Расчет ректификационной колонны

Допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости определяют по уравнению:

,                                               (4.8)

где В₁ – меньшее из двух, вычисленных по формулам:

В₁=1; В₁= ,                                                                      (4.9) 

n_y – запас устойчивости, равный 2,4.

Допускаемый момент находят  по выражению:

                                                                              (4.10)

Допускаемый изгибающий момент из условия прочности:

[М]_σ= 0,25 ∙ π ∙ D ∙ [σ] ∙ (S – C) ∙ (D + S – C)                                          (4.11)

Допускаемый изгибающий момент из условия устойчивости:

                                          (4.12)

Определим изгибающий момент.

Вес слоя насадки равен: G=9,8 ∙ V_н ∙ ρ= (3 ∙ 9 ∙ 3,14 ∙ 0,6²) ∙ 540=161514 Н.

Учитывая вес обечаек (при S=16 мм это около 80 кН), днища, крышки, распределительных тарелок, фланцев и т. д., округлим до 0,3 МН. Тогда

M=G ∙ H_к ∙ 0,215 = 0,3 ∙ 34 ∙ 0,215=2,193 МН ∙ м.

Расчёты сведём в таблицу:

Таблица 4.1. Влияние внешнего давления и момента на устойчивость

S, м	[M]σ	[M]E	[M]	M/[M]	В1	[p]E	[p]σ	[p]	Pн/[pн]	Pн/[pн]+ M/[M]
0,007	0,908	1,437	0,768	2,857	0,446	0,013	1,328	0,013	1,502	4,359
0,008	1,091	2,266	0,983	2,232	0,407	0,023	1,592	0,023	0,869	3,101
0,009	1,273	3,332	1,190	1,844	0,377	0,037	1,856	0,037	0,548	2,391
0,010	1,457	4,652	1,390	1,578	0,352	0,055	2,119	0,055	0,367	1,945
0,012	1,824	8,127	1,779	1,232	0,315	0,107	2,645	0,106	0,188	1,420
0,014	2,192	12,820	2,161	1,015	0,288	0,184	3,168	0,184	0,109	1,124
0,016	2,562	18,848	2,538	0,864	0,266	0,292	3,690	0,291	0,069	0,933

При S=16 мм условие устойчивости выполняется.

Примем S=16 мм.

4.2 Расчет толщина крышки и днища

Толщину стенки эллиптического днища определяют по формуле:

,                                      (4.9)

мм.

Принимаем толщину крышки и днища равной толщине стенки = 16 мм.

4.3 Расчёт изоляции колонны

Определить необходимую  толщину слоя изоляции аппарата, внутри  которого температура 102 С. Изоляционный материал - совелит.  Температура наружной поверхности изоляции не должна быть выше  35  С.  Примем температуру окружающего воздуха в зимнее время t_о =  20 °C  и определим суммарный коэффициент теплоотдачи в окружающую среду лучеиспусканием и конвекцией по уравнению 4.71 [8]:

α = 9,74+0,07 ∙ Δt = 9,74+0,07 ∙ (35-20) = 10,79 Вт/(м2 ∙ К).

Удельный тепловой поток:

q = α ∙ (t_ст-t_o) = 10,79 ∙ (35-20) = 161,85 Вт/м².

Принимая приближенно, что все термическое сопротивление  сосредоточено в слое изоляции, можно написать:

q = K(t_вн-t_o) = la/б ∙ (t_вн-t_o),

откуда толщина слоя изоляции (la = 0,098 теплопроводность совелита)

б = la/q ∙ (t_вн-t_o) = 0,098/161,85 ∙ (102-20) = 0.05 м.

Так как наиболее горячая  часть колонны это  куб,  то  для  всей  остальной колонны  можно принять ту же толщину слоя изоляции.

4.4 Расчёт штуцеров.

Расчёт штуцеров сводится к определению диаметра штуцера по уравнению:

,                                                                            (4.10)

где w - скорость, для жидкости принимаем 1,5м/с, для пара – 15 м/с.

4.4.1 Штуцер для ввода исходной смеси.

V_F = G_F/r_F                                                                                         (4.11)

V_F = 0,58 /790 = 7,34 ∙ 10^-4 м³/с.

0,025 м = 25 мм.

По ОН26-01-34-66 примем штуцер с наружным диаметром 37мм, с условным проходом D_у=25 мм.

 4.4.2 Штуцер для ввода флегмы

                                                                               (4.12)

V_D = G_D ∙ R,                                                                               (4.13)

где R = 6,6 – флегмовое число

V_D = 0,278 ∙ 6,6 = 1,835 кг/с.

0,044 м  = 44 мм.

По ОН26-01-34-66 примем штуцер с наружным диаметром 64 мм, с условным проходом D_у=50 мм.

4.4.3 Штуцер для отвода кубового остатка

V_W = G_W ∙ R,                                                                              (4.14)

где R – отношение количества кубового остатка и парожидкостной смеси, принимаем её равной 2.

V_W = 0,302 ∙ 2 = 0,604 кг/с.

0,025 м  = 25 мм.

По ОН26-01-34-66 примем штуцер с наружным диаметром 37 мм, с условным проходом D_у=25 мм.

4.4.4 Штуцер для вывода паров дистиллята

V = G/r_П                                                                                           (4.15)

r_П = r’ = 2,95 кг/м³

G = G_D ∙ (R + 1)                                                                                 (4.16)

G = 0,278 ∙ (6,6 + 1) = 2,113 кг/с.

V = 2,113/2,95 = 0,716 м³/с.

0,245 м = 245 мм.

По ОН26-01-34-66 примем штуцер с наружным диаметром 278 мм, с условным проходом D_у=250 мм.

4.4.5 Штуцер для ввода паров кубовой смеси

V = G/r_П                                                                                            (4.17)

r_П = r” = 2,96 кг/м³

G = G_W ∙ (R+1)                                                                                  (4.18)

G = 0,302 ∙ (6,6+1) = 2,295 кг/с.

V = 2,295/2,96 = 0,775 м³/с.

0,255 м  = 255 мм.

По ОН26-01-34-66 примем штуцер с наружным диаметром 278 мм, с условным проходом D_у=250 мм.

4.5 Емкости

Ёмкости рассчитываются  на непрерывную работу в течении 2 - 8 часов. Предельные объемы емкостей находим из соотношения:

V(max) = G ∙ t(max)/p      t(max) = V(max) ∙ p/G         

V(min) = G ∙ t(min)/p      t(min) = V(min) ∙ p/G                                      (4.19)

G - массовый расход;

t - время работы;

р - плотность при 20 °С.

В данном случае нет необходимости в точном расчете плотности и, так как для всех жидкостей они схожи, возьмем ρ = 790 кг/м³.

1. Е₁ - емкость для исходной смеси.

V(max) = 2088 ∙ 8/790 = 21 м³,

V(min) = 2088 ∙ 2/790 =  5,3 м³.

2. Е₂ - емкости для кубового остатка:

V(max) = 1088 ∙ 8/790 = 11 м³,

V(min) = 1088 ∙ 2/790 = 2,8 м³.

2. Е₃ - емкости для дистиллята:

V(max) = 1000 ∙ 8/790 = 10,1 м³,

V(min) = 1000 ∙ 2/790 = 2,5 м³.

Примем цилиндрические ёмкости с элептическими днищами,  изготовленные  из  стали 12Х18H10Т:

Таблица 4.2. Ёмкости

Ёмкость для	Длина L, м	Внутренний диаметр D, м	Объём V, м3	Толщина стенки S, мм
исходной смеси	4,5	2,4	20,5	3
дистиллята и кубового остатка	3,5	2	9	3

 

1. Е1 - емкость для исходной  смеси:

t = 790 ∙ 20,5/2088 = 7,75 часов.

2. Е2 - емкости для дистиллята:

t = 790 ∙ 9/1000 = 7,11 часов

2. Е3 - емкости для кубового остатка:

t = 790 ∙ 9/1088 = 6,53 часов

Все емкости с целью  облегчения технического обслуживания и промывки связаны с магистралями оборотной воды и пара.

4.6 Насосы

Для перекачки кубового остатка и исходной смеси исходя из расходы и высоты, на которую подаётся жидкость, выберем насосы из таблицы соответственно под номером 1 и 2:

Таблица 4.3 Герметичные насосы типа ЦГ

№	Наименование	Р, КВт	Подача/напор	Т жидкости, °С	Масса, кг.
1.	ЦГ 6,3/20К-1,1-2	1,1	6,3 / 20	- 50… + 100	70
2.	ЦГ 6,3/32К-2,2-2	2,2	6,3 / 32	- 50… + 100	79

Насосы ЦГ применяются  в химической, газовой, топливно-энергетической, фармацевтической, нефтехимической, нефтяной, пищевой, мясо-молочной, холодильной и перерабатывающей промышленности и других производствах.  Эксплуатация насосов без утечек и отсутствия обслуживающего персонала позволяет использовать их при работе с высокотоксичными, ядовитыми, химически активными жидкостями и сжиженными газами.  Смазка и охлаждение насосов осуществляется перекачиваемой жидкостью.  Уровень защиты - взрывобезопасный.

Предназначены для перекачивания  в стационарных условиях жидкостей и сжиженных газов, пары которых могут образовывать с воздухом взрывоопасные смеси.   Указанные жидкости могут быть нейтральными, агрессивными и вредными всех классов с кинематической вязкостью до 40 сСт и плотностью не более 1800 кг/м3.   Допускается наличие твердых неабразивных включений с массовой долей до 0,2% и размером частиц не более 0,2 мм.

Рис. 4.1 Герметичный насос типа ЦГ

Материал проточной части: 12Х18Н10Т (исп. К) или 10Х17Н13М2Т (исп. Е) или ст. 3-10 (исп. А)

Изготавливаются на одно из напряжений 380 / 660 В.

В комплект поставки насосов  входят: паспорт, ЗИП и принадлежности.

Условное обозначение  электронасоса на примере 1ЦГ12,5/50К-4-2-У2:

1 -  порядковый номер  модернизации;

ЦГ -  центробежный герметичный;

12,5 -  номинальная подача (м3/ч);

50 -  номинальный напор  (м.);

К -  условное обозначение  по материалу ("К" - 12Х18Н10Т, "Е" - 10Х17Н13М2Т, "А" - ст. 3-10);

4 -  номинальная мощность встроенного электродвигателя (кВт);

2 -  конструктивное  исполнение в зависимости от  температуры и давления перекачиваемой жидкости;

У -  климатическое  исполнение;

2 -  категория размещения;

При выполнении с одним  из вариантов наружного диаметра рабочего колеса, после величины напора добавляется "а" или "б".

 

Заключение

В процессе проделанной  работы была рассчитана ректификационная установка для разделения смеси диоксана и толуола.

Были получены следующие  данные:

диаметр колонны - 1200 мм;

высота колонны – 34 м;

толщина цилиндрической обечайки, элептического днища и  крышки 18 мм.

Колонна состоит из 5 секций (3 в верхней части колонны и 2 в нижней) по 5 метра каждая, с расстоянием между секциями 1,215 м. В качестве перераспределитель жидкости принята тарелка ТСН-II. Жидкости подаются на тарелки ТСН-III.

Колонна насадочного  типа работает в плёночном режиме.

Были выбраны в качестве насадки керамические кольца Палля размером 35х35х4, с удельной поверхностью а=165 м²/м³, свободным объём ε=0,76 м³/м³, насыпной плотность 540 кг/ м³ , d_э=0,018, числом штук в м³ 18500.

Рассчитали тепловой и механический баланс установки, построили  графики и таблицы. 
Список использованной литературы

1.  Касаткин А. Г., Основные процессы и. аппараты химической технологии. Изд. 9-е. М.: Химия, 1973. 750 с.

2.  Справочник коксохимика. Т. 3. М.: Металлургия, 1966. 391 с.

3.  Рамм В. М. Абсорбция газов. М.: Химия, 1976. 655 с.

4.  Коробчанский   И.   Е.,   Кузнецов  М.   Д.   Расчет   аппаратуры   для   улавливания   химических продуктов коксования. М.: Металлургия. 1972. 295 с.

5.  Александров И. А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. М.: Химия,  1978. 277 с.

6.  Лащинский А. А., Толчинский А. Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. Л.: Машиностроение, 1970. 752 с.

7.  Стабников В. Н. Расчет и конструирование контактных устройств ректификационных и абсорбционных аппаратов. Киев: Техника, 1970. 208 с.

8.  Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов. Л.: Химия, 1976, 552 с.

9.  Бретшнайдер С. Свойства газов и жидкостей. М.— Л.: Химия,  1970. 535 с.

10.  Хоблер Т. Массопередача и абсорбция. Л.: Химия, 1964. 479 с.

11.  Дытнерский Ю.А., Процессы и аппараты химической технологии. 2-е изд., перераб. и дополн.- М.: Химия, 1991-496с.

12.  Колонные аппараты. Каталог. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1978. 31 с.

13.  Касаткин А. Г., Дытнерский Ю. И., Кочергин Н. В. Тепло-  и  массоперенос. Т.  4. Минск: Наука и техника. 1966. С. 12—17.