Расчет ректификационной установки для разделения бинарной смеси этанол-вода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Описание технологической схемы

2. Технологический расчет

2.1 Расчет ректификационной колонны

3. Конструктивный расчет

3.1 Расчёт оптимальных диаметров трубопроводов

4. Гидравлический расчет

5. Механический расчёт

5.1 Расчёт толщины обечайки

5.2 Расчёт толщины днища

5.3 Расчёт фланцевых соединений и крышки

5.4 Расчёт опор аппаратов

6. Техника безопасности

Заключение

Список использованных источников

Введение

Ректификация - один из способов разделения жидких смесей основанный на различном распределении компонентов смеси между жидкой и паровой фазами. В качестве аппаратов служащих для проведения ректификации используются ректификационные колонны - состоящие из собственно колонны, где осуществляется противоточное контактирование пара и жидкости, и устройств, в которых происходит испарение жидкости и конденсация пара - куба и дефлегматора. Колонна представляет собой вертикально стоящий полый цилиндр, внутри которого установлены так называемые тарелки (контактные устройства различной конструкции) или помещен фигурный кусковой материал - насадка. Куб и дефлегматор - это обычно кожухотрубные теплообменники (находят применение также трубчатые печи и кубы-испарители.

Назначение тарелок и насадки - разделение межфазной поверхности и улучшение контакта между жидкостью и паром. Тарелки, как правило, снабжаются устройством для перелива жидкости. В качестве насадки ректификационных колонн обычно используются кольца, диаметр которых равен их высоте.

Как в насадочных, так и в тарельчатых колоннах кинетическая энергия пара используется для преодоления гидравлического сопротивления контактных устройств и для создания динамической дисперсной системы пар - жидкость с большой межфазной поверхностью. Существуют также ректификационные колонны с подводом механической энергии, в которых дисперсная система создаётся при вращении ротора, установленного по оси колонны. Роторные аппараты имеют меньший перепад давления по высоте, что особенно важно для вакуумных колонн.

По способу проведения различают - непрерывную и периодическую ректификацию. В первом случае разделяемая смесь непрерывно подается в ректификационную колонну, а из колонны непрерывно отводятся две или более число фракций, обогащенных одними компонентами и обедненных другими. Полная колонна состоит из двух секций укрепляющей и исчерпывающей. Исходная смесь (обычно при температуре кипения) подается в колонну, где смешивается с так называемой извлеченной жидкостью, стекающей по контактным устройствам (тарелкам или насадке) исчерпывающей секции противотоком к поднимающемуся потоку пара. Достигая низа колонны, жидкость обогащается тяжелолетучими компонентами. В низу жидкость частично испаряется в результате нагрева подводящимся теплоносителем, и пар снова поступает в исчерпывающую секцию. Пройдя её, обогащенный легколетучими компонентами, пар поступает в дефлегматор, где обычно полностью конденсируется подходящим хладагентом. Полученная жидкость делится на два потока - дистиллят и флегму. Дистиллят является продуктовым потоком, а флегма поступает на орошение укрепляющей секции, по контактным устройствам которой стекает. Часть жидкости выводится из куба колонны в виде так называемого кубового остатка (также продуктовый поток).

Если исходную смесь нужно разделить непрерывным способом на число фракций больше двух, то применяется последовательное либо параллельно - последовательное соединение колонн.

При периодической ректификации исходная, жидкая смесь единовременно загружается в куб колонны, ёмкость которой соответствует желаемой производительности. Пары поступают в колонну и поднимаются к дефлегматору, где происходит их конденсация. В начальный период весь конденсат возвращается в колонну, что отвечает режиму полного орошения. Затем конденсат делится на дистиллят и флегму. По мере отбора дистиллята (либо при постоянном флегмовом числе, либо с его изменением из колонны выводятся сначала легколетучие компоненты, затем среднелетучие и так далее). Нужную фракцию (или фракции) отбирают в соответствующий сборник. Операция продолжается до полной переработки первоначально загруженной смеси.

Основные области промышленного применения ректификации - получение отдельных фракций и индивидуальных углеводородов из нефтяного сырья в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, окиси этилена, акрилонитрила, акрилхлорсиланов - в химической промышленности. Ректификация широко используется и в других отраслях народного хозяйства: коксохимической, лесохимической, пищевой, химико-фармацевтической промышленностях.

1. Описание технологической схемы

Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рис. 1. Исходную смесь из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подают в теплообменник 3, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси х_F.

Рисунок 1 - Принципиальная схема ректификационной установки: 1 - ёмкость для исходной смеси; 2, 9 - насосы; 3 - теплообменник-подогреватель; 4 - кипятильник; 5 - ректификационная колонна; 6 - дефлегматор; 7 - холодильник дистиллята; 8 - ёмкость для сбора дистиллята, 10 - холодильник кубовой жидкости; 11 - ёмкость для кубовой жидкости

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка х_W, т. е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава х_Р, получаемой в дефлегматоре 6 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в промежуточную емкость 8.

Из кубовой части колонны насосом 9 непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 10 и направляется в емкость 11.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента) и кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).

2. Технологический расчет

2.1 Расчет ректификационной колонны

Необходимо рассчитать ректификационную колонну с ситчатыми тарелками для разделения смеси сероуглерод - четыреххлористый углерод под давлением 4 атм. и определить её основные геометрические размеры (диаметр и высоту).

Материальный баланс. Зная производительность колонны и необходимые концентрации, определим недостающие данные, т. е. Производительность по дистилляту и по кубовому остатку (G_W и G_D), на основании уравнений материального баланса.

,

где - содержание легколетучего компонента в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке соответственно.

Отсюда найдем:

кг/ч.

= 7000-5443 = 1557 кг/ч.

Нагрузка ректификационной колонны по пару и жидкости определяется рабочим флегмовым числом. Для его расчета используют приближенные вычисления, основанные на определении коэффициента избытка флегмы

,

где - минимальное флегмовое число.

При этом:

,

где - мольные доли легколетучего компонента в жидкости,

- концентрация легколетучего компонента в паре, находящаяся в равновесии с жидкостью (питанием исходной смеси).

Пересчитаем составы фаз из массовых в мольные доли по соотношению

,

где М_х и М_{б -} молекулярные массы соответственно сероуглерода и четыреххлористого углерода, кг/кмоль,

кмоль/кмоль смеси.

кмоль/кмоль смеси.

кмоль/кмоль смеси.

Относительный мольный расход

.

По данным строим равновесную кривую бензол-толуол минимальное флегмовое число. механический гидравлический ректификационная колонна

.

Нагрузка ректификационной колонны по пару и жидкости определяется рабочим флегмовым числом. Для его расчета используют приближенные вычисления, основанные на определении коэффициента избытка флегмы

.

Уравнение рабочей линии верхней укрепляющей части колонны:

.

Уравнение рабочей линии нижней части колонны:

.

.

Уравнение рабочей линии верхней укрепляющей части колонны:

.

Уравнение рабочей линии нижней части колонны:

.

.

Уравнение рабочей линии верхней укрепляющей части колонны:

.

Уравнение рабочей линии нижней части колонны:

.

.

Уравнение рабочей линии верхней укрепляющей части колонны:

.

Уравнение рабочей линии нижней части колонны:

.



Строим зависимость N(R+1) от R. Минимальное произведение N(R+1) соответствует флегмовому числу R = 15,5

Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости для верхней и нижней частей колонны определяют по формулам:

,

,

где М_D и М_{F -} мольные массы дистиллята и исходной смеси.

Мольную массу дистиллята определяем по формуле:

кг/кмоль;

кг/кмоль;

Средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны находят по формулам:

,

,

где и - средний мольный состав жидкости соответственно в верхней и нижней части колонны:

,

.

Таким образом, получим:

кг/кмоль,

кг/кмоль.

Подставляя величины в уравнение и получим:

.

Средние массовые потоки пара в верхней и нижней частях колонны:

,

где - средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны:

.

.

Тогда получим:

.

.

Подставив полученные величины в уравнения и имеем:

.

.

Скорость пара и диаметр колонны. Допустимая скорость в верхней и нижней частях колонны высчитывается по формуле:

Определим средние плотности пара в верхней и нижней частях колонны:

,

где , - средние температуры пара, определяемые таблице 1 по значениям и :

.

.

Тогда получим:

.

.

Определяем плотность (1т. IV c. 49) при .

кг/мі - для сероуглерода;

кг/мі - для четыреххлористого углерода;

.

кг/мі.

кг/мі при .

кг/мі.

.

кг/мі.

Подставляя величины в уравнение получим:

.

.

Так как скорости и мало отличаются друг от друга, в расчете используем среднюю скорость паров:

м/с.

Ориентировочный диаметр колонны определяем из уравнения расхода:

.

Принимаем средний поток пара в колонне G, равным полусумме и :

кг/с.

Средняя плотность пара в колонне:

.

Диаметр колонны

м.

Выбираем стандартный аппарат с диаметром 1 м и уточняем рабочую скорость:

м/с.

По каталогу для колонны диаметром 1000 мм выбираем ситчатую тарелку ТС-Р со следующими конструктивными размерами:

Диаметр отверстий в тарелке d₀………………………………..……5 мм.

Шаг между отверстиями t………………………………………..…..15 мм.

Свободное сечение тарелки F_c………………………………….……4,6 %.

Высота переливного порога h_п………………………………….…...30 мм.

Ширина переливного порога b……………………………………..502 мм.

Рабочее сечение тарелки S_Т……………………………………….0,713 м².

Скорость пара в рабочем сечении тарелки

м/с.

Определение высоты светлого слоя жидкости на тарелке и паросодержания барботажного слоя.

Высоту светлого слоя жидкости h₀ для ситчатых тарелок находят по уравнению:

- удельный расход жидкости на 1 м ширины переливной перегородки, м²/с;

b - ширина переливной перегородки, м;

h_пер - высота переливной перегородки, м;

у_х, у_б - поверхностное натяжение хлороформа и бензола соответственно;

м_х - в мПа?с;

.

Определим вязкость смеси жидкости для нижней и верхней части колонны по формуле:

,

где вязкости хлороформа и бензола соответственно.

.

.

Для верхней части колонны:

м.

Для нижней части колонны:

м.

Паросодержание барботажного слоя е находим по формуле:

Для верхней части колонны:

.

.

Для нижней части колонны:

.

.

Расчёт коэффициентов массопередачи и высоты колонны. Определим коэффициент диффузии газа для нижней и верней части колонны при средней температуре t (в ?С) по формуле:

Коэффициенты диффузии в жидкости D_x20 при 20?С можно вычислить по приближённой формуле:

,

где А, В - коэффициенты, зависящие от свойств растворённого вещества и растворителя;

v_х, v_{б -} мольные объемы компонентов в жидком состоянии при температуре кипения, см ³/моль;

м_х - вязкость жидкости при 20?С, мПа?с.

Сероуглерод 4-х хлористый углерод

А = 1, В = 1

х_с = 122 см ³/моль, х_ч = 144 см ³/моль.

Тогда коэффициент диффузии в жидкости для верхней части колонны при 20?С равен:

.

Температурный коэффициент b определяют по формуле:

.

Здесь м_х и с_х принимаются при температуре 20?С. Тогда.

.

Отсюда:

м ²/с.

Аналогично для нижней части колонны находим: м ²/с.

Определим коэффициент диффузии газа для нижней и верней части колонны по формуле:

,

где T - средняя температура в соответствующей части колонны, К;

p- давления газа, Па;

м ²/с;

м ²/с;

Рассчитав коэффициенты молекулярной диффузии в жидкой D_x и паровой D _y фазах, вычисляем коэффициенты массоотдачи, отнесённые к единице рабочей поверхности тарелки для жидкой и паровой фаз:

,

.

Вязкость паров для верхней части колонны:

.

где м₁ и м₂ - вязкость паров сероуглерода и четыреххлористого углерода при средней температуре верхней части колонны, мПа?с;

у_в - средняя концентрация паров:

.

Подставив, получим:

мПа?с.

Аналогичным расчётом для нижней части колонны находим:

мПа?с.

Для верхней части колонны:

коэффициент массоотдачи в жидкой фазе:



коэффициент массоотдачи в паровой фазе

Для нижней части колонны:

коэффициент массоотдачи в жидкой фазе

коэффициент массоотдачи в паровой фазе

Пересчитаем коэффициенты массоотдачи на кмоль/(м ²?с):

кмоль/(м ²?с).

кмоль/(м ²?с).

кмоль/(м ²?с).

кмоль/(м ²?с).

Коэффициенты массоотдачи, рассчитанные по средним значениям скоростей и физических свойств паровой и жидкой фаз, постоянны для верхней и нижней частей колонны. В то же время коэффициент массопередачи - величина переменная, зависящая от кривизны линии равновесия, т.е. от коэффициента распределения. Поэтому для определения данных, по которым строится кинетическая линия необходимо вычислить несколько значений коэффициентов массопередачи в интервале изменения состава жидкости x_W и x_D.

Пусть х = 0,6. Коэффициент распределения (тангенс угла наклона равновесной линии в этой точке) равен m = 0,57.

Коэффициент массопередачи K_yf вычисляем по коэффициентам массоотдачи в верхней части колонны:

.

кмоль/(м ²?с).

Общее число единиц переноса на тарелку n_oy находим по уравнению:

.

.

Локальная эффективность Е_у связана с общим числом единиц переноса по паровой фазе на тарелке n_oy следующим соотношением:

.

.

Фактор массопередачи для верхней части колонны:

.

Далее определим величину В' из уравнения:

.

где и - доля байпасирующей жидкости, характеризующая степень поперечной неравномерности потоков.

Для ситчатых тарелок при факторе скорости принимают и = 0,1.

Тогда:

.

Для определения по уравнению:

.

необходимо предварительно рассчитать число ячеек полного перемешивания S. Для колонн диаметром более 600 мм с ситчатыми тарелками отсутствуют надёжные данные по продольному перемешиванию жидкости, поэтому с достаточной степенью приближения можно считать, что одна ячейка перемешивания соответствует длине пути жидкости l, равной 300-400 мм.

Примем l = 350 мм и определим число ячеек полного перемешивания S как отношение длины пути жидкости на тарелке l_T к длине l. Определим длину пути жидкости l_T как расстояние между переливными устройствами:

м.

Тогда число ячеек полного перемешивания на тарелке равно:

.

Эффективность по Мерфи с учётом перемешивания на тарелке находим по уравнению:

.

Эффективность по Мерфи с учётом байпасирующего потока жидкости находим по уравнению:

.

.

Зная эффективность по Мэрфри, можно определить концентрацию легколетучего компонента в паре на выходе из тарелке у_вых по соотношению:

.

где у_вх и у^{* -} концентрация соответственно легколетучего компонента в паре на входе на тарелку и равновесная с жидкостью на тарелке.

Однако действительная концентрация на выходе будет отличаться от у_вых, вычисленной по значениям , вследствие явления образования жидкости в колонне, вызванной брызгоуносом. Влияние брызгоуноса можно выразить соотношением:

,

где у_к - действительная концентрация пара на выходе из тарелки (ордината точки на кинетической линии), кмоль/кмоль смеси;

х - состав жидкости на тарелке, кмоль/кмоль смеси;

е - относительный унос жидкости, кмоль/кмоль пара.

По уравнению:

определим у_вых:

у_вых = 0,63 + 0,96?(0,69-0,63) = 0,68.

Относительный унос жидкости е в тарельчатых колоннах определяется в основном скоростью пара, высотой сепарационного пространства и физическими свойствами жидкости и пара. В настоящее время нет надежных зависимостей, учитывающих влияние физических свойств потоков на унос, особенно для процессов ректификации.

Рис. 1 - Зависимость относительного уноса жидкости е от комплекса w,/(тНс) для тарелок различных конструкций: 1 - колпачковой; 2 - ситчатой; 3 - провальной решетчатой; 4 - клапанной балластной

Для этих процессов унос можно оценить с помощью графических данных, представленных на рис. 1. По этим данным унос на тарелках различных конструкций является функцией комплекса .

Коэффициент, учитывающий влияние на унос физических свойств жидкости и пара, определяют по уравнению:

.

Высота сепарационного пространства Н_с равна расстоянию между верхним уровнем барботажного слоя и плоскостью тарелки, расположенной выше:

,

где Н - межтарельчатое расстояние, м;

- высота барботажного слоя (пены), м.

В соответствии с каталогом для колонны диаметром 1200 мм расстояние Н = 0,5 м. Высота сепарационного пространства в нижней части колонны меньше, чем в верхней поэтому определим h_п для низа колонны:

.

Тогда:

м.

и .

При таком значении комплекса унос е = 0,09 кмоль/кмоль. Таким образом, действительная концентрация пара у_к равна:

.

Аналогичным образом подсчитаны у_к для других составов жидкости. Результаты расчета параметров, необходимых для построения кинетической линии, приведены в таблице 1:

Таблица 1 - Результаты расчёта величин, необходимых для построения кинетической линии

Нижняя часть колонны	Верхняя часть колонны
х	0,05	0,15	0,3	0,45	0,6	0,75
т	0,15	0,24	0,33	0,48	0,57	0,71
Кyf	0,0082	0,078	0,055	0,051	0,046	0,034
noy	1,84	1,75	1,73	1,69	1,56	1,434
Еy	1,16	1,12	1,05	0,98	0,79	0,42
л	1,21	0,84	0,82	0,79	0,71	0,89
В'	0,81	0,71	0,65	0,63	0,55	0,39
	0,22	1,19	1,21	1,23	1,38	1,45
	0,49	1,11	1,13	1,17	1,3	1,36
увых	0,32	0,41	0,53	0,61	0,68	0,69
ук	0,22	0,25	0,48	0,52	0,56	0,64

Взяв отсюда значения х и у_к, наносим на диаграмму х-у точки, по которым проводим кинетическую линию. Построением ступеней между рабочей и кинетической линиями в интервалах концентраций от х_D до x_F определяем число действительных тарелок N_В для верхней (укрепляющей) части и в интервалах от x_F до x_{W -} число действительных тарелок N_H для нижней (исчерпывающей) части колонны. Общее число действительных тарелок N равно:

N = N_B + N_H = 7 + 6 + 1 = 14 тарелок.

Высоту тарельчатой ректификационной колонны определим по формуле:

.

где Н - расстояние между тарелками, м;

z_B, z_{H -} расстояние соответственно между верхней тарелкой и крышкой колонны и между днищем колонны и нижней тарелкой, м.

Подставив, получим:

м.

3. Конструктивный расчет

3.1 Расчёт оптимальных диаметров трубопроводов

Рассчитаем диаметр трубопровода подачи питания:

.

с = 1360 кг/м ³

.

м.

Принимаем 50 мм.

Рассчитаем диаметр трубопровода входа флегмы:

.

с = 1360 кг/м ³.

.

м.

Принимаем 50 мм.

Рассчитаем диаметр трубопровода выхода паров:

.

м.

Принимаем 300 мм.

Рассчитаем диаметр трубопровода выхода кубовой жидкости:

кг/с.

.

м.

Принимаем 80 мм.

Рассчитаем диаметр трубопровода выхода кубового остатка:

м.

Принимаем 50 мм.

4. Гидравлический расчет

Гидравлическое сопротивление тарелок колонны определяют по формуле:

,

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

Полное гидравлическое сопротивление тарелки складывается из трех слагаемых:

.

Гидравлическое сопротивление сухой ситчатой тарелки рассчитываем по уравнению:

.

Значение коэффициента сопротивления о сухой ситчатой тарелки равно 1,1-2,0. Принимая о = 1,85, получим:

Па.

Па.

Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя на тарелках различно для верхней и нижней частей колонны:

Па.

Па.

Гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения, равно

.

Па.

Па.

Тогда полное сопротивление одной тарелки верхней и нижней частей колонны равно:

Па.

Па.

Полное гидравлическое сопротивление ректификационной колонны:

Па.

5. Механический расчёт

5.1 Расчёт толщины обечайки

Главным составным элементом корпуса большинства химических аппаратов является обечайка. В химическом аппаратостроении наиболее распространены цилиндрические обечайки, отличающиеся простотой изготовления, рациональным расходом материала и достаточной прочностью.

Для ректификационной колонны, диаметром 1000 мм, примем стандартную минимальную толщину стенки корпуса д = 8 мм и проверим, выполняется ли условие:

,

где С_{к -} прибавка к номинальной толщине детали, учитывающая разрушающее действие среды на материал:

,

- амортизационный срок службы аппарата (принимаем = 10 лет); П - коррозионная проницаемость, мм/год (принимаем П = 0,1 мм/год).

Тогда:

мм.

Проверяем выполнение условия:

.

0,01<0,1.

Поскольку условие выполняется, принимаем толщину обечайки д = 10 мм.

5.2 Расчёт толщины днища

Составными элементами корпусов химических аппаратов являются днища, которые обычно изготовляются из того же материала, что и обечайки, и привариваются к ней. Днище неразъёмное ограничивает корпус вертикального аппарата снизу и сверху. Форма днища может быть эллиптической, сферической, конической и плоской. Наиболее рациональной формой днищ для цилиндрических аппаратов является эллиптической. Эллиптические днища изготавливаются из листового проката штамповкой.

Толщину днища принимаем равной толщине обечайки и проверяем выполнение условие:

.

0,01<0,125.

Следовательно, условие выполняется.

5.3 Расчёт фланцевых соединений и крышки

Расчёт фланцевого соединения заключается в определении диаметра болтов, их количества и размеров элементов фланцев.

Основной исходной величиной при расчёте болтов является расчётное растягивающее усилие в них. При рабочих условиях расчётное растягивающее усилие в болтах определяем по формуле:

,

где - средний диаметр уплотнения (прокладки), м;

Р_П - расчётная сила осевого сжатия уплотняемых поверхностей в рабочих условиях, необходимая для обеспечения герметичности, МН;

р - рабочее давление, МПа.

Расчётную силу сжатия прокладки прямоугольного сечения определяем по формуле:

,

где b - эффективная ширина прокладки (причём b = b₀, если b₀ ? 1см; b =, если b₀ > 1;

b₀ - действительная ширина прокладки (в м), определяемая конструкцией уплотнительной поверхности,

b₀ = 2 мм,

b = 1,4;

к - коэффициент, зависящий от материала и конструкции прокладки (для прокладки из паронита принимаем к = 2,5).

МН.

МН.

Диаметр болтовой окружности можно приближённо определить по формуле:

,

где D_B - внутренний диаметр фланца, обычно равный наружному диаметру аппарата, м.

м.

Расчётный диаметр болтов определяем по формуле:

и затем округляем в меньшую сторону до ближайшего стандартного размера (D_г - наружный диаметр сварного шва на фланце, м).

м.

Число болтов находим по формуле:

,

где F_б - площадь сечения выбранного болта по внутреннему диаметру резьбы, м ²;

у_Д - допускаемое напряжение в болтах, МН/м ².

.

Рассчитанное число болтов округляем до ближайшего числа, кратного четырём. Наружный диаметр фланца определяем по формуле:

м.

Для определения высоты плоского фланца предварительно находим следующие величины:

приведенную нагрузку на фланец при рабочих условиях (в МН):

.

МН.

вспомогательную величину Ф при рабочих условиях (в м²):

.

где - предел текучести материала фланцев при рабочей температуре, МН/м ² (для стали Х 18Н 10Т принимаем = 240 МН/м²),

ш₁ - коэффициент, зависящий от соотношения .

м ²

вспомогательную величину А (в м ²):

,

где д - толщина обечайки, соединяемой фланцем, м;

ш₂ - коэффициент, зависящий от соотношения .

.

Поскольку , то высоту фланца определяем по формулам:

,

,

м.

м.

Из двух значений выбираем большее, h = 0,071 м.

5.4 Расчёт опор аппаратов

Выбор типа опоры зависит от ряда условий: места установки аппарата, соотношения высоты и диаметра аппарата, его массы и т.д. Расчёт опоры колонного аппарата, устанавливаемого на открытой площадке, проводим, исходя из ветровой и сейсмической нагрузок. При расчёте лап определяем размеры рёбер. Отношение вылета к высоте ребра l/h принимаем равным 0,5. Толщину ребра определяем по формуле:

где G - максимальный вес аппарата, МН (во время испытания, когда весь аппарат заполнен водой);

n - число лап (не менее двух);

z - число ребер в одной лапе (одно или два);

у_{С. Д.} - допускаемое напряжение на сжатие (принимаем равным 100 МН/м ²);

l - вылет опоры, м; коэффициент к принимаем вначале 0,6, а затем уточняем по графику зависимости к от l/д.

Прочность сварных швов должна отвечать условию:

,

где L_ш - общая длина сварных швов, м;

h_ш - катет сварного шва, м (h_ш = 0,008 м);

ф_ш.с. - допускаемое напряжение материала шва на срез, МН/м ² (ф_ш.с. = 80 МН/м ²).

Определим максимальный вес аппарата:

кг.

.

кг.

кг.

кг.

Р = т?g = 77012,82 ? 9,8 = 754725,654 Н = 0,754725 МН.

Примем число лап n = 4, конструкцию лап - двухреберную, вылет лапы l = 0,2 м. Высота лапы h = l / 0,5 = 0,4 м. Толщину ребра при к = 0,6 определяем по формуле:

м.

Отношение l/д = 0,2/0,02 = 10. По графику зависимости к от l/д. проверяем коэффициент к. Он принимает значение, близкое первоначально принятому, поэтому персчёт толщины ребра не требуется. Общая длина сварного шва

м.

Проверяем выполнение условия для прочности сварных швов:

.

0,1886 МН < 0,75264 МН.

т.е. прочность обеспечена.

6. Техника безопасности

Сосудами, работающими под давлением, называются герметически закрытые емкости, предназначенные для ведения химических и тепловых процессов, а также для хранения и перевозки сжатых, сжиженных и растворенных газов и жидкостей под давлением.

Основная опасность при эксплуатации таких сосудов заключается в возможности их разрушения при внезапном адиабатическом расширении газов и паров (физический взрыв). При физическом взрыве энергия сжатой среды в течение малого промежутка времени реализуется в кинетическую энергию осколков разрушенного сосуда и ударную волну.

Особенно опасны взрывы сосудов, содержащих горючую среду, так как осколки резервуаров даже большой массы (до нескольких тонн) разлетаются на расстояние до нескольких сот метров и при падении на здание, технологическое оборудование, емкости вызывают разрушение, новые очаги пожара, гибель людей.

При взрывах сосудов развиваются большие мощности, приводящие к большим разрушениям. Так, мощность, выделяемая при разрыве сосуда емкостью 1 м ³, содержащего воздух под давлением 1,2 МПа (12 кгс/см ²) при длительности разрыва 0,1 с составляет 28 МВт.

Наиболее частые причины аварий и взрывов сосудов, работающих под давлением - несоответствие конструкции максимально допустимому давлению и температуре; превышение давления сверх предельного; потеря механической прочности аппарата (коррозия, внутренние дефекты металла, местные перегревы); несоблюдение установленного режима работы; недостаточная квалификация обслуживающего персонала; отсутствие технического надзора.

Конструкция сосудов и аппаратов должна быть надежной, обеспечивать безопасность при эксплуатации и предусматривать возможность осмотра, очистки, промывки, продувки и ремонта сосудов. В частности, предъявляются требования к устройству и изготовлению лазов и люков, днищ сосудов, к сварным швам и их расположению и др. Электрическое оборудование и заземление должны отвечать Правилам устройства электроустановок (ПУЭ).

Сосуды, с внутренним диаметром более 800 мм снабжаются достаточным для их осмотра и ремонта количеством лазов, расположенных в местах, доступных для обслуживания.

Сосуды, с внутренним диаметром 800 мм и менее должны иметь в доступных местах стенок сосудов круглые или овальные люки.

Сварные швы сосудов выполняются только стыковыми. Сварные соединения в тавр допускаются для приварки плоских днищ, фланцев, трубных решеток, штуцеров. Пересечение сварных швов при ручной сварке не допускается: они должны быть смещены по отношению один к другому не менее чем на 100 мм.

Отверстия для люков располагаются вне сварных швов.

Сварные швы должны быть доступны для контроля при изготовлении, монтаже и эксплуатации сосудов.

Контроль качества сварных соединений сосудов и их элементов должен производиться:

а) внешним осмотром и измерением;

б) ультразвуковой дефектоскопией, просвечиванием, рентгеновскими или гамма-лучами или этими методами в сочетании;

в) механическими испытаниями;

г) металлографическим исследованием;

д) гидравлическим испытанием;

е) другими методами (стилоскопированием, замерами твердости, травлением, цветной дефектоскопией и т.д.). Результаты контроля сварных соединений фиксируются в соответствующих документах (журналах, картах и др.). Качество сварных соединений считается неудовлетворительным, если в них при любом виде контроля будут обнаружены внутренние или наружные дефекты, выходящие за пределы норм, установленных правилами, техническими условиями на изготовление изделия и инструкциями по сварке и контролю сварных соединений.

Материалы, применяемые для изготовления сосудов, должны обладать хорошей свариваемостью, а также прочностными и пластическими характеристиками, обеспечивающими надежную и долговечную работу сосудов в заданных условиях эксплуатации.

Материалы, предназначенные для изготовления или ремонта сосудов, должны иметь сертификаты, подтверждающие, что качество материала соответствует требованиям Ростехнадзора, а также специальным техническим условиям.

Заключение

В данном курсовом проекте в результате проведённых инженерных расчетов была подобрана ректификационная установка для разделения бинарной смеси этанол-вода, с ректификационной колонной диаметром D = 1 (м), высотой H = 10 (м), в которой применяются ситчатые тарелки, расстояние между которыми h = 0,5 (м). Колонна работает в нормальном режиме.

Одно из основных условий безопасной эксплуатации ректификационных колонн - обеспечение их герметичности. Причинами нарушения герметичности могут быть:

повышение давления в аппарате сверх допустимого,

недостаточная компенсация увеличения линейных размеров при температурных нагрузках,

коррозия и эрозия корпуса,

механические повреждения.

Наиболее опасной причиной резкого повышения давления в колонне может быть попадание в нее воды. Мгновенное испарение воды вызывает столь быстрое порообразование и повышение давления, что предохранительные клапаны, в силу своей инерционности, не успевают сработать, и может произойти разрыв стенок аппарата. Для исключения попадания воды в колонну необходимо следить, чтобы сырье и орошения не содержали воду, периодически проверять целостность трубок в подогревателе куба, в оросительных холодильниках. Повышение давления в колонне может произойти также вследствие нарушения температурного режима процесса ректификации и превышения пропускной способности колонны по сырью.

На случай недопустимого повышения давления колонны оборудуются предохранительными клапанами, сбрасывающими часть продукта в факельную линию. Если число тарелок более 40, то по правила ПБВХП - 74, учитывая возможность резкого сопротивления, предохранительные клапаны рекомендуется устанавливать в кубовой части колонны.

При входе в колонны парожидкостная струя продукта имеет большие скорости, что может вызвать эрозию стенок аппарата. Для защиты корпуса аппарата сырье вводят в полость специального устройства - улиты, которая снабжена отбойным местом, принимающим удар струи и защитной гильзой, заменяемой по мере износа.

Список использованных источников

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

2. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии /Учебное пособие/, К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков, 9-ое изд. перераб. и дополнен. Л. Химия,1987. - 575 с.

3. Каталог. Колонные аппараты. Изд. 2-е, ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, М.: 1978, 31 с.

4. Основы конструирования и расчёта химической аппаратуры. Лащинский А.А., Толчинский А.Р., Л., "Машиностроение", 1970 г., 752 стр.

Размещено на Allbest.ru

...