Расчет массообменного аппарата (непрерывная ректификационная установка)

Тепло конденсации отводим водой с начальной температурой — 20 ºС.

Физико-химические свойства воды при средней температуре ºСследующие:

(Дж/(кгxК));

(Втxм/К);

(кг/м3);

(Паxс);

;

Тепловая нагрузка аппарата: (Вт).

Расход воды: (кг/с).

Средняя разность температур: ºС.

Принимаем, что (Вт/м2xК) Определяем ориентировочное значение поверхности: (м2).

Наиболее близкую к ориентировочной поврхность теплопередачи имеет нормализованный аппарат с доиной труб по ГОСТ 15 121–79 (м), (м2), (м2).

Определяем гидравлическое сопротивление ():

(Па) Штуцер для подачи пара: (мм) Штуцер для отвода конденсата: (мм) Штуцер для охлаждения воды: (мм) Штуцер для соединения с атмосферой: (мм) По ГОСТ 1255–67 по диаметрам составных частей аппарата выбираем фланцы (исполнение 1):

Таблица 2

150 260 225 202 161 13 18 М16 3 8 400 535 495 465 426 18 23 М20 5 16 20 90 65 50 26 10 12 М10 1 4

Теперь произведем расчет толщины стенки дефлегматора:

(м), (МПа), (м) Коэффициент ослабления днища

(мм)

6 Расчет и выбор штуцеров

1) Расчет штуцера для подачи исходной смеси

(м/с)

ºС

(кг/м3)

(кг/м3)

(кг/м3)

(мм) По ОСТ 26−1401−76 выбираем:

(мм)

(мм)

(мм)

(мм)

(МПа) Штуцер 50−1-155-ВСт3сп4−10.

2) Расчет штуцера для подачи флегмы

(м/с)

ºС

(МПа)

(кг/м3)

(кг/м3)

(кг/м3)

(мм) По ОСТ 26−1401−76 выбираем:

(мм)

(мм)

(мм)

(мм)

(МПа) Штуцер 25−1-155-ВСт3сп4−10.

3) Расчет штуцера для подачи пара

(м/с)

(МПа)

(кг/м3)

(мм) По ОСТ 26−1401−76 выбираем:

(мм)

(мм)

(мм)

(мм)

(МПа) Штуцер 300−1-190-ВСт3сп4−10.

4) Расчет штуцера для отвода пара

(м/с)

(МПа)

(кг/м3)

(мм) По ОСТ 26−1401−76 выбираем:

(мм)

(мм)

(мм)

(мм)

(МПа) Штуцер 200−1-160-ВСт3сп4−10.

5) Расчет штуцера для отвода кубового остатка

(м/с)

(МПа)

ºС

(кг/м3)

(кг/м3)

(кг/м3)

(мм) По ОСТ 26−1401−76 выбираем:

(мм)

(мм)

(мм)

(мм)

(МПа) Штуцер 20−1-155-ВСт3сп4−10.

7 Выбор фланцев

По ГОСТ 1255–67 по диаметрам составных частей аппарата выбираем фланцы (исполнение 1)

Таблица 3

50 140 110 90 59 10 14 М12 2 4 25 100 75 60 33 10 12 М10 2 4 300 435 395 365 325 18 23 М20 4 12 200 315 280 258 222 15 18 М16 3 8 20 90 65 50 26 10 12 М10 2 4

8 Механический расчет

8.1 Расчет колонны и элементов опоры из условий прочности и устойчивости

8.

1.1 Расчет обечайки, работающей под внутренним давлением

Определяем расчетное давление в нижней части обечайки с учетом гидростатического давления столба жидкости:

(м) Принимаем, что (МПа) Номинальное допускаемое напряжение для Ст. 3 (МН/м2)

(МН/м2)

Номинальная расчетная толщина обечайки: (мм)

(мм) Рассчитываем толщину стенки обечайки из условия устойчивости:

(мм)

(мм).

Принимаем, что (мм) Определяем допустимое давление в обечайке

(МН/м2)

8.

1.2 Расчет эллиптического днища, работающего под внутренним давлением

Определяем коэффициент ослабления днища отверстиями

Определяем номинальную расчетную толщину стенки днища

(мм) Определяем общую прибавку к номинальной расчетной толщине стенки

(мм) Определяем толщину стенки днища с учетом прибавок

(мм) Принимаем, что (мм) Определяем допустимое давление в днище:

(МН/м2)

Выбираем стандартное днище: Днище 1600×10−40-Ст.3 ГОСТ 6533–68.

8.

1.3 Расчет допускаемой внешней нагрузки

8.

1.3. 1 Расчет обечайки, нагруженной внешней осевой сжимающей силой

(МН/м2)

Определяем номинальную толщину стенки обечайки из условия прочности:

(мм) С учетом прибавок принимаем толщину стенки (мм) Определяем допустимое наружное давление ля аппарата при действии внешней осевой сжимающей силы из условий прочности и устойчивости:

(МН)

8.

1.3. 2 Расчет обечайки, работающей под действием изгибающего момента

Толщину стенки определяем из условий прочности и местной устойчивости в сжатой зоне.

Определяем допустимое напряжение на изгиб в обечайке

(МН/м2)

Определяем номинальную толщину стенки обечайки из условия прочности

(мм)

(МН/м2)

(МН/м2)

Определяем допустимый критический момент тз условий прочности и устойчивости:

(МН/м2)

8.2 Расчет аппарата на ветровую нагрузку

8.

2.1 Определение периода собственных колебаний

Определяем вес аппарата:

(м)

(м3)

(кг) Минимальный вес аппарата: (кг) Максимальный вес аппарата: (кг) Определяем полную высоту колонны:

(м)

(с)

(с)

8.

2.2 Определяем нормативный скоростной напор ветра

Условно разбиваем аппарат на три участка. Силу тяжести каждого участка принимаем сосредоточенной в середине соответствующего участка. Ветровую нагрузку равномерно распределяемую по высоте аппарата, заменим сосредоточенными силами, приложенными в тех же местах, что и сила тяжести участков.

(м); (м)

(м); (м)

(м); (м)

(м).

С учетом изоляции (м) Нормативный скоростной напор ветра (МН/м2)

Также учитываем динамическое воздействие на аппарат возможных порывов ветра, колебания аппарата и явле6ние резонанса, возникающее в том случае, когда при определенных скоростях ветра частота порывов совпадает с частотой собственных колебаний аппарата.

Определяем коэффициент скорости напора

;

;

8.

2.3 Определение силы от ветровой нагрузки, действующей на каждом участке аппарата

Определяем силу от ветровой нагрузки:

При максимальной силе тяжести аппарата получим:

(МН)

(МН)

(МН) При минимальной силе тяжести аппарата получаем:

(МН)

(МН)

(МН).

8.

2.4 Определение изгибающего момента от ветровой нагрузки на аппарат

Определяем изгибающий момент от ветровой нагрузки на аппарат, относительно его основания:

При максимальной силе тяжести аппарата:

(МНxм)

(МНxм)

(МНxм)

(МНxм) При минимальной силе тяжести аппарата:

(МНxм)

(МНxм)

(МНxм)

(МНxм).

Определяем изгибающий момент от ветровой нагрузки на площадки, относительно основания аппарата:

При максимальной силе тяжести аппарата:

(МНxм)

(МНxм)

(МНxм)

(МНxм) При минимальной силе тяжести аппарата:

(МНxм)

(МНxм)

(МНxм)

(МНxм)

Определяем общий изгибающий момент от ветровой нагрузки:

При максимальной силе тяжести аппарата (МНxм) При минимальной силе тяжести аппарата (МНxм)

(мНxм) (мН)

(мНxм) (мН).

9 Расчет элементов опоры

Выбираем опору типа 1. Из конструктивных соображений толщину стенки цилиндра опоры выбираем равной 8 (мм). Отверстие для лаза диаметром 0,5 (м).

Определяем напряжение сжатия в стенки опоры, с учетом наличия отверстия для лаза при максимальной нагрузке от силы тяжести аппарата:

(МН/м2)

Определяем напряжение на изгиб в той же стенке при тех же условиях:

(МН/м2)

Определяем допускаемое напряжение на сжатие в обечайке опоры:

(МН/м2)

Определяем допускаемое напряжение на изгиб в обечайке опоры:

(МН/м2)

Проверяем условие устойчивости цилиндрической обечайки:

устойчивость обеспечена.

Определяем максимальные напряжения на сжатие в сварном шве, соединяющем цилиндрическую опору с корпусом аппарата, при коэффициенте сварного шва

(МН/м2)

Определяем внутренний диаметр опорного кольца:

(м) Определяем наружный диаметр опорного кольца:

(м) Определяем опорную площадь кольца:

(м2)

Определяем момент сопротивления опорной площадки кольца:

(м3)

Определяем максимальное напряжение сжатия на опорной поверхности кольца:

(МН/м2)(МН/м2)

Определяем номинальную расчетную толщину опорного кольца при (м):

(мм) С учетом прибавки на коррозию принимаем, округляя размер, (мм) Определяем наименьшее напряжение на опорной поверхности кольца:

При максимальной силе тяжести аппарат

(МН/м2)

При минимальной силе тяжести аппарата

(МН/м2)

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

Определяем общую условную расчетную нагрузку на фундаментные болты:

(МН) Принимаем количество фундаментных болтов штук.

Определяем нагрузку на один болт (МН) Определяем расчетный внутренний диаметр резьбы болтов:

(мм) По ГОСТ 9150–59 принимаем (мм) Принимаем болты фундаментные М30 ГОСТ 24 379.

1−80.

Определяем диаметр болтовой окружности:

(м) Принимаем (мм) Принимаем люк 1−1-500-Х8−10−3-1 ОСТ 26−2005;77 (таблица 5).

Таблица 5

500 1 640 8 26 300

Выводы

Как известно, ректификация — это массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаях в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными используемым в процессах абсорбции. Поэтому методы подхода к расчету и проектированию ректификационных и абсорбционных установок имеют много общего. Тем не менее ряд особенностей процесса ректификации (различное соотношение нагрузок по жидкости и пару в нижней и верхний частях колонны, переменный по высоте коэффициент распределения, совместное протекание процессов массои теплопереноса) осложняет его расчет.

Одна из сложностей, с которой встречаются проектировщики, заключается в том, что в литературе отсутствуют обобщенные закономерности для расчета кинетических коэффициентов процесса ректификации. В наибольшей степени это относится к колоннам диаметром более 800 (мм), с насадками и тарелками, широко применяемыми в химических производствах. Большинство рекомендаций сводится к использованию для расчетов ректификационных колонн кинетических зависимостей, полученных при исследовании абсорбционных процессов.

Большое разнообразие тарельчатых контактных устройств затрудняет выбор оптимальной конструкции тарелки. При этом наряду с общими требованиями (такими как высокая интенсивность единицы объема аппарата, его стоимость и др.) ряд требований может определятся спецификой производства: большим интервалом устойчивой работы при изменении нагрузок по фазам, способностью тарелок работать в среде загрязненных жидкостей, возможностью защиты от коррозии и т. п. Зачастую эти качества становятся превалирующими, определяющим пригодность той или иной конструкции для использования в каждом конкретном процессе.

Размеры тарельчатой колонны (диаметр и высота) определяются нагрузками по пару и жидкости, типом контактного устройства (тарелки), физическими свойствами взаимодействующих фаз.

Целью проектного расчета ректификационной колонны для разделения смеси этиловый спирт-вода являлось определение диаметра колонны, числа контактных устройств в укрепляющей и исчерпывающей частях колонны, гидравлического сопротивления тарелки и колонны в целом, при заданных составах исходной смеси, дистиллята и кубового остатка, расходе исходной смеси и давлении в колонне.

Проведенные расчеты позволили установить:

диаметр колонны ;

число контактных устройств — колпачковых тарелок — в укрепляющей части колонны — 4 (шт.);

число контактных устройств — колпачковых тарелок — исчерпывающей части колонны — 6 (шт.);

высота колонны .

При данных параметра разделение смеси этиловый спирт-вода в спроектированной ректификационной установке будет происходить наиболее оптимально, и заданная производительности по исходной смеси будет достигнута.

Список литературы

Александров И. А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. — М.: Химия, 1978.

Артамонов Д.С., Орлов В. Н. Расчет тарельчатой ректификационной колонны: Методические указания. — М.: МИХТ, 1981.

Дытнерский Ю. И. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. — М.: Химия, 1991.

Коган В.Б., Фридман В. М., Кафаров В. В. рановесие между жидкостью и паром. — М.: Наук, 1966.

Лащинский А. А. Конструирование сварных химических аппаратов: Справочник. — Л.: Машиностроение, 1981.

Лащинский А.А., Толчинский А. Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. — Л.: Машиностроение, 1970.

Павлов К.Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. — Л.: Химия, 1987.

Плановский А.Н., Рамм В. М., Каган С. З. Процессы и аппараты химической технологии. — М.: Химия, 1968.

Рудов Г. Я., Д. А. Баранов Д.А. Расчет тарельчато ректификационной колонны: Методические указания. — М.: МГУИЭ, 1998.

Стабников В. Н. Расчет и конструирование контактных устройств ректификационных и абсорбционных аппаратов. — Киев: Техника, 1970.

Тютюнников А.Б., Товажнянский Л. Л., Готлинская А. П. Основы расчета и конструирования массообменных колонн. — Киев: Высшая школа, 1989.

ГОСТ 9617–76. Сосуды и аппараты. Ряды диаметров. — М.: Издательство стандартов, 1977.

Каталог: Емкостная стальная сварная аппаратура. — М.: «ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ», 1969.

Каталог: Кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего и специального назначения. — М.: «ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ», 1991.

Краткий справочник физико-химических величин. — М.: Химия, 1967.

Краткий справочник химика. / под ред. Некрасова Б. В. — М., 1956.

Плановский А.Н., Рамм В. М., Каган С. З. Процессы и аппараты химической технологии. — М.: Химия, 1968, 848 с.