Проектировочный расчет ректификационной колонны для получения товарного пропилена

1. Конструкторская часть

1.1 Техническое задание

1.2 Литературно-патентный поиск

1.3 Описание технологии и технологической схемы

1.4 Описание конструкции и принципа работы

1.5 Расчет технической характеристики

1.6 Выбор и обоснование материалов конструкции

2. Расчеты на прочность

2.1 Расчет на прочность цилиндрической обечайки

2.2 Определение толщины стенки крышки и днища

2.3 Расчет аппарата на ветровую нагрузку

2.4 Расчет опоры аппарата

2.5 Укрепление отверстий

2.6 Расчет и подбор фланцев Заключение Список литературы

Ректификация — разделение жидких однородных смесей на составляющие вещества или группы составляющих веществ в результате противоточного взаимодействия паровой смеси и жидкой смеси.

Возможность разделения жидкой смеси на составляющие её компоненты ректификацией обусловлена тем, что состав пара, образующегося над жидкой смесью, отличается от состава жидкой смеси в условиях равновесного состояния пара и жидкости.

При ректификации исходная смесь делится на две части: часть, обогащенную легколетучим компонентом (ЛЛК), называемую дистиллятом, и часть, обедненную ЛЛК, называемую кубовым остатком.

Обычно ректификационный аппарат состоит из двух частей: верхней и нижней, каждая из которых представляет собой организованную поверхность контакта фаз между паром и жидкостью.

В нижней части исходная смесь взаимодействует с паром, начальный состав которого равен составу кубового остатка. Вследствие этого из смеси извлекается легколетучий компонент.

В верхней ступени пар начального состава соответствующий составу исходной смеси, взаимодействует с жидкостью, начальный состав которой равен составу дистиллята. Вследствие этого пар обогащается легколетучим компонентом до требуемого предела, а менее летучий компонент извлекается из паровой фазы.

Пар для питания ректификационной колонны получается многократным испарением жидкости, имеющей тот же состав, что и кубовый остаток, а жидкость — многократной конденсацией пара, имеющего состав, одинаковый с составом дистиллята.

1. Конструкторская часть

1.1 Техническое задание

Целью курсового проекта является проектировочный расчет ректификационной колонны для получения товарного пропилена.

Назначение: Разделение смеси «пропан — пропилен» и получение товарного пропилена.

Технические характеристики ректификационной колонны:

1. Колонна установлена на открытой площадке на отметке 0,0 м во II географическом районе по ветровой нагрузке с нулевой сейсмичностью

2. Колонна установлена на открытом воздухе, работает по непрерывному циклу.

3. Состав и характеристика рабочей среды:

— Расход сырья: 82,1 кмоль/ч;

— Массовая доля НКК в исходной смеси: 72,0%;

— Массовая доля НКК в кубовом остатке: 2%;

— Массовая доля НКК в дистилляте: 96% .

1.2 Литературно — патентный поиск

В ближайший период в соответствие с Федеральной программой предусмотрен ввод ряда новых установок АВТ на замену устаревших. Важное значение для повышения эффективности процесса атмосферной и вакуумной перегонки имеет применение современного печного, колонного, теплообменного и насосного оборудования, а также систем создания глубокого вакуума и автоматического управления процессами дистилляции.

Одной из причин отстающих показателей технического уровня отечественных установок первичной переработки нефти остается низкий уровень эффективности и надежности работы оборудования.

Для снижения на АВТ энергозатрат (в частности топлива и пара) применяются схемы последовательного испарения бензиновых фракций (по мере утяжеления фракционного состава нефти), что при некотором увеличении капитальных затрат на дополнительные колонны и теплообменники обеспечивает в эксплуатации экономию до 50% энергозатрат в сравнении с традиционными процессами атмосферно-вакуумной перегонки.

Колонные аппараты предназначены для проведения процессов теплои массообмена (ректификация, дистилляция, абсорбция, десорбция) в химической, нефтехимической, нефтеперабатывающей и других отраслях промышленности. Ректификация — массообменный процесс, применяемый для разделения жидких смесей, компоненты которых различаются по температуре кипения. Ректификацию проводят колонных аппаратах с контактными устройствами (насадки, тарелки). Большое разнообразие тарельчатых контактных устройств затрудняет выбор оптимальной конструкции тарелки.

Кроме физико-химических свойств разделяемой системы и режимных параметров массообменного процесса, для правильного выбора КУ необходимо учитывать следующее:

— наличие механических примесей в сырье;

— возможность образования твердых отложений, полимеризации или термического разложения продуктов;

— агрессивность среды, необходимость чистки и периодичность ремонта.

В настоящее время при оценке совершенства конструкции КУ во внимание принимают следующие показатели: удельная производительность (по газу и жидкости); гидравлическое сопротивление; эффективность при номинальной нагрузке; диапазон рабочих нагрузок; металлоемкость и стоимость изготовления; удобство ремонта и монтажа.

Отсутствие единого критерия усложняет процедуру сравнения и выбора КУ, заставляя проводить экспертный или технико-экономический анализ конкурентоспособных конструкций. В тех случаях, когда нет особых требований к процессу разделения, выбор типа контактного устройства можно произвести по Приложению A.

Мировая нефтеперерабатывающая промышленность в последние годы столкнулась с проблемами экологии. Ужесточились требования к составу отработанных газов, к качеству нефтепродуктов; устанавливает запрет или высокое налогообложение на использование этилированного бензина, повышает требование к качеству дизельных топлив и смазочных материалов. Решения экологически связаны с большими капиталовложениями, с применением наукоемких технологий.

Большинство стран решает эту проблему путем модернизации действующих предприятий и повышения коэффициента использования мощностей. В США — 99% самый большой коэффициент, в Японии — 86%.

Существующие ситчатые тарелки для ректификационных, абсорбционных, экстракционных и других массообменных колонных аппаратов, с целью обеспечения равномерного распределения газа по сечению колонны, требуют строго горизонтальной установки, точной перфорации и специальных переточных устройств.

В 1955 году Симонов Г. Б. предложил разновидность конструкции ситчатых тарелок для массообменных аппаратов, вставляемых в колонну со свободным зазором по переферии без уплотнения. Особенностью предложенной конструкции является, то что для улучшения распределения газового потока под тарелкой и равномерности барботажа тарелку 1 (рисунок 1.1) снабжают по периметру отогнутым вниз бортом 2, образующим со стенками колонны зазор, служащий для перетока жидкости. Благодаря наличию указанного борта, под тарелкой, при работе колонны, создается газовый мешок, способствующий более равномерному распределению газовой фазы по площади перфорации тарелки. При наличии бортов не требуется установки на тарелках переливных трубок с гидрозатворами.

Бида Л.А. предлагает ситчатую тарелку. Его изобретение относится к аппаратурному оформлению тепломассообменных процессов в системе газ (пар) — жидкость и может найти применение в химической, нефтехимической, газоперерабатывающей и других отраслях промышленности.

а) б) Рисунок 1.1 — Схема тарелок: а) барбатажная ситчатая тарелка, б) ситчатая тарелка В данном изобретении производится расширение диапазона устойчивой работы ситчатой тарелки за счет регулирования свободного сечения. Тарелка включает горизонтальное основание 1 (рисунок 1.1) с отверстиями 2, сетку 3, установленную над основанием 1, переливное устройство 4. Основание 1 выполнено с впадинами 5 сферической формы, в каждой из которых расположен с возможностью перемещения шарообразный контактный элемент 6, диаметр которого больше расстояния между сеткой и основанием. Радиус кривизны впадин 5 больше радиуса кривизны контактных элементов 6, а глубина впадин 5 больше или равна половине диаметра контактного элемента 6.

Ситчатая тарелка работает следующим образом: жидкая фаза поступает на основание 1 тарелки с выше лежащей ступени контакта и взаимодействует с восходящим потоком газа. По мере увеличения скорости газа в колонне происходит отрыв шарообразных контактных элементов 6 от поверхности впадин 5 сферической формы основания 1, в результате чего отверстия 2 открываются и на тарелке устанавливается нормальный режим работы. Дальнейшее увеличение газовой нагрузки приводит к тому, что контактные элементы 6 занимают крайнее верхнее положение, регламентируемое уровнем расположения сетки 3, свободное сечение которой значительно превышает свободное сечение основания 1 тарелки.

В химической промышленности кроме ситчатых тарелок используются и многие другие виды тарелок.

Например Тительман Л. И., Драчева Н. Н. и другие в 1970 году предложили щелевую тарелку. Недостатками колонн с щелевыми тарелками, выполненной в виде листа с продольными щелями, является большое гидравлическое сопротивление и низкая эффективность. Целью изобретения является повышения эффективности щелевой тарелки за счет уменьшения степени сжатия, входящей в щель струи жидкости и увеличения скорости ее истечения. Сущность изобретения заключается в том, что вдоль одной стороны каждой щели тарелки выполнены вертикальные полосы. Тарелка представляет собой лист, в котором выполнены продольные щели заданной ширины. С одной стороны каждой щели расположены вертикальные полосы.

Газ поступает на тарелку снизу, жидкость сверху. Оба потока проходят тарелку через одни и те же щели.

Расстояние между тарелками в колонне должны определяться расчетом и принимаются равными в соответствии с рядом значений.

Усовершенствование провальных тарелок с целью повышения эффективности тепло — массообменного процесса предложили Молоканов Ю. К. и Александров И. А. В данной провальной тарелке щели выполнены с отогнутыми кромками в противоположных направлениях для смежной пары, благодаря чему производительность тарелки увеличивается. Газ, поднимающийся вверх по колонне, и жидкость, стекающая вниз, контактируют на тарелке, в результате чего на ней образуется слой вспененной жидкости. Жидкость в основном стекает через щели, кромки которых отогнуты вниз, а газ проходит через щели, кромки которых отогнуты вверх, при этом в результате интенсивного перемешивания жидкости и газа на тарелке образуется высокотурбулизированная пена, в которой и осуществляется контакт между газом и жидкостью.

Рисунок 1.2 — Колпачковая тарелка Пленочно-колпачковая тарелка состоит из корпуса 1, горизонтальной перегородки 2, на которой установлены переливное устройство 3 и контактное устройство 4. Контактное устройство 4 состоит из газового патрубка 5, колпчка 6. В нижний торец газового патрубка 5 установлен цилиндрический стакан 7, верхняя боковая кромка 8 которого срезана с поверхностью газового патрубка 5 на угол 6−10є в вертикали, а в цилиндрический стакан 7 соосно установлен переточный патрубок 9, который в нижней части посредством трубок 10 соединен с кольцевым карманом 11, а верхним открытым торцом 12 с колпачком 6. Между внутренней поверхностью цилиндрического стакана 7 и карманом 11 выполнен кольцевой зазор 13 для формирования жидкостной пленки (рисунок 1.2).

Пленочно-колпачковая тарелка работает следующим образом. Жидкость через переливное устройство 3 поступает на горизонтальную перегородку 2 и, заполняя ее, поступает в переточный патрубок 9 и трубки 10. После этого заполняет кольцевой зазор 13 кармана 11, и, сформировавшись там в виде жидкостного кольца, подхватывается паром, поступающим снизу, транспортируется по внутренней поверхности цилиндрического стакана в виде тонкой жидкостной пленки. На выходе из цилиндрического стакана 7 жидкостная пленка поступает на срезанную боковую кромку 8 и плавно перетекает на внутреннюю поверхность газового патрубка 5 и транспортируется паром по его внутренней поверхности. На выходе из газового патрубка 5 жидкостная пленка смешивается с жидкостью, расположенной на перегородке 2, а пар, барботируется через слой жидкости на перегородке, уходит на выше лежащую тарелку. Перетекание жидкости с тарелки на тарелку обеспечивается переливными устройствами 3.

В результате проведенного литературно обзора в качестве базовой конструкции колонны принимаем тарельчатую ректификационную колонну, так как они получили наибольшее распространение в нефтехимии. В качестве контактных устройств принимаем ситчатые тарелки. Они обладают довольно широким диапазоном устойчивой работы и низкой металлоемкостью. А так же ситчатые тарелки имеют меньшую себестоимость и обладают меньшим гидравлическим сопротивлением.

1.3 Описание технологии и технологической схемы

Метатезис олефинов.

Еще одним способом получения пропилена как целевого продукта является мететезис — химическая реакция, в которую вступают два вещества, при этом происходит замещение групп с образованием двух новых соединений. В данном случае этилен и смесь изомерных бутенов реагируют с образованием пропилена и пропана.

Согласно технологии, смесь изомерных бутенов и этилена подают в нижнюю часть реактора. В верхнюю часть реактора вводят катализатор метатезиса в виде суспензии и катализатор изомеризации бутена-1 в бутен-2. Поднимаясь вверх по реактору, этилен и бутен-2 взаимодействуют с образованием пропена. По мере расходования бутена-2 его количество постоянно пополняется за счет изомеризации бутена-1.

Поток, выходящий из реактора, подвергается фракционированию, при этом чистый пропилен отделяется от этилена и бутена. Последние возвращаются в процесс. Селективность образования пропилена выше 98%, нежелательных побочных продуктов практически нет.

Гетерогенные промышленные катализаторы, применяемые или предложенные к применению в процессе метатезиса, разделяются на два основных класса:

1) на основе оксида вольфрама, действующие при относительно высоких температурах (330−400°С);

2) на основе оксида рения, действующие при низких температурах (30−60°С).

Помимо этого существуют катализаторы на основе оксида молибдена, но они отличаются высокой чувствительностью к каталитическим ядам. Ниже приведены сравнительные характеристики катализаторов метатезиса.

Обычно установки метатезиса устанавливают в составе других технологий получения олефинов, когда необходимо повысить выход пропилена. Данная технология была разработана уже давно, но лишь в последнее время она стала более пристально изучаться из-за потребности в высоком выходе пропилена в некоторых регионах.

По оценкам Abb Lummus Global, использование данного процесса на этиленовых заводах повышает экономические показатели по сравнению с таковыми для производства без стадии метатезиса: капитальные затраты уменьшаются на 5−7%, прибыль увеличивается на 6−7% за счет уменьшения потребления энергии и сырья.

Метатезис может быть экономически выгоден в случае, когда цена на пропилен равна или превышает цену на этилен. Экономическая эффективность метатезиса очень сильно зависит от отношения цен пропилен/этилен и в случае, когда это отношение меньше единицы, процесс перестает быть выгоден производителю из-за высокой стоимости получаемого продукта.

1.4 Описание конструкции и принципы работы

Ректификационная колонна представляет собой металлическую конструкцию из цельносварных стальных листов, сваренных встык автоматической дуговой электросваркой. В аппарате выполнены соответствующие входы и выводы в виде патрубков, люки для обслуживания и очистки тарелок. Диаметр колонны равен 1 м, высота — 12 м. Расстояние между тарелками 0,5 м., количество тарелок 10 шт. Тип тарелок ситчатые однопоточные. Сама колонна располагается на цилиндрической опоре типа II (опоры цилиндрические с наружными стойками под болты), которая прикреплена анкерными болтами к фундаменту.

1.5 Расчёт технической характеристики

Определим необходимые нам при дальнейших расчетах исходные данные для пропана и пропилена. В первую очередь это мольная масса обоих веществ, температура кипения, критическая температура, критическая плотность. Исходные данные представлены в таблице 1. [5]

Таблица 1 — Исходные данные

Расчет материального баланса

Схема материальных потоков процесса представлена на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 — Схема материальных потоков узла ректификации смеси: 1 — ректификационная колонна, 2 — конденсатор-холодильник, 3 — емкость орошения (отстойная емкость), 4 — кипятильник

, , , — расходы сырья, дистиллята, остатка, холодного и горячего орошения, .

, , , — мольные концентрации НКК в сырье, парах и жидкости дистиллята, жидкости и парах остатка, .

, , , — температуры сырья, паров и жидкости дистиллята, жидкого остатка, начальная хладогента, .

, , — давления в секциях питания, наверху и внизу колонны, в емкости орошения, .

Исходные данные к расчету:

Мольный расход сырья: .

Мольный состав сырья: мольные доли.

Концентрации ННК в верхнем продукте колонны: .

Концентрации ННК в нижнем продукте колонны: .

Материальный баланс колонны используется для расчета выходов процесса ректификации, т. е. количеств дистиллята и остатка в .

Количество дистиллята:

.

Количество остатка:

Контроль правильности расчета материального баланса проводиться по условию:

.

Условие выполняется.

Расчет теплового баланса

Рассчитаем молярные массы для смесей сырья, дистиллята и кубового остатка в соответствии с [12]:

;

;

;

;

;

Для колонны непрерывного действия с учетом потерь тепла в окружающую среду имеем:

Приход тепла:

С теплоносителем в кипятильнике ;

С исходной смесью ;

С верхним орошением .

Расход тепла:

С парами, поступающими из колонны в дефлегматор

;

С остатком ;

Потери в окружающую среду ;

Кроме известных величин, в выражения для количеств тепла входят:, , и — энтальпии соответственно паров, выходящих из колонны, исходной смеси, флегмы и остатка.

Таким образом, уравнение теплового баланса:

(1.1)

Подставляя вместо их значения и учитывая, что, и, получим:

Решая уравнение (1.1) относительно, находим расход тепла в кипятильнике:

(1.2)

Из уравнения теплового баланса (1.2) видно, что тепло, подводимое в кипятильник, затрачивается на испарение дистиллята, испарение флегмы , нагревание остатка до температуры кипения, а также на компенсацию потерь тепла в окружающую среду.

Флегма из дефлегматора поступает в колонну при температуре ее кипения. Поэтому энтальпия пара составляет , где — теплота испарения флегмы.

Потери тепла в окружающую среду выражаем в долях тепла, подводимого в кипятильник, т. е. принимаем, где при наличии хорошей тепловой изоляции коэффициент :

=16,9 кДж/с.

Делая соответствующие подстановки в уравнение (1.2), окончательно получим:

(1.3)

Энтальпии жидкостей, входящих в уравнение (1.2) и (1.3), равны произведениям их мольных теплоемкостей на температуры (в):

;; .

Теплоемкости и теплоты испарения для бинарных смесей вычисляют по правилу аддитивности исходя из свойств чистых компонентов:

(1.4)

(1.5)

где — мольная доля компонента в смеси; - теплота испарения пропана; - пропилена; - теплоемкость пропана; - теплоемкость пропилена.

Тогда получим следующие значения теплоемкости и теплоты испарения:

;

;

;

.

Далее определяем энтальпии жидкостей:

; ;

; .

Энтальпия выходящих из колонны паров:

.

=564,8 кДж/с;

=905,6 кДж/с;

=263,6 кДж/с;

= 192,3 кДж/с;

=88,7 кДж/с.

Полученные данные сведем в таблицу 2.

Таблица 2 — Тепловой баланс

Некоторое уменьшение расхода тепла на ректификацию за счет снижения потерь тепла в окружающую среду может быть достигнуто посредством хорошей тепловой изоляции колонны и кипятильника.

Расчет давления в емкости орошения

Предварительно выбираем вид хладагента (вода) для конденсации и охлаждения паров дистиллята и задается его начальная температура (). Конечная температура дистиллята после конденсатора-холодильника должна превышать на для обеспечения оптимальных температурных условий работы последнего. Таким образом: .

При давлении для его расчета используется уравнение состояния изотермы жидкой фазы в виде [2]:

(1.6)

где , — давления насыщенных паров НКК и ВКК при температуре _, .

Исходя из условия, что процесс протекает при давлении используется метод Питцера [2]:

где, , и рассчитываются по формулам:

где — приведенная температура; - температура, .

где, , и рассчитываются по формулам:

где — приведенная температура; - температура, .

Полученные данные подставим в уравнение (1.6):

.

Для обеспечения полной конденсации паров дистиллята в емкости орошения значение рекомендуется увеличить на по сравнению с рассчитанным .

Расчет температуры верха колонны

Предварительно определяется давление на верху колонны. Давление верха колонны больше давления в емкости орошения на величину гидравлических сопротивлений в трубопроводах и конденсаторе-холодильнике. Таким образом:

где .

Для расчетов температуры верха колонны используется уравнение состояния изотермы паровой фазы в виде:

(1.7)

Поиск температуры удовлетворяющей уравнению изотермы, осуществляется методом деления отрезка пополам в интервале .

Рассчитываем константы фазового распределения компонентов при значениях и :

(1.8)

(1.9)

где давления насыщенных паров компонентов и рассчитывают по методу Питцера.

.

где, , и рассчитываются по формулам:

;

.

где — приведенная температура; - температура, .

.

где, , и рассчитываются по формулам:

;

.

где — приведенная температура; - температура, .

Тогда константы фазового распределения компонентов по формулам (1.8) и (1.9) будут равны:

и .

Проверим правильность расчетов по уравнению состояния изотермы паровой фазы (1.7):

.

Т.к. условие выполняется, следовательно выбрана правильно.

Результаты расчета температур для низа и питания приведены в таблице 3.

Таблица 3 — Значения основных величин при расчете температур

Для низа колонны проверим правильность расчетов по уравнению состояния изотермы жидкой фазы:

.

Т.к. условие выполняется, следовательно выбрана правильно.

Для питания колонны из уравнения материального баланса процесса однократного испарения определяют концентрации НКК и ВКК в жидкой фазе остатка:

НКК,

ВКК: .

Контролируем правильность выбора температуры по условию:

.

Т.к. условие выполняется, выбрана правильно.

Состав равновесной паровой фазы сырья после его однократного испарения в питательной секции рассчитывается по уравнению равновесия паровой и жидкой фаз:

.

Расчет флегмового и парового числа

Флегмовое число показывает отношение количества жидкого орошения подаваемого на верхнюю тарелку колонны, к количеству паров дистиллята, т. е.

Предварительно определяется минимальное флегмовое число, соответствующее минимальной разделительной способности тарелок по формуле:

Рабочее флегмовое число, соответствующее оптимальной разделительной способности тарелок, рассчитывается по формуле:

Паровое число показывает отношение количества парового орошения, подаваемого под нижнюю тарелку колонны, к количеству жидкого остатка, то есть .

Рабочее паровое число рассчитывается в зависимости от из уравнения материального баланса питательной секции:

.

Расчет секции питания

В задачу расчета секции питания входит определение количеств и составов потоков, приходящих в секцию. Схема к расчету на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 — Питательная секция ректификационной колонны: 1 — нижняя тарелка концентрационной секции; 2 — корпус колонны; 3 — тарелка питания (верхняя тарелка отгонной секции) где, , — расходы паров сырья, с тарелки питания, в концентрационную секцию,; , , — мольные концентрации НКК в соответствующих паровых потоках, ;, , — расходы жидкости сырья, из концентрационной секции, на тарелку питания,; , , — мольные концентрации НКК в соответствующих жидких потоках, .

Количество сырьевых потоков определяется по формулам [26]:

.

.

Количество остальных потоков находятся из системы уравнений материальных балансов для питательной тарелки, концентрационной и отгонной секций. Для замыкания системы уравнений используется допущение о постоянстве флегмы по высоте концентрационной секции, т. е.

.

Тогда

.

.

.

Составы остальных потоков питательной секции рассчитываются из системы уравнений материальных балансов по НКК, аналогичной вышеупомянутой. Для замыкания системы уравнений используем дополнительное условие:

С учетом этого расчеты составов производятся методом постепенного приближения по приводимым ниже формулам:

;

;

;

.

Контроль правильности расчета проводится по условию:, т.к. условие выполняется следовательно выбран правильно.

Правильность расчетов материального баланса секции питания контролируют по уравнению:

;

.

Расчет числа теоретических тарелок

Минимальное число теоретических тарелок, соответствующего режиму «полного» орошения колонны, определяется по методу Фенске-Андервуда. Предварительно рассчитываются средние коэффициенты относительной летучести для колонны и концентрационной секции (как среднее геометрическое):

(1.10)

(1.11)

где, , — коэффициенты относительной летучести, определяемые при температурах верха, питательной секции, и низа колонны по формуле:

;

;; .

; .

Минимальное число тарелок в колонне равно

.

Минимальное число тарелок в концентрационной секции равно:

.

Число теоретических тарелок, соответствующее рабочим флегмовому и паровому числам, рассчитываются по формулам:

· Для всей колонны:

· Для концентрационной секции:

· Для отгонной секции:

Уточняем давление в секции питания:

.

Расчет диаметра колонны

Диаметр колонны рассчитывается в трех характерных сечениях:

· над верхней тарелкой — сечение 1;

· под нижней тарелкой — сечение 2;

· в питательной секции — сечение 3.

Используемые в расчетах данные о расходах паровых и жидких потоков, их составах и параметрах состояния перечислены в таблице 4.

Таблица 4 — Исходные данные для расчета диаметра колонны

Для сечения № 1:

Используемые при определение диаметра колонны расходы жидкости и пара в расчетном сечении определяется по формулам:

.

.

где , — расход жидкости и пара в сечении,; - мольная масса жидкого или парового потока равная:

.

Псевдокритические температура и давление, фактор ацентричности, критерий Филиппова рассчитываются по формулам:

где, , — критические температура и давление и фактор ацентричности НКК и ВКК соответственно.

Псевдокритическая плотность определяется по формуле:

где — мольная масса потока; , — мольные массы НКК и ВКК; , — критические плотности НКК и ВКК, .

Плотность на линии насыщения рассчитываются по формуле:

.

где .

Для расчета плотности насыщенной жидкости. Далее рассчитывается коэффициент сжимаемости:

.

где — мольная масса потока; - давление,; - универсальная постоянная; - температура,; - плотность жидкости, .

Так как, что больше значения, то плотность пара вычисляется по формулам:

.

Тогда объемный расход паров в сечении:

Для выбора метода расчета диаметра колонны оценивается жидкостная нагрузка на сливное устройство по формуле:

где — относительная длина сливной перегородки; - диаметр колонны принимается равный 1.

Так как, то диаметр колонны рассчитывается по формуле:

.

.

где , — расходы жидкости и пара в расчетном сечении,; - объемный расход паров; - допустимая скорость паров; С — коэффициент, учитывающий признак ректификации, вычисляется по следующей формуле:

где , — расстояние между тарелками.

Результаты расчета остальных двух сечений приведены в таблице 5.

Таблица 5 — Результаты расчета диаметров колонны

Для сечения № 2:

Так как, то диаметр колонны рассчитывается по формуле:

.

. (1.12)

Принимаем колонну постоянного сечения по высоте и диаметром из стандартного ряда [3]: .

Расчет действительного числа тарелок

В данном разделе представлен расчет действительного числа тарелок. Все исходные данные сведены в таблицу 6.

Таблица 6 — Исходные данные к расчету КПД тарелок

Для концентрационной секции:

— верхняя тарелка:

Скорость паров рассчитывается по формуле:

где — объемный расход на соответствующей тарелке,; - принятый диаметр колонны.

Предварительно вычисляется комплекс:

КПД тарелок рассчитывается по формуле:

Результаты расчета остальных тарелок приведены в таблице 7.

Таблица 7

Общее число действительных тарелок:

.

Гидравлический расчет тарелок

Гидравлический расчет тарелок проводится с целью определения перепада давления на пути движения паров, величина уноса жидкости, проверки правильности выбора типа тарелок и расстояния между ними. Расчету подвергаются верхняя и нижняя тарелки концентрационной и отгонной секции. Среднее значение сопротивления тарелок для каждой из секции находится как среднее арифметическое сопротивление ее верхней и нижней тарелок.

Исходные данные к гидравлическому расчету тарелок приведены в таблице 8.

Таблица 8 — Исходные данные к гидравлическому расчету

Пренебрегая вкладом от сил поверхностного натяжения, общее гидравлическое сопротивление тарелки рассчитываются по формуле:

(1.13)

где , — сопротивление сухой тарелки и сопротивление слоя жидкости на тарелки соответственно, .

Концентрационная секция:

— верхняя тарелка:

Сопротивление сухой тарелки определяется по формуле:

где — коэффициент сопротивления сухой тарелки, для клапанной тарелки равный; - плотность паров,; - скорость паров в отверстиях и щелях,, которая рассчитывается по формуле [26]:

.

Рисунок 1.5 — Схемы к гидравлическому расчету тарелок Сопротивление слоя жидкости на тарелки определяется по формуле:

где — плотность жидкости, определяемая ранее,; - ускорение свободного падения; - глубина барботажа пара в слое жидкости на тарелке,, которая рассчитывается по формуле:

.

— перепад уровня жидкости на тарелки по пути ее движения,, определяется по формуле:

где — эквивалентный коэффициент сопротивления перетоку жидкости на тарелке равной; - длина пути жидкости на тарелке,,; - длина периметра слива сливного устройства, .

.

— объемный расход жидкости на тарелке, ;

.

— высота сливного порога, .

.

— высота подпора жидкости над сливным порогом рассчитывается по формуле:

.

где — действительный расход жидкости, протекающий через переливное устройство, рассчитывается по формуле:

где — массовый расход пара через тарелку,; - величина относительного уноса жидкости парами с тарелки; - в .

Величина рассчитывается по формуле:

Тогда общее гидравлическое сопротивление тарелки определяется по формуле (1.13):

.

Величина сепарации капель в межтарельчатом отделении подсчитывается по формуле:

.

Величина не должна быть менее. Так как-то условие выполняется.

Результаты расчета остальных тарелок приведены в таблице 9.

Таблица 9 — Значения основных величин гидравлического расчета

Среднее гидравлическое сопротивление концентрационной секции равно:

.

Среднее гидравлическое сопротивление отгонной секции равно:

.

Оптимизация расчетов

Расчет гидравлического сопротивления тарелок позволяет уточнить режимные параметры в колонне.

Общее гидравлическое сопротивление тарелок в концентрационной и отгонной секциях подсчитывается по формулам:

.

.

Суммарное сопротивление тарелок равно:

.

Фактическое давление в секции питания и внизу колонны равны:

.

.

Расчет диаметров основных штуцеров

Диаметры штуцеров определяются в зависимости от количества жидкости проходящего через сечение штуцера в единицу времени. Таким образом определим:

; .

; .

; .

; .

; .

Рассчитанные диаметры штуцеров округляем до ближайших стандартных значений. Таким образом получим:

;; ;; .

Расчет высоты колонны

Схема к расчету высоты колонны приведена на рисунке 1.6. В соответствии с рисунком полная высота колонны вычисляется по формуле [26]:

Рисунок 1.6 — Схема к расчету высоты колонны

(1.14)

где — высота опорной части, принимается равной; - высота кубовой части рассчитывается по формуле:

.

— высота от уровня жидкости в кубе до нижней тарелки равная; - высота занимаемая тарелками отгонной секции.

.

— высота секции питания, принимается равной; - высота, занимаемая тарелками концентрационной секции.

.

— высота от верхней тарелки, до верхнего днища, принимаемая равной; - высота верхнего днища.

.

Так как в результате расчета получено, то принимаем, то есть .

.

1.6 Выбор и обоснование материалов конструкции

Выбор конструкционного материала производится исходя из необходимой химической стойкости, требований прочности при заданных рабочих условиях (давлении и температуры).

Для изготовления обечайки выбрана сталь

Необходимые механические свойства стали находим в справочнике [3]:

Допускаемое напряжение при 20 єС

Предел текучести

Предел прочности

Модуль упругости

Коэффициент линейного расширения

Коэффициент запаса прочности по пределу прочности

Коэффициент запаса прочности по пределу текучести

Поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки, для листового проката .

Рабочее давление в аппарате, внутренний диаметр аппарата, высота обечайки, коррозионная проницаемость, амортизационный срок службы аппарата принимаем лет, температура стенок аппарата, коэффициент прочности сварных швов .

Определение расчетное давление и давление при испытаниях. Так как рабочее давление в аппарате равно, то проведем расчет обечайки при гидравлических испытаниях под налив. При этих условиях давление определим по формуле для аппаратов, содержащих жидкость, если :

.

где — гидростатическое давление среды, .

Гидростатическое давление определяется по формуле:

.

где — плотность среды,; - ускорение свободного падения,; - высота жидкости в аппарате,. Тогда гидростатическое давление будет равно:

По условию данное условие выполняется.

Максимальное избыточное давление , создаваемое при гидравлических или пневматических испытаниях [2]:

Для всех сосудов, кроме литых, при .

.

Допускаемое напряжения при гидравлических испытаниях:

.

где — предел текучести стали при температуре:; коэффициент запаса в случае гидравлических испытаний; значения поправочного коэффициента принимается в зависимости от вида заготовки: — листовой прокат.

Прибавка к расчетным толщинам конструктивных элементов — определяется по формуле:

(1.16)

где - прибавка для компенсации коррозии и эрозии; - прибавка для компенсации минусового допуска; - технологическая прибавка. Прибавка для компенсации коррозии и эрозии:

.

где - прибавка для компенсации эрозии, учитываемая при движении со скоростями ~ для жидких сред; П — скорость коррозии (проницаемость среды в материал), обычно для химического оборудования; -срок службы аппарата, составляющий для химического оборудования 10−15 лет.

Прибавка предусматривает компенсацию утолщения стенки элемента аппарата при технологических операциях (вытяжке, штамповке и т. д.). Тогда прибавка к расчетной толщине будет рассчитана по формуле (1.16):

.

Исполнительная толщина стенки элементов аппаратов находится добавлением к расчетной толщине прибавки и прибавки на округление толщины до стандартного значения [3].

2. Расчёты на прочность

2.1 Расчет на прочность цилиндрической обечайки

Расчетная толщина стенки цилиндрической обечайки определяется по формулам:

(2.1)

.

Расчетная толщина стенки цилиндрической обечайки при гидравлических испытаниях определяется по формуле:

.

Исполнительная толщина цилиндрической обечайки:

.

Исполнительная толщина цилиндрической обечайки при испытаниях:

.

Формула (2.1) применима при следующих условиях: для труб и обечаек из сталей с должно соблюдаться условие данное условие выполняется, следовательно принимаем толщину цилиндрической обечайки равной 7 .

Допускаемое давление:

— в рабочем состоянии:

.

— при гидравлических испытаниях:

.

2.2 Определение толщины стенки крышки и днища

В колонне установлены эллиптические крышка и днище. Необходимая расчетная толщина стенки рассчитывается на прочность и устойчивость по.

Рисунок 2.1 — Эллиптическое днище Определим радиус кривизны в вершине днища по формуле:

где — высота днища.

Расчётная толщина стенки с учётом прибавок по формуле:

(2.2)

.

Расчетная толщина стенки эллиптического днища при гидравлических испытаниях определяется по формуле:

.

Исполнительная толщина эллиптического днища:

.

Исполнительная толщина эллиптического днища при испытаниях:

.

Формула (2.2) применима при следующих условиях:

данное условие выполняется, следовательно принимаем толщину цилиндрической обечайки равной 7 [3].

Допускаемое давление:

— в рабочем состоянии:

.

— при гидравлических испытаниях:

.

2.3 Расчет аппарата на ветровую нагрузку

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 фундаментных болтов, которыми крепится опора к фундаменту.

Вес аппарата в рабочем состоянии [3]:

Минимальный вес аппарата равен:

.

.

где - толщина стенки обечайки, м; - диаметр колонны, м; - высота колонны, м.; - плотность материала стали [3], .

Аналогичным способом определим максимальный вес аппарата, т. е. при гидроиспытаниях по формуле:

Расчет производится исходя из следующих положений ОН 26−01−13−85/Н 1039−85. При отношении высоты аппарата к его диаметру Н/D 15 принимается в виде консольного стержня с жесткой заделкой в фундаменте. При отношении Н/D < 15 — в виде упруго защемленного стержня.

Проверим выполнение данного условия:

Так как данное условие выполняется произведем расчет колонны на ветровую нагрузку в виде упруго защемленного стержня стержня.

Рисунок 2.2 — Схема расчета колонны на ветровую нагрузку Момент инерции поперечных сечений корпуса [3]:

.

Период собственных колебаний аппарата определяем по формуле:

(2.3)

ректификационный колонна обечайка фланец

где Н — высота аппарата, м; J - момент инерции площади поперечного сечения верхней части корпуса аппарата относительно центральной оси, — модуль упругости материала корпуса, — угол поворота опорного кольца.

(2.4)

где — коэффициент неравномерного сжатия грунта, при отсутствии данных для грунтов средней плотности принимается; - момент инерции подошвы фундамента относительно центральной оси, .

(2.5)

(2.6)

.

где , — диаметры колонны соответственно внутренний и наружный.

; .

.

.

.

Тогда по формуле (2.4) период собственных колебаний аппарата для максимальной силы тяжести аппарата:

.

для минимальной силы тяжести аппарата:

.

Для 2-го географического пояса России нормативный скоростной напор равен: .

Поправочный коэффициент к нормативному скоростному напору для участков аппарата высотой определяем по графику.

Расчетный скоростной напор по участкам:

=>; => .

=>,

Коэффициент динамичности определяем по графику [3]:

для —; для ;

Коэффициент пульсации скоростного напора определяем по графику на [3]: для всех участков .

Коэффициент увеличения скоростного напора определяем по формуле:

(2.7)

При максимальной силе тяжести аппарата:

.

При минимальной силе тяжести аппарата:

.

Силу от ветровой нагрузки, действующую на каждый из участков аппарата, определяем по формуле:

(2.8)

где - высота i - го участка аппарата в м.

При максимальной силе тяжести аппарата:

; ;

.

При минимальной силе тяжести аппарата:

; ;

.

Изгибающий момент от действия ветровой нагрузки на аппарат, относительно его основания (без учета площадок), определяется по формуле:

(2.9)

При максимальной силе тяжести аппарата:

;

; ;

.

При минимальной силе тяжести аппарата:

;

; ;

.

Изгибающий момент от ветровой нагрузки на площадки, относительно основания аппарата, определяем по формуле:

(2.10)

где — ветровая площадь i — той площадки.

Ветровая площадь (с учетом заполнения): верхней площадки — ; каждой из нижних площадок — [3].

При максимальной силе тяжести аппарата:

; ;

.

.

При минимальной силе тяжести аппарата:

; ;

.

.

Общий изгибающий момент от ветровой нагрузки:

(2.11)

При максимальной силе тяжести аппарата:

.

При минимальной силе тяжести аппарата:

.

2.4 Расчет опоры аппарата

Принимаем толщину цилиндрической стенки опоры мм. Напряжения сжатия в этой стенке с учетом наличия в ней отверстия для лаза м. при максимальной нагрузке от силы тяжести аппарата определяем по формуле [3]:

Напряжения на изгиб в той же стенке при тех же условиях определяем по формуле:

.

Отношение:

Для данного отношения определяем коэффициенты и по графикам [3]:; .

Коэффициент определяем по формуле:

.

Коэффициент определяем по формуле:

.

Допускаемые напряжения на сжатие в обечайке опоры определяем по формуле:

МПа.

Допускаемые напряжения на изгиб в обечайке опоры определяем по формуле:

МПа.

Условие устойчивости цилиндрической опоры проверяем по формуле:

т. е. устойчивость обеспечена.

Максимальные напряжения на сжатие в сварном шве, соединяющем цилиндрическую опору с корпусом аппарата, при коэффициенте сварного шва определяем по формуле:

(2.12)

МПа

Условие прочности сварного шва, тогда данное условие выполняется, т. е прочность сварного шва обеспечена.

Внутренний диаметр опорного кольца определим по формуле:

м

Наружный диаметр опорного кольца:

м

Определим опорную площадь кольца:

м²

Момент сопротивления опорной площадки кольца равен:

.

Максимальное напряжение сжатия на опорной поверхности кольца определяем по формуле:

(2.13)

где — допускаемая удельная нагрузка на опорной поверхности.

.

Номинальная расчетная толщина опорного кольца определяется по формуле:

м.

где l — расстояние от выступающей части кольца до наружного диаметра цилиндрической опоры.

С учетом прибавки на коррозию принимаем толщину опорного кольца равной мм.

Наименьшие напряжения на опорной поверхности кольца:

при максимальной силе тяжести:

.

при минимальной силе тяжести:

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

Общую условную расчетную нагрузку на фундаментные болты определяем по формуле [3]:

МН.

Принимаем количество фундаментных болтов z = 12.

Нагрузку на один болт определяем по формуле:

МН.

Расчетный внутренний диаметр резьбы болтов определяем по формуле [3]:

м.

где мм — прибавка на коррозию. МПа — допускаемое напряжение для болтов из Вст3. Принимаем болты диаметром М22.

Диаметр болтовой окружности определяем по формуле:

.

В результате проверки корпуса аппарата на ветровую нагрузку выбираем цилиндрическую опору. Независимо от расчета толщина листа подошвы должно быть не менее 18 мм. По рекомендациям ГОСТа обвязку следует производить из стандартных профилей типа швеллер или двутавр номеров 20 и выше. Окончательный диаметр болтов принимается ближайшим большим по стандартным размерам болтов, но менее М22. Исходя, из конструкции колонны выбираем 12 фундаментных болтов М22.

2.4 Укрепление отверстий

Корпус аппарата снабжается необходимым количеством штуцеров диаметром до 200 мм и более для подключения его к технологическим линиям, лазами люками диаметром 250−700 мм для осмотра и ремонта аппарата, смотровыми окнами для наблюдения за процессом и т. д. Компенсация ослабления может производиться двумя способами: 1) увеличением толщины стенки всей оболочки исходя из максимальных напряжений у края отверстия и 2) укреплением края отверстия. Первый способ применяется очень редко и не может быть признан рациональным, так как область повышенных напряжений незначительна и ограничивается определенным диаметром. На рисунке 2.3 представлено несколько вариантов укрепления отверстий по второму способу.

Рисунок 2.3 — Конструкция укрепления отверстий торообразной вставкой Рассчитаем укрепление отверстия штуцера торообразной вставкой. Расчетная длина образующей оболочки в зоне укрепления:

(2.14)

Определим наибольший диаметр одиночных отверстий, не требующих дополнительного укрепления, и минимальное расстояние между наружными поверхностями штуцеров, когда их можно считать одиночными. Минимальное расстояние между отверстиями, когда их еще можно считать одиночными:

(2.15)

где — расчетный диаметр для цилиндрической обечайки.

.

Рассчитаем для цилиндрического днища, работающего под внутренним давлением, укрепление нормального одиночного отверстия без использования накладного кольца.

Расчетная длина внешней части штуцера, участвующей в укреплении отверстия:

;(2.16)

.

где — фактическая длина внешней части штуцера.

Расчетный диаметр круглого отверстия штуцера:

.

Расчетный диаметр отверстия, не требующего укрепления, при отсутствии избыточной толщины стенки обечайки:

Так как внутренний диаметр штуцера > (500 мм > 280 мм), то отверстие необходимо укреплять. Проверим, выполняется условие укрепления отверстия или нет:

>.

Так как условие выполняется укрепление выбрано правильно.

2.5 Расчет и подбор фланца

Выберем фланец, расположенный на выходе пропана, так как температура здесь достаточно высока то соответственно достаточно большие напряжения металла. Фланец имеет следующие параметры: внутренний диаметр; толщина стенки; прибавка; расчетное давление; рабочая температура; осевая сила; изгибающий момент; коэффициент прочности сварных швов .

Необходимо определить основные конструктивные размеры фланцевого соединения аппарата, нагруженного внутренним давлением, выбрав тип фланца и форму уплотнительных поверхностей. Выполнить проверку на прочность и герметичность.

В соответствии с исходными данными выбираем тип фланцевого соединения, тип уплотнительной поверхности, а также конструкцию и материал прокладки.

В нашем случае получаем тип фланца: плоский приварной; тип уплотнительной поверхности: гладкая; конструкция прокладки: плоская неметаллическая; материал прокладки: асбестовый картон.

Расчетные температуры фланцев и болтов принимаются по табличным данным в зависимости от расчетной температуры стенки обечайки t и наличия изоляции фланца от окружающей среды. Так как наш фланец не изолирован, то определяем следующие расчетные температуры:

; .

Допускаемое напряжение для материала болтов рассчитывается по следующей формуле .

Находим значения и по табличным данным. Соответственно. Выбираем материал болта: углеродистая сталь. Расчетное значение предела прочности также выбираем из справочных данных. Получаем. Так как, то .

Вычисляем:

.

Выбираем толщину втулки фланца в зависимости от конструкции. У нас конструкция плоская приварная. Соответственно: , где — исполнительная толщина стенки обечайки аппарата.

Принимаем .Для плоского приварного фланца принимаем большую толщину втулки фланца. Рассчитываем высоту втулки фланца по заданной формуле:

(2.17)

.

Диаметр болтовой окружности для плоского приварного фланца рассчитываем с помощью следующей формулы:

(2.18)

где u — нормативный зазор между гайкой и втулкой (); - наружный диаметр болта, выбираемый по табличным данным. В нашем случае примем и определим .

Получаем:

.

Наружный диаметр для фланцев всех типов рассчитывается по формуле:

(2.19)

где а — конструктивный размер, необходимый для размещения гаек болтов по диаметру фланца. Гайку выберем шестигранную:

.

Для плоского приварного фланца определяем диаметр прокладки по формуле:

.

где е — нормативный параметр, зависящий от типа прокладки и принимаемый по табл. Находим наружный диаметр прокладки:

Средний диаметр прокладки:

.

где — ширина уплотнительной прокладки, находящаяся по формуле. Принимаем.

Определим количество болтов необходимых для крепления фланца:

(2.20)

где — рекомендуемый шаг размещения болтов, выбираемый в зависимости от давления.

.

Далее находим