротивление

Уравнение теплового баланса с учетом 3% потерь тепла в окружающую среду имеет вид:

)

где - количество тепла, отнимаемого охлаждающей водой в дефлегматоре

- удельная теплота конденсации паров уксусной кислоты [6,табл XLV]

-количество тепла, уходящее с дистиллятом

где =4,6 кДж/кг·К -удельная теплоемкость дистиллята,[6,рис.XI]

;

,

- количество тепла, уходящее с кубовой жидкостью

=2,3 кДж/кг·К -удельная теплоемкость кубовой жидкости;

- тепло, приходящее с исходной смесью

]- удельная теплоемкость исходной смеси

Подставим полученные данные:

Расход греющего пара при атмосферном давлении и влажности 5% составляет:

- в кипятильнике

где =2141 кДж/кг - удельная теплота греющего пара, [8,табл.LVII]

x=0,95 - степень сухости греющего пара,

На подогревание исходной смеси от 20 до 106єС

Общий расход греющего пара составит:

= 1,66 + 0,84=2,5 кг/с

Расход охлаждающей воды в дефлегматоре при нагреве ее на 20єС составит:

где =1000 кг/мі - плотность воды[6,табл.XXXIV];

=4,190 кДж/кг·К - удельная теплоемкость воды[6,табл.XXXIV];

Расчет тепловой изоляции

Для расчета толщины изоляции примем температуру окружающего воздуха

. Коэффициент теплоотдачи в окружающую среду определяется по уравнению:

б = 9,74 + 0,07?t,

где ?t- разность температур поверхности аппарата и окружающего воздуха.

Согласно рекомендациям и требованиям техники безопасности температура наружной поверхности изоляции не должна превышать 40єС

б = 9,74 + 0,07(40-20)=11,1 Вт/мІ·К

Удельный тепловой поток потерь тепла определяется по выражению

,

где =40єС - температура наружной поверхности изоляции.

q = 11,1·(40-20)=222 Вт/мІ

Тогда, толщина слоя изоляции определяется из выражения:



где ??=0,076 Вт/м·К - коэффициент теплопроводности шлаковой ваты4

=106єС - расчетная температура наружной поверхности корпуса колонны.

Отсюда имеем:

Окончательно принимаем толщину теплоизоляции 0,030 м.

Выбор вспомогательного оборудования

Целью раздела подбор емкостей исходной смеси, дистиллята и кубового остатка, теплообменной аппаратуры (дефлегматора и кипятильника), а также насоса для подачи исходной смеси.

Емкостное оборудование

Номинальный объем емкостного оборудования определяется по формуле:

где G - массовый расход продукта в емкости, кг/ч;

ф - время пребывания продукта в емкости, ч;

с - плотность продукта, кг/мі.

Принимая, время пребывания продукта в емкости равным 8 ч и используя данные п.3, получим:

для исходной смеси

для кубового остатка

для дистиллята

ректификация колонна сопротивление теплообменный

Окончательно принимаем емкости объемом 150 и две по 80 соответственно.

Теплообменная аппаратура

Подбор теплообменной аппаратуры проводится по основному уравнению теплопередачи:

где Q - тепловая нагрузка на теплообменный аппарат, Вт;

- ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, Вт/мІ·К, [6, табл. 4.8];

- средняя движущая сила процесса теплообмена, єС,

Согласно п.п 3.9 тепловая нагрузка на соответствующий теплообменный аппарат составляет:

Ориентировочное значение коэффициента теплопередачи согласно [6, табл. 7.8];

Среднюю движущую силу определим исходя из температурных схем движения теплоносителей:

дефлегматор103є ? 103є

20є > 40є

?t=83 ?t=63

є

После подстановки полученных значений в уравнение теплопередачи получим следующие значения необходимой поверхности теплообмена:

Согласно [6,табл.4.12] принимаем следующий теплообменный аппарат

дефлегматор ; D = 400 мм; L = 4 м; d Ч s = 25 Ч 2, число трубок 100 шт; двухходовой.

Насосное оборудование

Подбор насоса для подачи исходной смеси на кипятильную тарелку из емкости проведем по формуле согласно[6]:

где = 7 -высота подъема исходной смеси до питающей тарелки;

- общие потери напора на трение и местные сопротивления, м;

Общие потери напора на трение и местные сопротивления определим по формуле:

где ?? - коэффициент трения;

L = 25 м - длина трубопровода подачи исходной смеси;

= 15 м - суммарная эквивалентная длина трубопровода, имеющего такое же гидравлическое сопротивление, как и местные сопротивления ( повороты, арматура, подогреватель), м;

щ - скорость жидкости в трубопроводу, м/с;

Примем = 15 м.

Скорость жидкости в трубопроводе определяется уравнением расхода;

Коэффициент трения определяется в зависимости от критерия Рейнольдса:

Согласно[6,рис 1.5] коэффициент трения для труб с шероховатостью 0,2 мм составляет ??= 0,025. Тогда потери напора требуемый напор составит:

Н=7 + 6,7 = 13,7 м

Согласно [6,табл.2.5]при требуемом напоре 13,7 м и объемном расходе 8,8 мі/ч принимаем насос марки Х20/53 со следующими характеристиками:

Q= 20мі/ч;Н=31 м; N= 5,5 кВт;q=0,55

Прочностной расчет основных элементов колонны

Цель расчета

Целью расчета является определение размеров основных элементов аппарата, исходя из условий прочности и устойчивости. Расчет ведется согласно [11,12].

Исходные данные

Диаметр аппарата D=2,2 м

Рабочее давление атмосферное

Расчетная температура принимается равной максимально допустимой рабочей температуре t = 150єC

Материал аппарата сталь 08Х13 Срок службы аппаратаф = 15 лет

Скорость коррозии, эрозии не болееП=0,133мм/год

Допускаемые напряжения [у] = 130 МПа

Обечайка корпуса

За расчетное давление колонных аппаратов, работающих под атмосферным давлением, принимается давление гидроиспытания под наливом воды.

Давление гидроиспытания определяется по формуле:

= 1000 кг/мІ- плотность воды при гидроиспытаниях;

Н= 22 м - высота столба жидкости при гидроиспытаниях.

Подставляя значения, получим:

Толщина обечайки определяется по формуле:

где = 1 - коэффициент прочности продольного сварного шва, [11].

Подставляя числовые значения в форму, получим:

Испытательная толщина стенки определяется с учетом прибавки с к рассчитанной толщине, согласно условию:

где с - сумма прибавок к расчетной толщине

где - прибавка для компенсации коррозии и эрозии;

=0,8 мм - прибавка на компенсацию минусового допуска;

=0 мм - технологическая прибавка.

Прибавка определяется по формуле:



Тогда

с = 2 + 0,8 + 0 = 2,8 мм

После подстановки полученных значений получим:

S = 0,0019 + 0,0028 = 0,0047 м

Согласно [11] исполнительную толщину стенки корпуса окончательно принимаем равной 8 мм.

Проверим условие применяемости расчетных формул. Для обечаек при 200 мм должно выполняться условие:

Условие выполняется.

Допускаемые напряжения при гидроиспытаниях определяются по формуле:

где = 250 МПа- предел текучести материала корпуса при t=20єС,[12].

Проверим условие:

где [Р] - допускаемое избыточное внутреннее давление, МПа.

Условие 0,22< 1,07 выполняется

Проверим выполнение условия:

где - пробное давление, МПа;

- допускаемое напряжение при t = 20єС,[11]

Условие 0,22< 0,37 выполняется

Следовательно, принятая толщина обечайки условие прочности удовлетворяет.

Днище корпуса

Толщина стенки эллиптического днища, нагруженного внутренним давлением, находится по формуле:

где R = D = 2,2 м - радиус кривизны в вершине днища;

ц = 1 - коэффициент прочности сварного шва

исполнительная толщина стенки днища определяется по формуле:

где с = 0,0028м - сумма прибавок к расчетной толщине стенки.

Принимаем исполнительную толщину стенки днища равной 8 мм, [11].

Проверим условие применимости расчетных формул. Для эллиптических днищ должно выполнятся условие

Условие выполняется.

Выбор опоры

Выбор опоры осуществляется по максимальным и минимальным приведенным нагрузкам.

Максимальная приведенная нагрузка для нижнего сечения опорной обечайки при отсутствии изгибающего момента рассчитывается по формуле [11]:

где , - вес аппарата соответственно при рабочих условиях и условиях гидроиспытаний, МН.

Ориентировочно примем следующие значения нагрузок и изгибающих моментов:

= 1МН,

= 1,2 МН

Подставляя соответствующие значения моментов и нагрузок, получим:

Минимальная приведенная нагрузка определяется по формуле [11]:

где = 0,8 МН - максимальная нагрузка в условиях монтажа;

принимаем цилиндрическую опору типа 3 [9] с = 1,6 МН, =0,8 МН.

Опора 3-2200-160-80-2000 ОСТ 26-467-78.

Заключение

В курсовом проекте в соответствие с заданием приведены следующие разделы:

описание технологической схемы;

выбор и описание конструкции колонны ректификации;

выбор конструкционного материала колонны ректификации;

технологический расчет ректификационной колонны;

конструктивный расчет колонны ректификации

*прочностной расчет основных элементов колонны ректификации.

Таким образом, в проекте всесторонне рассмотрены вопросы выбора и расчета конструкции тарельчатой колонны ректификации.

При разработке конструкции колонны ректификации учтены рекомендации и опыт эксплуатации ректификационных колонн.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии.

-М: Химия, 1987.-780с.

Александров Н.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты.- М.: Химия, 1978.- 568 с.

Справочник по основным процессам и аппаратам нефтерпереработки./Под ред. Е.Н. Судакова. - М.: Химия, 1979.- 568 с.

Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по курсовому проектированию./ Под ред. Дытнерского Ю.И. - М.: Химия,1983.-272с.

Воробьева Г.Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств.- М: Химия, 1975.- 816 с.

Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1987. - 575с.

Машины и аппараты химических производств./ Учебное пособие. Под общ. Ред. В.Н. Соколова.-Л.: Машиностороение, 1982.- 384 с.

Плановский А.Н., Рамм. В.М., Коган С.3. Процессы и аппараты химической технологии.- М.: Химия,1968.- 848 с.

Колонные аппараты. Каталог справочник. М.: Цинтннефхиммаш, 1966.- 56 с.

Перри Дж. Справочник инженера - химика, т.1/Под ред. Жаворонкова Н.М.- М.: Химия,1969.

Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов. Справочник. -Л.: Машиностроение, 1981. - 381с

Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность ГОСТ 14249. М.: Издательство стандартов, 1989- 80 с.

Размещено на Allbest.ru

...