Технико-технологические расчеты. 
Выделение товарного диэтаноламина

Расчет и выбор ректификационной колонны поз.3.

Ректификационная колонна поз. 3 представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат насадочного типа и предназначена для получения диэтаноламина марки, А боковым отбором, триэтаноламина по кубу колонны и отгона легкокипящих компонентов (вода, моноэтаноламин) по верху колонны. [5, c. 126], [6, c. 327].

Расчет температуры и давления в колонне, флегмового числа, теплового баланса приведен в приложении А. 7, c. 61].

Результаты расчета:

Температура верха колонны 112 ⁰С Температура куба колонны 188 ⁰С Температура питания 165 ⁰С Давление верха колонны 25 мм рт. ст.

Давление куба колонны 31 мм рт. ст.

Флегмовое число 1,031.

Диаметр колонны 1,0 м Высота колонны 16,8 м Расчет геометрических размеров колонны поз.3.

Для расчета геометрических размеров колонны примем, что в ней разделяется двухкомпонентная смесь диэтаноламин — триэтаноламин.

Полученные данные нанесены в виде кривой в координатах — х (рисунок 2). Диаграмма равновесия для смеси диэтаноламин-триэтаноламин в координатах температура t — пара y и жидкости x представлена на рис. 3.

Рисунок 2 Диаграмма равновесия для смеси диэтаноламин-триэтаноламин в координатах состав пара y состав жидкости x.

Рисунок 3 Диаграмма равновесия для смеси диэтаноламин-триэтаноламин в координатах температура t пара y и жидкости x.

Пересчитаем составы фаз из массовых в мольные доли по соотношению:

(3.1) [5, c.126].

Расчет скорости пара и диаметра колонны.

Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости для верхней и нижней частей колонны…

H_к=3,2 + 4,2 + 1,8 +(3 — 1)· 1,5 + 2,6 + 2,0 = 15,8 м Механический расчет Расчет толщины стенки обечайки колонны, нагруженной внутренним давлением Толщина стенки определяется по формуле:

+С_к+С_окр, (3.27) [8, с.11].

где Р — давление в аппарате, МПа;

D_в — внутренний диаметр обечайки, м;

у_Д — допускаемое напряжение на растяжение материала, зависящее от марки стали и рабочей температуры, МПа;

ц — коэффициент прочности сварного шва;

С_к — прибавка на коррозию, мм.

Прибавка на коррозию С_к определяется по формуле:

С_к = х*Т, (3.28) [8, с.11].

где х — скорость коррозии, мм/год (принимают 0,1−0,2 мм/год);

Т — срок службы аппарата (обычно 10−12 лет) С_к = 0,2*10 = 2 мм у_Д=140 МПа для стали 12Х18Н10Т [5, с.76].

ц= 0,95 для стыковых швов, выполняемых автоматической сваркой.

Толщина обечайки с учетом запаса на коррозию и округления равна:

+0,002+С_окр = 0,01 м Границей применимости формулы (3.26) является условие (3.28):

(S_R-C_к)/D_в? 0,1 (3.29) [5, с.77].

Данное условие выполняется: <0,1.

Расчет толщины стенки эллиптического днища, нагруженного внутренним давлением Толщина стенки определяется по формуле:

+С_к+С_окр, (3.30) [8, с.11].

Толщина днища с учетом запаса на коррозию и округления равна:

+0,002+С_окр = 0,01 м Условие применимости формулы (3.30) выполняется: <0,1.

Расчет колонны на ветровую нагрузку и подбор опоры Расчетом проверяется прочность и устойчивость аппарата, устанавливаемого на открытой площадке при действии на него ветра. В частности, определяются размеры наиболее ответственного узла аппарата — опоры и фундаментальных болтов, которыми крепится опора к фундаменту.

Так как отношение высоты аппарата к его диаметру расчетная схема аппарата принимается в виде упруго защемленного стержня.

При установке на одном фундаменте группы аппаратов, жестко связанных между собой в горизонтальном направлении, общий период собственных колебаний таких аппаратов Т (в сек) определяется по формуле:

(3.31) [10, c.688].

где G — сила тяжести аппарата, МН; H — высота аппарата, м;

J — момент инерции, м⁴; модуль упругости, МН/м²;

gускорение свободного падения, м/с².

Материал аппарата — низколегированная сталь 12Х18Н10Т (0,12% С, 18% Cr, 10% Ni,? 1%Ti) E^t = 2*10⁵ МН/м². [10, c.688].

Н = 0,3 МН;

Момент инерции поперечных сечений корпуса определяется по формуле:

(3.32) [10, c.690].

м⁴;

Тогда.

с;

Нормативный скоростной напор для II географического пояса равен q=0,035*10^-2 МН/м² [10, c.686].

Поправочный коэффициент и=1,3 [10, c.687].

Расчетный скоростной напор определяется по формуле:

(3.33) [10, c.690].

МН/м²

Коэффициент увеличения скоростного напора определяем по формуле:

(3.34) [10, c.691].

где е — коэффициент динамичности;

m — коэффициент пульсации скоростного напора.

Для Т=0,88 е =1,5, m=0,35.

Угол поворота опорного сечения определяется по формуле:

(3.35) [10, c.688].

где С_ф — коэффициент неравномерного сжатия грунта, определяется по данным инженерной геологии, при отсутствии таких данных для грунтов средней плотности принимается С_ф? 50 МН/м²;

J_ф — момент инерции подошвы фундамента относительно центральной оси, м⁴. Если точные размеры фундамента не известны, то J_ф принимается равным J_ф=1,3J.

м⁴;

Относительное перемещение центров тяжести определяем по формуле:

(3.36) [10, c.688].

где, А — параметр, определяемый по графику [10,c.688];

б — относительная координата центра тяжести (б=1).

Силу от ветровой нагрузки, действующую на аппарат определяем по формуле:

(3.37) [10, c.688].

МН;

Изгибающий момент от ветровой нагрузки относительно основания аппарата определяется по формуле:

(3.38) [10, c.688].

;

Изгибающий момент от действия ветровой нагрузки на одну площадку, расположенную на высоте H от основания аппарата определяется по формуле:

(3.39) [10, c.688].

где H — расстояние от низа площадки до основания аппарата, м;

F — площадь площадки, м².

Общий изгибающий момент от ветровой нагрузки определяется по формуле:

М_в.о=М_в+М_в.n (3.40) [10, c.688].

Принимаем толщину цилиндрической стенки опоры s=10 мм.

Внутренний диаметр опорного кольца определяем по формуле:

D₂ = D — 0,06 м (3.41) [10, c.689].

D₂ = 1,0 — 0,06 = 0,94 м;

Наружный диаметр опорного кольца определяем по формуле:

D₁ = D + 2s + 0,2 (3.42) [10, c.689].

D₁ = 1,0 + 2*0,01 + 0,2 = 1,22 м.

Опорную площадь кольца определяем по формуле:

(3.43) [10, c.689].

м² .

Момент сопротивления опорной площади кольца определяем по формуле:

(3.44) [10, c.689].

м³ .

Максимальное напряжение сжатия на опорной поверхности опорного кольца определяется по формуле:

(3.45) [10, c.689].

где G_max — максимальная сила тяжести аппарата при заполнении его водой (при гидроиспытании), МН;

М_в.оmax — общий ветровой момент, соответствующий максимальной силе тяжести аппарата, ;

q_д — допускаемая удельная нагрузка на опору, Мн/м².

Для бетона марки 200 q_д? 14 Мн/м²

(3.46) [10, c.689].

Н=0,129 МН;

Мн/м².

Условие (3.45) обеспечивается.

Номинальная расчетная толщина опорного кольца определяется приближенно из условия прочности его на изгиб от реакции опоры по формуле:

(3.47) [10, c.689].

где l — расстояние от выступающей части кольца до наружного или внутреннего диаметра цилиндрической (или конической) опоры, м;

у_max — по формуле (3.45);

у_ид — допускаемое напряжение на изгиб для материала кольца, МН/м².

м = 77,06 мм;

С учетом прибавки на коррозию принимаем, округляя s_к = 78 мм.

Наименьшее напряжение на опорной поверхности кольца:

— при максимальной силе тяжести аппарата определяется по формуле (3.48):

(3.48) [10, c.689].

МН/м²;

— при минимальной силе тяжести аппарата определяется по формуле (3.49):

(3.49) [10, c.689].

МН/м².

Расчетным является большее по абсолютной величине значение у — при минимальной силе тяжести аппарата, а знак минус показывает на необходимость установки фундаментных болтов.

Общую условную расчетную нагрузку на фундаментные болты определим по формуле:

(3.50) [10, c.689].

МН.

Принимаем количество фундаментных болтов z=8.

Нагрузку на один болт определяем по формуле:

(3.51) [10, c.689].

МН.

Расчетный внутренний диаметр резьбы болтов определяем по формуле:

(3.52) [10, c.689].

м = 28 мм.

Принимаем болты М 27 (d₁= 30 мм) Диаметр болтовой окружности определяем по формуле:

(3.53) [10, c.689].

м.

Принимаем D_б = 1350 мм Расчёт диаметра штуцеров Диаметр штуцеров ввода и вывода реагентов определяют по формуле:

(3.54) [11 c.17].

где W — объемная производительность, м³/с;

w — линейная скорость потока, м/с.

Штуцеров входа питания в колонну:

Плотность смеси находится по формуле:

(3.55) [6 c.12].

где с_см, с₁, с₂, …с_n — плотности смеси и ее компонентов, кг/м³;

x₁, x₂…x_n — массовые доли компонентов смеси с_см = 1073,5 кг/м³ при 152 ⁰С Расход G=1138,56 кг/ч;

м³/с;

Расчетный диаметр:

Принимаем d_у = 50 мм.

Штуцеров входа паров из испарителя:

G=0,452 кг/с с_п = 0,03 кг/м³

м³/с;

Расчетный диаметр:

Принимаем d_у = 500 мм.

Штуцеров выхода паров дистиллята:

G = 705,12 кг/ч с_пд = 0,03 кг/м³

м³/с;

Расчетный диаметр:

Принимаем d_у = 800 мм. Штуцеров выхода бокового отбора Согласно формуле (3.55):

с_см = 1057 кг/м³ при 150 ⁰С.

G=650 кг/с.

м³/с;

Расчетный диаметр:

Принимаем d_у=50 мм.

5. Штуцеров для вывода кубового остатка:

Согласно формуле (3.55):

с_см = 1082 кг/м³ при 188 ⁰С.

G=433,44 кг/с м³/с;

Расчетный диаметр:

Принимаем d_у = 40 мм.

Расчет конденсатора поз.24.

Конденсатор поз.24 предназначен для конденсации паров дистиллята колонны поз. 3.

РАСЧЕТ.

1. Теплота, получаемая кипящей жидкостью от конденсирующегося греющего пара:

Qк=249 312,2 кДж/час 69 253,40 Вт.

2. Расчет количества пара, необходимого для нагрева:

G2=Q/r2, (3.56) [6, с.228].

где rтеплота парообразования насыщенного пара, кДж/кг.

G2=Q/r2 = 249 312/1849,0=134,84 кг/час.

3. Расчет средней разности температур:

dtср=(tб+tм)/2= 34 ⁰С.

4. Ориентировочный расчет площади испарителя :

F=Q*?/(K*dtср), (3.57) [6, с.168].

где,? коэффициент тепловых потерь примем =1,2.

K — коэффициент теплопередачи, Вт/мІ*K.

dtсрсредняя разность температур потоков, °С.

F= 17,60 м².

5. Существующий испаритель:

Площадь поверхности теплообмена, F=24м²

Dвн = 0,600 м Кол-во ходов — 1.

Толщина стенок — 2,00 мм кол-во труб=99.

6. Расчет трубного пространства В трубном пространстве испаряется кубовая жидкость.

t_кип, ⁰С=188,00.

Расчет безразмерной функции b.

b=0,075+0,75*(сп/(сж-сп)^2/3) (3.58) [6, с.162].

b=0,08.

— Ориентировочный расчет удельной тепловой нагрузки.

q=Q/F (3.59) [6, с.162].

q=10 388,01 Вт/м² -Расчет движущей силы теплоотдачи: ?Tкип:

ДTкип=Tст-Ткип=(Tкип+ q/a1)-Ткип= 13,65 °С (3.60).

— Расчет коэффициента теплоотдачи:

б1=b³*л1²*ДTкип² с1 /(м1*у1*Tкип1)= 760,76 Вт/м²К (3.61).

7. Расчет межтрубного пространства В межтрубном пространстве идет конденсация водяного пара.

— ориентировочный расчет удельной тепловой нагрузки:

q=Q/F = 10 388,01.

• — для расчета dt выберем ориентировочный коэффициент теплоотдачи,=168,28,46 Вт/м²К
• — ориентировочный расчет

dt: dt=tконд-tcт=164-(164-q/a2)=0,62 (3.63) [6, с.160].

— Расчет коэффициента теплоотдачи:

At=7312,0.

б2=(2,04*At/(1*dt))^0,25=16 828,46 Вт/м²К (3.64) [6, с.161].

— Расчет коэффициента теплопередачи:

459,17 Вт/м²К (3.65) [6, с.168].

8. Проверочный расчет площади:

F=Q*?/(K*dtср) = 18 м² (3.65).

Примем коэффициент запаса ?=1,10.

Результаты расчета:

В соответствии с ГОСТ 15 118–79.

Диаметр кожуха 325 мм Диаметр труб 25Ч2.

Длина труб 4,0 м Число труб 100.

Число ходов 1.

Поверхность теплообмена 19,5 м²