Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия
3.1 Расчёт испарителя
Расход греющего пара в кубе колонны рассчитывается на основе составления и решения уравнения теплового баланса ректификационной колонны
(21)
где rводы – удельная теплота парообразования, Дж/кг ;
Р – расход верхнего продукта, кг/с;
W – расход нижнего продукта, кг/с;
Ropt – флегмовое число;
– энтальпии потоков, Дж/кг;
rcp – средняя удельная теплота фазового перехода, кДж/кг;
Qпот – тепловые потери (от 3% до 5% от тепла греющего пара) [1]:
(22)
где r –удельная теплота фазового перехода соответствующего компонента, Дж/кг [5];
tср = 95,4 ◦С ;
rнк = 90
rвк = 87
rср = 90*0,4+87*(1-0,4)= 88,2
rср = 88,2*4190 = 369558 Дж/кг.
Таблица 3.1-Теплоёмкости компонентов при различных температурах [2].
Низкокипящий ком-т. |
Высококипящий ком-т. |
||||
Срf,Дж/кг*К |
Срp,Дж/кг*К |
Срw,Дж/кг*К |
Срf,Дж/кг*К |
Срp,Дж/кг*К |
Срw,Дж/кг*К |
2077 | 1766 | 2480 | 2022 | 1718 | 2422 |
(23)
где – массовые доли компонентов, кг/кг;
Ср - теплоёмкости компонентов при различных температурах, Дж/кг*К.
F : Cpсм = 2077*0,4+2022*(1-0,4) = 1763,3 Дж/кг*К;
P : Cpсм = 1766*0,95+1766(1-0,95) = 2044 Дж/кг*К;
W : Cpсм = 2480*0,05+2422(1-0,05) = 2424,9 Дж/кг*К.
(24)
где I - энтальпии потоков, Дж/кг;
Т – температура компонентов, ˚C.
IF = 1763,6*81 = 142851,6 Дж/кг;
IP = 2044*95,4 = 194997,6 Дж/кг;
IW = 2424,9*109,6 = 265769,04 Дж/кг.
Dг.п.*(Iг.п.- iк) = 0,558*(194997,6-142851,6) + 0,83(265769,04+142851,6) + +0,558*3,16*369558 = 1019886,829
Dг.п. = 1019886,829/(0,97*369558) = 2,84 кг/с.
Величину теплопередающей поверхности испарителя рассчитывают на основе уравнения теплопередачи [5]:
(25)
где Qпот – тепловые потери (от 3% до 5% от тепла греющего пара) [1];
Dг.п(Iг.п.-iк) – расход греющего пара, найденного по формуле (21);
K – коэффициент теплопередачи, выбирается по опытным данным в пределах от 300 до2500 Вт/м2*К;
ΔТср – средняя движущая сила процесса теплопередачи.
ΔТср определяется по разнице температур между температурой разделяемой смеси (в кубе колоны) и температурой насыщенного водяного пара при определённом давлении. Обычно средняя движущая сила процесса равна 30 ± 5єС.
Температура кубового остатка равна Тw=109,6 єС (см. выше).
Температура насыщенного водяного пара при давлении 3,0 кг/см2 составляет Т=135,9єС .
(26)
∆Tср = 135,9 – 109,6 = 26,3 оС
ТєС ТєС
ΔТср
Рисунок 3.1 - Температурная диаграмма для определения средней движущей силы процесса теплопередачи.
3.2 Определение расхода воды в дефлегматоре
При расчёте теплового баланса дефлегматора принимается, что пары дистиллята подвергаются полной конденсации. Тогда расход охлаждающей воды составит [5]:
(27)
где P – мольный расход продукта, кмоль/с;
R – оптимальное флегмовое число;
Mсмp – мольная масса продукта, кг/кмоль;
rp – удельная теплота фазового перехода, кДж/кг;
Cp – теплоёмкость воды, кДж/кг*К [2];
Cp=4190 Дж/кг*К
Tк, Tн– конечная и начальная температура охлаждения воды, ˚C. Обычно принимается Tн=12˚C Tк=45˚C
(28)
где rp –удельная теплота фазового перехода определённого компонента, кДж/кг [2];
rp = 90*0,95 + 88*(1-0,95) = 89,9*4190 = 376681 Дж/кг
Mсмp = 91,83 кг/кмоль
3.3 Расчет тепловой изоляции
Основной целью расчета тепловой изоляции является выбор теплоизоляционного материала и расчет его толщины для минимизации тепловых потерь в окружающую среду и обеспечения требований техники безопасности. Расчет тепловой изоляции проводят из условий заданной температуры наружного слоя изоляции, которая не должна превышать 45°С. Толщину слоя теплоизоляционного материала определяют по формуле:
(29)
где – температура внутреннего слоя изоляции tст.=45˚C.
– теплопроводность слоя изоляции.
Примем температуру внутреннего слоя тепловой изоляции равной температуре среды в колонне. .
Выберем в качестве теплоизоляционного материала асбест с Вт/м*К.
Величину тепловых потерь в окружающую среду рассчитаем по уравнению теплоотдачи [3]:
, (30)
где – суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением, Вт/м2*К.
Вт/м2*К.
м.
4. Гидравлический расчет
Основной целью гидравлического расчета является определение гидравлических сопротивлений, которые возникают в процессе прохождения пара через ректификационную колонну из куба через контактные устройства в дефлегматор. Потери напора для всех ректификационных колонн позволяют рассчитать необходимое повышение температуры кипения смеси в кубе колонны.
(31)
где ΔРс – сопротивление сухой тарелки, Па;
ΔРж – сопротивление слоя жидкости, Па;
ΔРб – сопротивление за счёт поверхностного натяжения жидкости, Па; (незначительно можно пренебречь).
(32)
где ω.- скорость пара в горловине колпачка, м/с; определяется по объемному расходу пара и свободному сечению тарелки, м2/c.
(33)
Верхняя часть аппарата
Нижняя часть аппарата
Сопротивление слоя жидкости
(34)
где
hб – высота барботажного слоя жидкости на тарелке, м;
ρж– плотность жидкости, кг/м3 ;
q – ускорение свободного падения (g=9,8м/с2).
hб=0,055м
Верхняя часть аппарата
Нижняя часть аппарата
Полное гидравлическое сопротивление для верха и для низа колонны составляет:
Верхняя часть аппарата
Нижняя часть аппарата
5. Механический расчет основного аппарата
Цель механического расчета ректификационной колонны является определение размеров отдельных частей и элементов колонны, которые удовлетворяли бы условиям технологической целесообразности, механической прочности и устойчивости.
Расчет толщины стенок и опоры аппарата
Обечайка – это цилиндрический корпус аппарата, который работает, как правило, под избыточным внутренним или внешним давлением.
Опоры для аппаратов в химической промышленности выбираются из расчета максимальной нагрузки, которую опора должна выдержать, во время испытания. Материал опоры выбирается в зависимости от температуры рабочей среды, емкости аппарата и т.д. Выберем сталь В Ст3 сп3 ГОСТ 380-71.
Толщина стенки обечайки рассчитывается по уравнению:
(35)
где – давление в аппарате, МПа;
– диаметр обечайки, мм;
– предельно допускаемое напряжение для материала изготовления, МПа;
– коэффициент прочности сварного шва, примем равным единице;
– прибавка.
– прибавка на коррозию и эрозию, примем 1,0 мм;
– прибавка на минусовое отклонение по толщине листа, примем 0,7мм;
– технологическая прибавка, примем 0,51 мм.
Предельно допускаемое напряжение для данного материала равно МПа.
мм.
По расчётам, толщина обечайки равняется 2,42, но по техническим требованиям толщина стенки должна составлять минимум 10 миллиметров [4].
Для подбора опор необходимо определить массу и нагрузку аппарата.
Определение массы аппарата.
Масса корпуса:
(36)
где Н – высота аппарата, м;
π – геометрическая постоянная (π =3,14);
D – диаметр колонны, м ;
s – толщина стенки, м [4];
ρ – плотность стали, кг/м2 [4].
кг.
Масса крышки и днища:
(37)
где D – диаметр колонны, м ;
s – толщина стенки, м [4];
ρ – плотность стали, кг/м3 [4].
кг.
Масса тарелок:
(38)
где N – действительное число тарелок;
mm – масса одной тарелки, кг.
кг.
Масса воды при испытании:
(39)
где π – геометрическая постоянная (π =3,14);
D – диаметр колонны, м;
s – толщина стенки, м [4];
ρв – плотность воды, кг/м2 [2].
кг.
Масса аппарата:
(40)
кг
кг
кг
Переведем в МН:
(41)
где Мап – масса аппарата, кг;
g – ускорение свободного падения (g=9,8м/с2).
МН
Подберем опору:
Таблица 5.1 - Основные размеры цилиндрических опор для колонных аппаратов [4]
Q, MH |
Д, мм |
D1, мм |
D2, мм |
Dб, мм |
S1, мм |
S2, мм |
S3, мм |
d2, мм |
dб, мм |
Число болтов, Zб |
0,4 | 1200 | 100 | 200 | 500 | 150 | 240 | 140 | 50 | 45 | 32 |
5.2 Расчёт и подбор патрубков для подвода и отвода потоков, подбор фланцевых соединений
Присоединение трубной арматуры к аппарату, а также технологических трубопроводов для подвода и отвода различных жидких и газообразных продуктов производиться с помощью штуцеров или вводных труб. По условиям работоспособности чаще всего применяются разъемные соединения (фланцевые штуцера).
В химических аппаратах для разъемного соединения составных корпусов и отдельных частей применяются фланцевые соединения, преимущественно круглой формы. На фланцах присоединяются к аппаратам трубы, арматура и т.д.
Диаметр условного прохода (внутренний диаметр) штуцеров для подвода и отвода продуктов рассчитывается на основе уравнения массового расхода и округляется до ближайшего стандартного значения
Расчет диаметра патрубков для отвода и подвода проводится по уравнению:
(42)
где G – определенный расход, кг/с;
π – геометрическая постоянная (π =3,14);
ω – скорость движения маловязкой жидкости под давлением, м/с;
ρ – плотность потока, при определенных условиях, определяется по формуле (17), кг/м3 .
Вход исходной смеси:
=0,0051кг/кг Тf=95,4˚C
w=2м/с
Выход кубового остатка :
0,00038кг/кг Тw=109,6˚C
w=0,1м/с
Вход флегмы:
0,012кг/кг Тp=81˚C
w=20м/с
(43)
(44)
где R – оптимальное флегмовое число;
P – массовый расход продукта, кг/с.
Выход пара:
Тр=81˚C
w=30м/с
(45)
Плотность пара определяется по формуле (13):
Выход жидкости из куба:
Тw=109,6˚C
w=1м/с
(46)
Вход пара:
Тw=109,6˚C
w=25м/с
(47)
Таблица 5.2-Размеры фланцевых штуцеров с внутреннем базовым давлением ОСТ 26-426-79 [4].
Назначение | Dy,мм | Df,мм | Db,мм | D,мм | dн,мм | h,мм | dб,мм | z | s,мм |
Выход пара | 150 | 315 | 280 | 174 | 160 | 18 | 16 | 8 | 3,5 |
Вход флегмы | 32 | 140 | 110 | 38 | 48 | 12 | 14 | 4 | 3 |
Вход пара | 200 | 370 | 355 | 225 | 210 | 20 | 16 | 8 | 3,5 |
Выход жидкости из куба | 80 | 205 | 170 | 97 | 85 | 14 | 16 | 4 | 3,5 |
Выход кубового остатка | 125 | 260 | 225 | 148 | 135 | 14 | 16 | 4 | 3,5 |
Вход исходной смеси | 32 | 140 | 110 | 38 | 48 | 12 | 14 | 4 | 3 |
Для манометра | 25 | 100 | 75 | 60 | 33 | 8 | 12 | 4 | 3 |
Для указателя уровня | 20 | 90 | 65 | 50 | 26 | 8 | 12 | 4 | 3 |
Для установки уровнемера | 25 | 100 | 75 | 60 | 33 | 8 | 12 | 4 | 3 |
Для термометра ртутного | 25 | 100 | 75 | 60 | 33 | 8 | 12 | 4 | 3 |
5.3 Подбор крышек, днищ для колонных аппаратов
Днища являются одним из основных элементов химических аппаратов. Цилиндрические цельносварные корпуса как горизонтальных, так и вертикальных аппаратов, ограничиваются днищами. Наиболее распространенной формой днищ в сварных химических аппаратах является эллиптическая форма с отбортовкой на цилиндр.
Таблица 4.3. Размеры эллиптических отбортованных стальных днищ с внутренними базовыми диаметрами ГОСТ 6533-78, мм [4].
Dвн |
S,мм |
h, мм |
hв, мм |
Fв, м2 |
Vв, м3 |
1000 | 4 | 50 | 250 | 1,24 | 0,17 |
Заключение
В процессе проделанной работы была рассчитана ректификационная установка для разделения смеси бензол-толуол.
Были получены следующие данные:
диаметр колонны -1000 мм;
высота колонны – 11,1 м;
толщина цилиндрической обечайки, эллептического днища и крышки 10 мм.
В качестве перераспределителя жидкости принята тарелка ТСК-I.
Рассчитаны материальный и тепловой баланс установки, построены - графики и таблицы.
Список литературы
1 Гусев В.П. Процессы и аппараты химической технологии. Расчет теплообменных аппаратов / Методические указания к курсовому проектирования для студентов Томского химико-технологического колледжа. – Т.: ТХТК. 1994.- 70 с.
2 Гусев В.П., Гусева Ж.А.. Процессы и аппараты химической технологии. Физико-химические и термодинамические свойства веществ / Методическое пособие к выполнению курсового проекта по процессам и аппаратам химической технологии, в 2-х частях / Часть 2. – Т.: ТХТК, 1994. - 69 с.
3 Дытнерский Ю. И. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию. — М. : Химия, 1983. — 272 с.
4 Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. Справочник. – Л.: Машгиз, 1970. – 753 с.
5 Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1991.- 352 с.
Справочник химика. ТомIII: Химическое равновесие и кинетика. Свойства растворов. Электродные процессы. М.: Химия, 1964, 1093с.
Брисов Г.С., Брыков В.П., Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. М.: Химия, 1991. 496с.
49