Гидравлический расчет колонны

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки

DРс = xwп2 rп / (2j2)                                  (45)

где j = 0,10 – относительное свободное сечение тарелки;

x = 1,5 – коэффициент сопротивления тарелки (Приложение Е).

· нижняя часть:

 

DРсн = 1,5×1,682×1,037 / (2×0,1002) = 219,51 Па

 

· верхняя часть:

 

DРсв = 1,5×1,812×0,983 / (2×0,1002) = 241,53 Па

 

Гидравлическое сопротивление обусловленное силами поверхностного натяжения

s = 0,5(sА + sВ) (46),

где sА = 0,017 Н/м - поверхностное натяжение этанола;

sВ = 0,059 Н/м – поверхностное натяжение воды.

 

s = 0,5×(0,017 + 0,059) = 0,038 Н/м

DРб = 4s/dэ                                                            (47)

 

где dэ = 0,005 м – диаметр отверстий.

 

DРб =4×0,038/0,005 = 30,4 Па

 

Гидравлическое сопротивление газожидкостного слоя

DРсл = grжh0 (48)

 

где h0 –высота светлого слоя жидкости на тарелке.

 

h0 = 0,787q0,2hп0,56wТm[1 – 0,31exp(– 0,11m)](sж/sи)0,09         (49)

 

где q = L/rП – удельный расход жидкости;

П = 0,57 м – периметр сливного устройства;

hП = 0,03 м – высота сливного порога;

wт = wпSк/Sт – скорость пара отнесенная к рабочей площади тарелки;

sв = 0,059 Н/м – поверхностное натяжение воды

m – показатель степени m = 0,05 – 4,6hп = 0,05 – 4,6×0,03 = – 0,088

· нижняя часть:

 

hон = 0,787×[1,56/(928,77×0,57)]0,2×0,030,56×(1,81×0,502/0,41) – 0,088´

´[1 – 0,31×exp(– 0,11×0,33)]×(0,038/0,059)0,09 = 0,022 м

 

· верхняя часть:

 

hов = 0,787×[0,39/(837,77×0,57)]0,2×0,030,56×(1,68×0,502/0,41) – 0,088´

´[1 – 0,31×exp(– 0,11×0,33)]×(0,038/0,059)0,09 = 0,017 м

DРн.сл = 928,77×9,8×0,022 = 198,49 Па

DРв.сл = 837,77×9,8×0,017 = 139,57 Па

 

Полное сопротивление тарелки

DР = DРс + DРб· + DРсл (50)

DРн =219,51 + 30,40 + 198,49 = 448,40 Па

DРв = 241,53 + 30,40 + 139,57 = 411,5 Па

 

Суммарное гидравлическое сопротивление рабочей части колонны

DРк = 448,40×6 + 411,5×12 =7629,6 Па

 

Тепловой расчет колонны

Расход теплоты отдаваемой воде в дефлегматоре

Qд = Р(1 + R)rр                                            (51)

Qд = 0,34×(1+1,8) 1173,24 = 1116,92 кВт

 

где rр – теплота конденсации флегмы

 

rр = rA + (1 – )rв                                  (52)

rр = 0,82×882 + (1 – 0,82)×2500 = 1173,24 кДж/кг

 

где rA = 882 кДж/кг – теплота конденсации этанола, кДж/кг

rв = 2500 кДж/кг–теплота конденсации воды, кДж/кг

В качестве охлаждаемого агента принимаем воду с начальной температурой 20°С, и конечной 30°С, тогда средняя разность температур составит:

 

Dtб = 77 – 20 = 57° С

Dtм = 77 – 30 = 47° С

Dtcр = (Dtб + Dtм) / 2                                   (53)

Dtcр = (57 + 47) / 2 = 52,0° С

 

Ориентировочное значение коэффициента теплопередачи:

 

К = 400 Вт/(м2×К), тогда требуемая поверхность теплообмена

F = Qд / (KDtср)                                           (54)

F = 1116,92×103/(400×52,0) = 54 м2

 

Принимаем стандартный кожухотрубчатый конденсатор с диаметром кожуха 600 мм и длиной труб 4 м, для которого поверхность теплообмена равна 63 м2 (Приложение Д).

Расход охлаждающей воды

 

Gв = Qд / [св(tвк – tвн)]                                (55)

Gв = 1116,92/[4,19×102·(30 – 20)] = 0,27 кг/с

 

Расход теплоты в кубе испарителе

Qк = 1,03(Qд + Рсрtр + Wcwtw – FcFtF)             (56)

 

где ср – теплоемкость дистиллята, кДж/(кг×К); сw – теплоемкость кубового остатка, кДж/(кг×К); сF– теплоемкость исходной смеси, кДж/(кг×К); 1,03 – коэффициент, учитывающий потери в окружающую среду.

 

сp = xp сА + (1 – xp ) сВ;                             (57)

 

сА – теплоемкость этилового спирта, кДж/(кг °C) (Приложение Г);

сВ – теплоемкость воды, кДж/(кг °C) (Приложение Г).

 

сp=0,82·0,71·4,19+0,18·4,19= 3,19 кДж/(кг×К).

 

Аналогично находим сF =3,27 кДж/(кг×К) и сw =4,16 кДж/(кг×К).

 

Qк = 1,03(1116,92 + 0,34×3,19×77 + 1,05×4,16×99,1 – 1,39×3,27×68) = 1362,52 кВт

 

Расход греющего пара

 

Принимаем пар с давлением 0,3 МПа, для которого теплота конденсации

 

r = 2171 кДж/кг, тогда

Gп = Qк/r (58)

Gп = 1362,52 / 2171 = 0,63 кг/c

 

Средняя разность температур в кубе испарителе

 

Dtср = tп – tw                                               (59)

Dtср = 167 – 99 = 68° C

 

Ориентировочное значение коэффициента теплопередачи

 

К = 300 Вт/(м2×К), тогда требуемая поверхность теплообмена.

F = Q / (KDtср)                                             (60)

F = 1362,52×103/(300×68) = 66 м2

 

Принимаем стандартный кожухотрубчатый теплообменник с диаметром кожуха 600 мм и длиной труб 4 м, для которого поверхность теплообмена равна 75 м2 (Приложение Д).

 

Конструктивный расчет

 

Корпус колонны диаметром до 1000 мм изготовляют из отдельных царг (Приложение Б), соединяемых между собой с помощью фланцев.

· Толщина обечайки:

 

S > pD/(2[s]j – p) + c                                  (61)

 

где [s] = 138 МПа – допускаемое напряжение для стали [3c394];

j = 0,8 – коэффициент ослабления сварного шва;

с = 0,001 мм – поправка на коррозию [3с394].

 

S > 0,1×0,8/(2×138×0,8 – 0,1) + 0,001 = 0,003 м

 

Принимаем толщину обечайки s=8мм

Наибольшее распространение в химическом машиностроении получили эллиптические отбортованные днища по ГОСТ 6533 – 78.

· Толщину стенки днища (рис 11) принимаем равной толщине стенки обечайки sд = s = 8 мм.

 

Рис 11 – Днище колонны

 

Характеристика днища:

h = 40 мм – высота борта днища;

Масса днища mд = 16,9 кг.

Объем днища Vд = 0,086 м3.

Соединение обечайки с днищами осуществляется с помощью плоских приварных фланцев по ОСТ 26–428–79 (рис 12).

 

Рис 12 – Фланец

 

Подсоединение трубопроводов к аппарату осуществляется с помощью штуцеров.

· Диаметр штуцеров

 

                                                            (62)

 

где wшт – скорость среды в штуцере.

Принимаем скорость жидкости wшт=1 м/с, газовой смеси wшт=25 м/с

Штуцер для входа исходной смеси

 

d1,2 = (1,39/0,785×1·903,34)0,5 = 0,044 м

 

принимаем d1 = d2 = 50 мм

Штуцер для входа флегмы

d3 = (1,8×0,34/0,785×1×772,20)0,5 = 0,033 м

 

принимаем d3 = 40 мм

Штуцер для выхода кубового остатка

 

d3 = (1,05/0,785×1×954,2)0,5 = 0,037 м

 

принимаем d4 = 40 мм

Штуцер для выхода паров

 

d3 = (0,72/0,785×25×1,037)0,5 = 0,188 м

 

принимаем d5 = 200 мм

Штуцер для входа паров

 

d6 = (0,5/0,785×25×0,983)0,5 = 0,17 м

 

принимаем d4 = 200 мм

Все штуцера должны быть снабжены плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12820-80. Конструкция фланца приводится на рисунке 13, а размеры в таблице 4.

 

Рис 13 – Фланец штуцера

 

Таблица 4 – Размеры приварного фланца штуцера

dусл	D	D2	D1	h	n	d
40	130	100	80	13	4	14
50	140	110	90	13	4	14
200	315	280	258	18	8	18

 

· Расчет опоры

Аппараты вертикального типа с соотношением Н/D > 5, размещаемые на открытых площадках, оснащают так называемыми юбочными цилиндрическими опорами, конструкция которых приводится на рисунке 14.

 

Рис 14 – Опора юбочная

 

· Ориентировочная масса аппарата.

Масса обечайки

 

mоб = 0,785(Dн2-Dвн2)Нобρ                                         (63)

 

где Dн = 0,616 м – наружный диаметр колонны;

Dвн = 0,6 м – внутренний диаметр колонны;

Ноб = 9,6 м – высота цилиндрической части колонны

ρ = 7900 кг/м3 – плотность стали

 

mоб = 0,785(0,6162-0,62)9,6·7900 = 952,55 кг

 

· Масса тарелок

 

mт = mn                                                        (64)

mт = 18·16,0 = 288,0 кг

m = 16,0 кг – масса одной тарелки

 

· Общая масса колонны

Принимаем, что масса вспомогательных устройств (штуцеров, измерительных приборов, люков и т.д.) составляет 10% от основной массы колонны, тогда

 

mк = mоб + mт + 2mд                                            (65)

mк = 1,1(952,55 + 288,0 +2·16,9) = 1401,79 кг≈1402 кг

 

Масса колонны заполненной водой при гидроиспытании

Масса воды при гидроиспытании:

 

mв = 1000(0,785D2Hц.об + 2Vд)                (66)

mв = 1000(0,785·0,62·9,6 + 2·0,086) = 2884,96 кг≈2885 кг

ректификационный колонна ситчатый этанол вода

Максимальный вес колонны

 

mmax = mк + mв                                              (67)

mmax = 1402 + 2885 = 4280 кг = 0,042 МН

 

Принимаем внутренний диаметр опорного кольца D1 = 0,55 м, наружный диаметр опорного кольца D2 = 0,8 м.

 

· Площадь опорного кольца

 

А = 0,785(D22 – D12)                                  (68)

А = 0,785(0,82 – 0,552) = 0,27 м2

 

· Удельная нагрузка опоры на фундамент

 

s = Q/A                                                         (69)

s= 0,042/0,27 = 0,16 МПа < [s] = 15 МПа – для бетонного фундамента.

 

Выводы

 

На основе материального расчета рассчитаны материальные потоки в колонне и определен диаметр ректификационной колонны – 600 мм. Найдено оптимальное флегмовое число R = 1,8. Рассчитано действительное число тарелок: 6 в верхней и 12 в нижней части колонны. На основе теплового расчета выбран дефлегматор (диаметр кожуха 600 мм, длина труб 4 м, поверхность теплообмена 75 м2) и испаритель (диаметр кожуха 600 мм, длина труб 4 м, поверхность теплообмена 63 м2) определен расход охлаждающей воды и греющего пара. Проведен конструктивный расчет и подобраны нормализованные конструктивные элементы.

 

Заключение

В данной курсовой работе рассмотрены основы процесса ректификации, классификация ректификационных колонн по конструкции внутреннего устройства, по периодичности действия и по способу организации движения потоков контактирующих фаз. Кроме того, представлены основные требования по выбору того или иного типа колонны. Согласно заданию на курсовую работу, в котором указаны компоненты бинарной смеси: этанол-вода, выбрана колонна с ситчатыми тарелками, и проведен её расчет по исходным данным, указанным в задании. Выполнен материальный и тепловой балансы, определены основные размеры аппарата и подобраны нормализованные конструктивные элементы.

Для расчетов была выбрана колонна с ситчатыми тарелками, так как они наилучшим образом подходят для проведения разделения незагрязненных жидкостей с постоянной нагрузкой.

Для повышения эффективности работы колонн с ситчатыми тарелками можно порекомендовать:

· соотношение между диаметром отверстий и шагом принять равным 3,6;

· толщину тарелок по возможности уменьшить;

· высота сливного порога при средних и больших скоростях пара в свободном сечении колонны (0.7-1,0 м/с) должна быть не менее 40-50 мм (до75); при малых скоростях пара высота сливного порога не оказывает влияния на эффективность работы тарелки;

· расстояние между тарелками более 150-200 мм не оказывает существенного влияния на эффективность массообмена при условии отсутствия пены; на участках колонны, где образуется большое количество пены, расстояние между тарелками следует увеличивать;

· в колоннах большого диаметра нужно устанавливать тарелки с наклоном в сторону слива, равным 1:45;

· свободное сечение тарелок брать в пределах 7-15%.

 

Список литературы

 

1 Краткий справочник физико-химических величин. М., «Химия», 1967 г.

2 Основные процессы и аппараты химической технологии, пособие по проектированию под ред. Ю.И. Дытнерского. М., «Химия» 1991 г.

3 Расчет и проектирование массообменных аппаратов. Учебное пособие. В.Я. Лебедев и др. – Иваново, 1994 г.

4 А.А. Лащинский, А.Р. Толчинский. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. М, 1968 г.

5 К.Ф. Павлов, П. Г. Романков, А. А. Носков. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л., «Химия», 1987 г.

6 П.Г. Романков, В.Ф. Фролов, О.М. Флисюк, М.И. Курочкина. Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии (примеры и задачи). Л., Химия, 1993 г.

7 Г.Я. Рудов, Д.А. Баранов. Расчет тарельчато ректификационной колонны, методические указания. М., МГУИЭ, 1998 г.

8 Каталог «Емскостная стальная сварная аппаратура». М., «ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ», 1969 г.

9 Каталог «Кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего и специального назначения». М., «ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ», 1991 г.

10 ГОСТ 12820-80 «Фланцы стальные плоские приварные на Ру от 0,1 до 2,5 Па (от 1 до25 кгс/см2). Конструкция и размеры».

11 ГОСТ 28759.4-90 «Фланцы сосудов и аппаратов стальные приварные встык под прокладку восьмиугольного сечения. Конструкция и размеры».

12 ОСТ 26-01-108-85 «Тарелки ситчато-клапанные колонных аппаратов. Параметры, конструкция и размеры».

Приложение А

 

Ситчатая тарелка диаметром 400-600 мм исполнения I

 

 

 

Приложение Б

 

Схема установки неразборных тарелок в царге

1 – кронштейн;

2 – кольцо упорное;

3 – болт М10х35 по ГОСТ 7798-70;

4 – гайка по ГОСТ5916-70.

 

Приложение В

 

Ориентировочные значения коэффициента теплопередачи К

Вид теплообмена	К,Вт/(м2·К)
	для вынужденного движения	для свободного движения
От газа к газу	10-40	4-12
От газа к жидкости	10-60	6-20
От конденсирующегося пара к газу	10-60	6-12
От жидкости к жидкости: – для воды – для углеводов и масел	800-1700 120-270	140-430 30-60
От конденсирующегося пара: – к воде – к кипящей жидкости – к органическим жидкостям	800-3500 ¾ 120-340	300-1200 300-2500 60-170
От конденсирующегося пара органических жидкостей к воде	300-800	230-460

 

Приложение Г

 

Номограмма для определения теплоёмкости жидкостей

 

Пересчет в СИ:1 ккал/(кг·ºС) = 4,19·102 Дж/(кг·К)

Приложение Д

 

Параметры кожухотрубчатых теплообменников и холодильников (по ГОСТ 15118-79, ГОСТ 15120-79 и ГОСТ 15122-79)

Приложение Е

 

Значение коэффициентов сопротивления сухих тарелок различных конструкций

Тарелка	x
Колпачковая	4,0-5,0
Клапанная	3,6
Ситчатая	1,1-2,0
Провальная с щелевидными отверстиями	1,4-1,5