Расчет насадочной ректификационной колонны непрерывного действия по разделению смеси хлороформ-бензол

м/с, м/с

Найдем среднюю скорость паров:

м/с

Ориентировочный диаметр колонны определяют из уравнения расхода:

Принимаем средний массовый поток пара в колонне G равным полусумме GB и GH:

G=(5,38+5,89)/2 = 5,64 кг/с

Диаметр колонны:

м

Рационально принять стандартный диаметр колонны d=1,4 м. При этом действительные рабочие скорости паров в колонне равны:

2.3 Высота колонны

ректификация бензол хлороформ колонна смесь

Эквивалентная высота насадки:

где s – поверхностное натяжение жидкости, Н/м.

m – тангенс угла наклона равновесной линии.

Высота слоя насадки:

где - теоретическое число изменения концентраций (как видно из графика для верха – 9, для низа – 13 шт.)

Принимаем КПД насадки равное 0,7, тогда действительное число изменения концентраций:

.

Принимаем 32 шт. (13 и 19 шт.)

Высоту колонны определим по формуле [5]:

Н К=Нн+(n-1)hp +НСЕП+НКУБ

где hp – высота промежутков между секциями насадок, м;

НСЕП – высота сепарационного пространства, м;

НКУБ – расстояние между днищем колонны и насадкой, м.

Для колонны диаметром d=1,4 м по [5] принимаем:

НСЕП = 1000 мм

НКУБ = 2000 мм

Тогда высота колонны будет равна:

НК=11,84+(32-1)0,3+1+2=24,14 м.

2.4 Гидравлический расчет колонны

Гидравлическое сопротивление насадки Δр:

ΔР=1169U ΔРc

Гидравлическое сопротивление сухой (неорошаемой) насадки:

где - коэффициент сопротивления сухой неорошаемой насадки, зависит от режима движения газа в насадке

Критерий Рейнольдса для газа в верхней и нижней частях колонны соответственно:

Следовательно, режим движения турбулентный.

Для турбулентного режима коэффициент сопротивления сухой насадки в виде беспорядочно засыпанных колец Рашига:

Гидравлическое сопротивление сухой (неорошаемой) насадки в верхней части колонны:

Па

Гидравлическое сопротивление сухой (неорошаемой) насадки в нижней части колонны:

Па

Плотность орошения в верхней и нижней части колонны:

м3/(м2*с)

м3/(м2*с)

Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки в верхней и нижней части колонны:

Па

Па

Общее гидравлическое сопротивление насадки:

ΔР = ΔР.В + ΔР.Н =5706+10030 = 15736 Па.

2.5 Прочностной расчет

По рекомендации [7], принимаем сталь Х18Н10Т, она пригодна для работы при контакте с хлорсодержащими веществами и производными бензола. Коррозия этой стали равномерная, и составляет: w=0,14 мм/год.

Толщина стенки аппарата:

Sp=PpD/(2*φ*[σ]-Pp)

где Рр − расчётное давление, МПа

Рр=Р+Рг

где Р − давление в аппарате, МПа;

Рг − гидростатическое давление столба жидкости.

Так как Рг мало по сравнению с Р, его можно не учитывать.

φ-коэффициент прочности сварных швов, φ=0,9

[σ] − нормативное допускаемое напряжение, МПа

[σ]=η*σ*

η − коэффициент, зависящий от вида заготовки.

Для листового проката η=1. σ*=152 МПа, при t=100оС

Откуда [σ]=152 МПа

Расчетная толщина стенки равна:

Sp=0,1*1,4/(2*0,9*152-0,1)=0,000511 м

Исполнительная толщина стенки равна:

S=Sp+C+C0

где С – прибавка на коррозию, которая находится по формуле:

С=T*w

где Т=10 лет − срок эксплуатации аппарата; С0 − округление до ближайшего целого значения.

S=0.000511+0.0014=0.002 м=2 мм

Примем толщину стенки цилиндрической обечайки 6 мм. Крышку и днище выберем эллиптические, так как они являются наиболее распространёнными. По рекомендации [9] (табл. 7.2. стр. 116) подберём крышку и днище нужного размера. При диаметре аппарата D=1400 мм, толщина стенки крышки и днища будет равна Sд=6 мм. Целесообразно принять толщину стенки цилиндрической обечайки, крышки и днища одинаковой и равной 6 мм.

2.6 Выбор опор

Для определения опоры необходимо определить вес аппарата:

G=mKB*g

где: g - ускорение свободного падения равное 9,8 м2/с.

mKB - масса корпуса, наполненного водой.

mKB=mK+mB

где: mK - масса корпуса аппарата (массой тарелок можно пренебречь).

mB - масса воды залитой в аппарат.

где V − объем, равный:

V=HK*S

где HK − высота колонны с запасом и с учетом крышки и днища: HK=4,6 м.

S − площадь поперечного сечения аппарата:

S=0,785*d2=0.785*0.82=0.55 м2

Тогда объем колонны будет равен:V=0.55*4,6=2,53 м3. Плотность стали приближенно равна:r=7850 кг/м3. Комплекс kS:

где: [s]-нормативное допускаемое напряжение.

j-коэффициент прочности сварных швов равный 0,95

Подставим полученные величины в уравнение (3):

кг.

Масса воды залитой в колонну:

mB = rB*V = 1000*2,53 = 2530 кг

Тогда масса колонны, заполненной водой, будет равна:

mKB=2530+322=2852 кг.

G=2852*9.81=27978 Н.

По рекомендации [9] (стр. 288), принимаем стандартную цилиндрическую опору 3-го типа (с кольцевым опорным поясом ОСТ 26-467-78).

Рис. 1. − Конструкция стандартной цилиндрической опоры для

стальных сварных колонных аппаратов. Тип 3 – с кольцевым опорным

поясом

2.7 Расчёт штуцеров

Диаметр штуцеров найдём по формуле:

где G - массовый расход жидкости(газа), кг/с;

w - скорость жидкости(газа), м/с;

wж=0,5 м/с; wг=3,5 м/с;

ρ-плотность жидкости газа, кг/м3.

Диаметр штуцера для ввода исходной смеси равен:

Принимаем стандартный штуцер d=45 мм (По [9] табл. 10.1, стр. 173)

Диаметр штуцера для отвода пара из верхней части колонны:

мм

Принимаем стандартный штуцер диаметром d=130 мм (По [9] табл. 10.1, стр. 173)

Диаметр штуцера для отвода кубового остатка:

Возьмём стандартный штуцер диаметром d=45 мм (По [9] табл. 10.1, стр. 173)

2.8 Выбор дефлегматора, кипятильника и насоса для перекачки

исходной смеси

Выбор дефлегматора

Тепловой баланс в дефлегматоре:

P*(R+1)*r=Gв*Ср*(tкон-tнач),

где r=247,6 кДж/кг - теплота парообразования хлороформа;

СВ=4,19 кДж/(кг*К) - теплоёмкость воды;

tнач=40оС − температура воды на входе в дефлегматора;

tкон=28оС − температура воды на выходе из дефлегматора;

Из теплового баланса можем найти расход воды в дефлегматоре:

кг/с

Поверхность теплообмена дефлегматора найдём по формуле:

где Q-тепловой поток, Вт.

Q=Gв*Cp*=5,38*4.19*103*12 = 270 кВт.

к − коэффициент теплоотдачи, который можно ориентировочно принять по [2] (табл. 4.8 на стр. 172)

к~500

м2

По рекомендации [9] (стр. 344) выберем подходящий теплообменник:

Теплообменник ГОСТ 15122-79 с площадью теплообмена F=50 м2.

Выбор кипятильника

Считаем, что за раз в кипятильнике испаряется 50% кубового остатка. Значит, количество тепла, необходимое для испарения данного количества жидкости будет равно:

Q=W*r/2=0.72*247,6*103/2=89 кВт

Площадь поверхности кипятильника будет равна:

где, к − коэффициент теплоотдачи, который можно ориентировочно принять по [2] (табл. 4.8 на стр. 172)

к~1500

м2

По полученным результатам в справочнике [9] на стр. 345 выберем подходящий кипятильник:

Испаритель вертикальный, исполнение 1.

Выбор насоса

Для перекачки исходной смеси по каталогу [10]:«центробежных химических насосов с проточной частью из металла» выберём подходящий по техническим характеристикам:

Насос типа АХ(0) 40-25-160-А,К,Е,И. Этот насос предназначен для перекачки химически активных жидкостей плотностью до 1850 кг/м3

Список используемой литературы

Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. / Ю.И. Дытнерский. − 1991.

Примеры и задачи по курсу ПиАХТ. / Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. − 1987.

Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. / А.Г. Касаткин. − 1961.

Основы расчёта и конструирования массообменных колонн. / Тютюнников А.Б., Товажнянский Л.Л., Готлинская А.П. − 1989.

5. Доманский И.В. Машины и аппараты химических производств. / Доманский И.В.

6. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. / А.А. Лащинский, А.Р. Толчинский.

7. Коррозия и защита химической аппаратуры. / Сухотин А.М. – Т. 7.

8. Стабников В.Н. Расчет и конструирование контактных устройств ректификационных и абсорбционных аппаратов. / В.Н. Стабников.

9. Лощинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов: Справочник. / А.А. Лощинский. − 1981.

10. Каталог центробежных химических насосов с проточной частью из металла.

11. Равновесие между жидкостью и паром. / Коган В.Б., Фридман В.М., Кафаров В.В. − 1966.

12. Михалев М.Ф. Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств. / М.Ф. Михалев.

Размещено на