МОСКОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ
ТОНКОЇ ХІМІЧНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ
ім. М.В. Ломоносова
КАФЕДРА ПРОЦЕСІВ І АПАРАТІВ
ХІМІЧНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ
до курсового проекту по сколотини на тему:
"Ректифікаційних установках
БЕЗПЕРЕРВНОЇ ДІЇ
ДЛЯ РОЗПОДІЛУ СУМІШІ:
АЦЕТОН - ізопропіловий СПИРТ - ВОДА "
Проект виконала: Буевіч О.Н.
Група: XT-306
Керівник проекту: Варфоломєєв Б.Г.
Москва
2003
ПЛАН
Введення
Опис технологічної схеми
Дані по рівноваги суміші
Основні теплофізичні характеристики потоків
Матеріальний баланс
Робоче флегмовое число
Рівняння робочих ліній
Визначення швидкості пара і діаметра колони
Розрахунок середніх величин по аддитивности
Тепловий баланс колони
Діаметр колони за умовами верху і низу
Швидкість пари в колоні
Визначення числа тарілок і висоти колони
Число тарілок
Висота тарельчатой частини
Висота колони
Гідравлічний розрахунок тарілок
Тепловий розрахунок установки
Дефлегматор - конденсатор
Куб - випарник
Паровий підігрівач суміші
Водяний холодильник дистиляту
Водяний холодильник кубового залишку
Витрата гріючої пари
Розрахунок теплообмінної апаратури
Розрахунок підігрівається суміші
Розрахунок конденсатора - дефлегматора
Розрахунок випарника (кип'ятильника)
Вибір ємностей
Ємність для зберігання вихідної суміші
Ємність для дистиляту
Ємність для кубового залишку
Розрахунок теплової ізоляції
Розрахунок відцентрового насоса
Розрахунок втрат на тертя і місцеві опори
Вибір насоса
Гранична висота всмоктування
Розрахунок і підбір штуцерів
Штуцер для подачі вихідної суміші
Штуцер для виведення парів дистиляту
Штуцер для виведення кубового залишку
Штуцер для подачі флегми
Штуцер для подачі рідини в кип'ятильник
Розрахунок і підбір кришки
Розрахунок і підбір днища
Розрахунок і підбір обичайки
Розрахунок і підбір конденсатовідвідників
Опора апарату
Список літератури
Введення
Ректифікація - один з найпоширеніших технологічних процесів у хімічній, нафтовій та інших галузях промисловості. Ректифікація - процес поділу бінарних чи багатокомпонентних парів, а також рідких сумішей на чисті компоненти або їх суміші.
Для розділення сумішей використовують ректифікаційні установки, що представляють собою ряд щаблів контакту, з'єднаний в протиточний розділовий каскад. Найбільш просте конструкційне оформлення противоточного каскаду досягається при русі рідини.
У нафтовій, хімічній, нафтохімічній та газовій промисловості поширені тарілчасті колони.
Сучасні ректифікаційні апарати повинні мати високі розділовими здібностями і продуктивністю, характеризуватися достатньою надійністю і гнучкістю в роботі, забезпечувати низькі експлуатаційні витрати, мати невелику масу і, нарешті, бути конструкційно-простими і нескладними у виготовленні. Останні вимоги не менш важливі, ніж перші, оскільки вони не тільки визначають капітальні витрати, а й значною мірою впливають на собівартість продукції, монтаж, ремонт, контроль, випробування та безпечну експлуатацію обладнання.
Особливе значення має надійність роботи ректифікаційних апаратів, установок, які виробляють сировину для нафтохімічної промисловості. Ректифікаційні колони повинні відповідати вимогам державних стандартів.
В якості контактних пристроїв застосовують різні типи тарілок. В даній установці використовується колпакові тарілка.
Розрахунок апаратів виконується з метою визначення технологічного режиму процесу, основних розмірів апарата і його внутрішніх пристроїв, що забезпечують задану чіткість поділу вихідної сировини при заданій продуктивності. Технологічний режим визначається робочим тиском в апараті, температурами всіх зовнішніх потоків, питомої витрати тепла і холоду. Основними розмірами апарату є його діаметр і висота.
В даній установці проводиться поділ потрійний суміші ацетон - ізопропіловий спирт - вода.
Опис технологічної схеми
Вихідну суміш з проміжної ємності Е1 відцентровим насосом Н1-Н2 подають у теплообмінник, де вона підігрівається до температури кипіння. Нагріта суміш надходить на поділ в колону ректифікації КР на тарілку харчування, де склад рідини дорівнює складу вихідної суміші. Стікаючи вниз по колоні, рідина взаємодіє з піднімається вгору парою, що утворюється при кипінні кубовою рідини в кип'ятильник К. Початковий склад пара приблизно дорівнює складу кубового залишку, тобто збіднений легколетучим компонентом. В результаті масообміну з рідиною пар збагачується легколетучим компонентом. Для більш повного збагачення верхню частину колони зрошують відповідно до заданого флегмовом числом рідиною, що подається відцентровим насосом Н3 - Н4, одержуваної в дефлегматоре Д шляхом конденсації пара, що виходить з колони. Частина конденсату виводиться з дефлегматора у вигляді готового продукту поділу - дистиляти, який охолоджується в теплообміннику Х2 і направляється в проміжну ємність Е3. З кубовою частини колони безперервно виводиться кубова рідина - продукт, збагачений труднолетучим компонентом, який охолоджується в теплообміннику Х1 і прямує в ємність Е2.
Таблиця 1. Рівноважні дані системи ізопропіловий спирт - вода.
x% | 0 | 0,6 | 3,2 | 4 | 6 | 12 | 43 | 60 | 68,4 | 87 | 95,5 | 100 |
y% | 0 | 15 | 33 | 38,5 | 47 | 51 | 57,5 | 64,5 | 68,4 | 84,5 | 93 | 100 |
t 0 C | 100 | 96 | 90,2 | 87,3 | 85 | 82,9 | 80,8 | 80,4 | 80,3 | 80,8 | 81,5 | 82,3 |
Таблиця 2. Рівноважні дані системи ацетон - вода.
0 | 5 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 100 | |
y% | 0 | 60,3 | 72 | 80,3 | 82,7 | 84,2 | 85,5 | 86,9 | 88,2 | 90,4 | 94,3 | 100 |
t 0 C | 100 | 77,9 | 69,6 | 64,5 | 62,6 | 61,6 | 60,7 | 59,8 | 59 | 58,2 | 57,5 | 57 |
Вихідні дані:
продуктивність по вихідної суміші
W 1 = 7500 кг / год = 2,08 кг / с
концентрації низькокиплячих компонентів:
у вихідній суміші х1а = 25% (мольна), х1б = 60% (мольна)
в дистилляте х2а = 95% (мольна), х2б = 0% (мольна)
в кубовому залишок х0а = 3% (мольна).
Матеріальні баланси
W 1 - масова витрата суміші,
П - масова витрата дистиляту,
W 0 - масова витрата кубового залишку.
Складаємо рівняння матеріального балансу ректифікаційної колони безперервної дії.
Баланс по всій суміші:
W1 - П - W0 = 0
Баланс по низкокипящей компоненту:
W 1х1 - W 0х0 - Пх2 = 0
кмоль / с
кмоль / с
Визначаємо мольну масу вихідної суміші та дистиляту
Робоче флегмовое число
Приймаються в якості робочого флегмового числа R = 3,75
Побудова робочих ліній ректифікаційної колони:
робочу лінію зміцнювальної частини колони зручно будувати по двом точкам. Перша виходить при перетині діагоналі діаграми x - y з прямою x = x 2, а друга - точка на осі ординат
робочу лінію отгонной частини колони також будуємо по двох точках. Перша - це точка перетину робочої лінії зміцнювальної частини колони з прямою x = x 1, а друга - точка на діагоналі діаграми x - y з абсцисою x 0.
Визначення швидкості пара і діаметра колони
Тарілчасті колони складають основну групу масообмінних апаратів. Вони являють собою вертикальний циліндр, на висоті якого розташовані спеціальні контактні пристрої - тарілки. У цих колонах рідини меншої щільності послідовно барботируют через шар рідини на тарілках, розташованих на певній відстані один від одного. Рідина безупинно перетікає з верхніх тарілок на нижні, відокремлені один від одного вільним простором, де пар або легка рідина відокремлюється від буря ними часток більш важкої фази. У тарельчатий колонах відбувається ступінчастий контакт фаз. Знизу вгору по колоні рухаються пари, що надходять в нижню частину апарата з кип'ятильника, який знаходиться поза колони. За допомогою кип'ятильника створюється висхідний потік пари. Пари проходять через шар рідини. В результаті взаємодії між рідиною і парою, що має більш високу температуру, рідина частково випаровується, причому в пар переходить переважно НКК. Випаровування рідини на тарілці відбувається за рахунок тепла конденсації пари. З пара конденсується і переходить в рідину переважно ВКК. Його вміст у поступающем на тарілку парі вище рівноважного зі складом рідини на тарілці. Пар є на виході з кип'ятильника ВКК і в міру руху вгору все більше збагачується НКК, який переходить у парову фазу на шляху пара з кип'ятильника до верху колони. Пари конденсуються в дефлегматоре охолоджуваному водою і одержувана рідина розділяється в роздільнику на дистилят і флегма, що спрямовується на верхню тарілку колони. На деякій відстані від верху колони до рідини з дефлегматора приєднується вихідна суміш, яка надходить на живильну тарілку колони. Для того, щоб зменшити теплове навантаження кип'ятильника, вихідну суміш нагрівають в підігрівачі, до температури кипіння рідини на тарілці харчування. Тарілка харчування ділить колону на дві частини, що мають різне призначення. У верхній частині повинно бути забезпечено, можливо більше зміцнення парів, тобто збагачення їх НКК з тим, щоб у дефлегматор прямували пари, близькі за складом до НКК. Тому дана частина колони називається зміцнює. У нижній частині необхідно в максимальній мірі видалити з рідини НКК, тобто вичерпати рідина для того, щоб в кип'ятильник стікала рідина, близька за складом до ВКК. Ця частина колони називається отгонной. У дефлегматоре можуть бути сконденсовані всі пари, що надходять з колони, або тільки частину їх, що відповідає кількості повертається в колону флегми. У першому випадку, частина конденсату залишається після відділення флегми (дистилят) охолоджується в холодильнику і направляється в збірник дистиляту. У другому випадку, Несконденсировавшиеся в дефлегматоре пари одночасно конденсуються і охолоджуються в холодильнику, який при такому варіанті роботи служить конденсатором - холодильником дистиляту. Рідина, що виходить з низу колони, близька за складом до ВКК також ділиться на дві частини. Одна частина направляється в кип'ятильник, а інша - кубовий залишок, після охолодження водою в холодильнику, направляється в збірник кубового залишку.
Діаметр колони за умовами верху і низу
Температура t та швидкість пара w п змінюються по висоті колони. Тому діаметр колони d до розраховують для ряду перерізів колони (у нашому випадку для зміцнюючою і отгонной частин). Якщо при розрахунку величини d до виходять близькими, то колону роблять одного діаметра (орієнтуючись на більше значення d к). Якщо різниця в значеннях d до велика, то в цьому випадку зміцнююча частина колони має один діаметр, а відганяючи інших.
Діаметр колони за умовами верху
Знаходимо за рівнянням Менделєєва - Клайперона щільність пари в зміцнювальної частини колони
Знаходимо середню щільність рідини в колоні. Для цього знаходимо щільності ацетону і води по температурі в верху колони (t 2) і в кубі - випарнику (t 0).
Щільність рідкого ацетону при температурі t 2 = 560С дорівнює r Ацето. = 746 кг/м3 (див. [1] стр.489, табл. IV), води - 983 кг/м3.
Щільність води при температурі t 0 = 830 C дорівнює r вод = 972 кг/м3 (див. [1] стр.512, табл. XXXIX), ацетону - 719 кг/м3, спирту - 735 кг/м3.
Приймаються середню щільність рідини в колоні
1 /
а2 = .1 /
= 0,95.58.1 / 56 = 0,98
= 752 кг/м3
,
де С - коефіцієнт, що залежить від конструкції тарілок, відстані між ними, робочого тиску в колоні, навантаження колони по рідини і ін
Приймаються відстань між тарілками h = 0,4 м, тоді С = 0,059 (див. [1], стор.301, рис.7-2).
Швидкість пара у верхній частині колони
Діаметр зміцнювальної частини колони обчислюємо за формулою
,
де D м - масовий потік пари.
Масовий потік пари D м змінюється по висоті колони, його значення визначається за мольному потоку пари D і значенням молярної маси М парової суміші:
D м = D × М2,
де D = П (R + l) = 0,009 (3,75 + l) = 0,043
Молярний потік пари D постійний по висоті колони.
Тоді
D м = D × М2 = 0,043 × 56 = 2,41 кг / c
Діаметр зміцнювальної частини колони дорівнює
.
діаметр колони за умовами низу
Знаходимо щільність пари в отгонной частини колони
.
Швидкість пара в отгонной частини колони
Масовий потік пари D м в отгонной частини колони
D м = D × М0 = 0,043 × 52,4 = 2,25 кг / c.
Тоді діаметр отгонной частини колони буде дорівнює
Діаметр зміцнюючою і отгонной частин колони приймаємо однаковими і рівними d к = 1600 мм (див. [3] стор.9-10).
Визначення числа тарілок і висоти колони
За способом роботи массообменниє тарілки діляться на сітчатие, колпакові, провальні і струйно-спрямовані. Діапазон тарілок, що застосовуються в колоною апаратурі, становить 200-8000 мм - відповідно до діаметрами колон, для яких вони призначаються. Кількість тарілок в колоні буває зазвичай не менше 20 - 30, а в окремих випадках доходить до 80 штук і більше. Відстань між тарілками залежить в основному від фізико-хімічних властивостей суміші, і буває від 60 до 600 мм і більше. Тарілки малих розмірів виконуються цільними, тарілки великих розмірів - здебільшого складовими (розбірними) з окремих секцій, з'єднаних між собою болтами та іншими кріпильними пристосуваннями. Тарілки характеризуються навантаженнями за пару і рідини, відносна величина яких, залежно від поділюваної суміші, може значно відрізнятися один від одного.
Визначення числа тарілок
Для визначення теоретичного числа тарілок необхідно на діаграмі х - y побудувати робочі лінії зміцнюючою і отгонной частин колони так, як це зазначено в розділі 1.5.
В результаті отримуємо
Кількість реальних тарілок розраховується за рівнянням
де - ККД тарілок, що враховує реальні умови масообміну на тарілках.
Висота тарельчатой частини
Нт = (n - 1) × h = (14 - 1) × 0,4 = 5,2 м
Висота колони.
Н = Нт + Нс + Нк
де Нс = 0,5 м - висота сепараційної частини,
Нк = 1,5 м - висота кубової частини колони
Н = 5,2 + 0,5 + 1,5 = 7,2 м.
Гідравлічний розрахунок тарілок
Приймаються наступні розміри колпачковой тарілки: діаметр отворів d 0 = 4мм висота зливний перегородки h п = 50мм. Вільне перетин тарелкі11% від загальної площі тарілки. Розрахуємо гідравлічний опір тарілки в нижній і верхній частині колони по рівнянню
де - опір сухої тарілки,
- Опір, що викликається силами поверхневого натягу,
ПЖ - опір парожідкостной шару на тарілці
верхня частина колони.
Гідравлічний опір сухої тарілки
=
де - Швидкість пари в прорізах ковпачка (з розрахунку верху колони);
- Коефіцієнт опору, рівний для шліцеві тарілок ... 4,8 (див. [1] стор.28).
= 0,935 - Середня щільність пари у верхній частині колони
Fc = 0,109
Гідравлічний опір сухої тарілки одно
= = 4,8.0,69.0,935 / 2.0,1092 = 130,3 Па
Опір, обумовлене силами поверхневого натягу
де s = 21,5 × 10-3 Н / м - поверхневий натяг рідини при (Див. [1] стр.526)
= 4 f пр. / П (де f пр. і П - площа і периметр прорізи).
f пр. = 3,14. D к. h = 2 h (h - висота підйому ковпачка) h = 0.01м (див. [7] стор.214)
= 2.0,01 = 0,02 м.
Статичний опір шару рідини на тарілці
(Див. [1] стор.28)
де = 0,5 - відносить. Щільність піни (див. [1] стор.28)
h = h ж - h пер - висота рівня рідини над зливним порогом
h пер = 0,06 м - висота зливний перегородки (див. [7] стор.214)
h ж = hw + how - висота шару рідини на тарілці.
Приймемо hw = 0,06 м, h 0 w = 0,029
W в - щільність зрошення через зливну планку. W в = W ч / В
Часовий витрата у верхній частині колони
W ч = П R / .3600 = (0,5.3,75 / 752) .3600 = 9,0 м3 / ч
В = 1,238 м - периметр зливу (див. [7] стор.214)
W в = 9,0 / 1,238 = 7,27 м3 / ч
h0w = 0,029. = 0,011 м
h = 0,011 м
1,3.0,5.752 (0,02 + 0,015 +0,011) 9,81 = 220,6 Па
130,3 +4,3 +220,6 = 355,2 Па
нижня частина колони.
Гідравлічний опір сухої тарілки
=
.
Опір, що викликається силами поверхневого натягу
де s = 24,9 × 10-3 Н / м (див. [1] стр.526) - поверхневий натяг рідини при
= 5Па
Статичний опір шару рідини на тарілці
де
W в = W ч / В
W ч = W 0 R / .3600 = (1,58.3,75 / 769) .3600 = 27,74 м3 / ч
В = 1,238 м
W в = 27,74 / 1,238 = 22,41 м3 / ч
h = h 0 w = 0,029
Тоді
Загальна гідравлічний опір тарілки в нижній частині колони
143,5 +5 +284,4 = 432,9 Па
Тепловий розрахунок ректифікаційної колони.
Конденсатор-дефлегматор
Витрата тепла, що віддається охолоджуючої води в конденсаторі-дефлегматоре знаходимо за рівнянням
де - Питома теплота конденсації пари в дефлегматоре.
Питомі теплоти конденсації ацетону і води при (Див. [1], стр.541, табл. XLV).
Тоді
Куб-випарник
Витрата тепла, одержуваного в кубі-випарнику від гріючої пари дорівнює
Знаходимо теплоємності ацетону, ізопропіл. спирту та води (див. [1], стр.537, 562).
;
;
;
Тоді
Паровий підігрівач суміші
Витрата тепла в паровому подогревателе суміші
(T 1 - t поч)
де t поч = 200 C
питома теплоємність вихідної суміші при середній температурі t ср = (t 1 + t поч) / 2 =
(Див. [1] стр.537, стр.562)
Тоді
(T 1 - t поч) = 2,08 × 2,85.43 = 254,9 кДж / c
Водяний холодильник дистиляту.
Витрата тепла, що віддається охолоджуючої води у водяному холодильнику дистиляту.
(T 2 - t кон)
де t кон = 250С
питома теплоємність дистиляту при середній температурі t ср =
(Див. [1] стр.562)
Тоді
(T 2 - t поч) = 0,5 × 2,28 (56 - 30) = 29,64
Знаходимо витрату охолоджуючої води
де t к = 400С
t н = 200С
де = 1000
(Див. [1], стр.172, табл.4-6).
За даними [4] стр.413, приймаємо одноходовий теплообмінник ТН з следующ
ми характеристиками: d n тр = 25 * 2 мм, l n тр = 2,5 м, F = 2,5 м2 n = 61
Водяний холодильник кубового залишку.
Витрата тепла, що віддається охолоджуючої води у водяному холодильнику кубового залишку.
(T 0 - t кон)
де t кон = 300С
питома теплоємність кубового залишку при середній температурі t ср =
Тоді
(T 0 - t поч) = 1,58 × 3,27.53 = 273,83
Знаходимо витрату охолоджуючої води
де t к = 600С
t н = 200С
де = 1000
(Див. [1], стр.172, табл.4-6).
За даними [4] стр.413, приймаємо одноходовий теплообмінник ТН з следующ
ми характеристиками: d n тр = 25 * 2 мм, l n тр = 4м, F = 20м2 n = 61
Витрата гріючої пари.
в кубі - випарнику
де - питома теплота конденсації пари, що гріє.
Тиск пари, що гріє тоді
і
(Див. [1], стр.550, табл. LVII).
Тоді
в підігрівачі вихідної суміші
Всього: 0,74 + 0,35 = 1,09
Розрахунок і підбір теплообмінної апаратури
Розрахунок підігрівача вихідної суміші
У кожухотрубних подогревателях в трубне пронстранство надходить вихідна суміш, а в Міжтрубний простір подається теплоносій - водяний пар.
Приймемо початкову температуру вихідної суміші рівній температурі повітря в літній час в районі будівництва: t = 200 C
Середня різниця температур
де D t Б = t гр. п - t поч = 142,9 - 20 = 122,90 З
D t м = t гр. п - t кон = 142,9 - 63 = 79,90 С
Тоді
Визначаємо значення поверхні теплообміну
де - Орієнтовний коефіцієнт теплопередачі
(Див. [1], стор, 172, табл.4-6)
м2
За даними [4] стр.413, приймаємо одноходовий теплообмінник ТЛ зі следующ
ми характеристиками: d n тр = 25 * 2 мм, l n тр = 2,5 м, F = 12,5 м2 n = 61
.
Розрахунок конденсатора-дефлегматора
Знаходимо витрату охолоджуючої води в дефлегматоре
де t к = 400С
t н = 200С V в = G в / в = 17,5 / 996 = 0,018 м3 / c
в = 996 кг / м3 при t = 300 C - СР темп. води (див. [1] стр.537)
Середня різниця температур
Термічний опір сталевої стінки труби
матеріал трубок - сталь, (Див. [1], стр.529, т. XXVIII),
товщина стінки = 2мм (див. [4] стр.413)
Попередній вибір теплообмінника:
де = 500
(Див. [1], стр.172, табл.4-8).
Згідно [4], стр.415, приймаємо двоходовий теплообмінник ТН з наступними параметрами: d = 25 '2 мм; n = 121; F = 31,5 м2; l тр = 3,5 м.
Розрахунок швидкості води м / c
Режим течії
= 0.81.10-6 м2 / c при t = 300 C - СР темп. води (див. [1] стр.537)
Знаходимо значення критерію Нуссельта за графіком (див. [1] стор.154)
= 1
= 18.
= 3,2 (див. [1] стр.564, табл. XIII)
= 18.
= 29,7
Тоді коефіцієнт тепловіддачі a 2, що характеризує тепловіддачу стінка-охолоджуюча вода, дорівнюватиме:
де l 2 = 0,624 - Коефіцієнт теплопровідності води при 300С (див. [1], стр.561, табл. X).
Коефіцієнт тепловіддачі парів дістіллат, конденсується на горизонтальних трубах, знаходимо через А - комплекс теплофізичних величин, що характеризують пари води (А відповідає за своїм фізичним змістом приватному коефіцієнт тепловіддачі a конд = a 1).
,
при t 2 = 560С - 0,24 м
(Див. [1], стр.556, рис. V)
(Див. [1], стр.561, рис. X) при t 2 = 560С
r = 750,4 кг/м3 (див. [1], стр.512, табл. IV)
,
де С - коефіцієнт розташування трубок, що дорівнює при горизонтальному розташуванні 0,72,
Тепер розрахуємо коефіцієнт теплопередачі К.
,
де e р = 0,59-коефіцієнт рядності (див. [1], рис.4.7, стор.162).
Методом ітерацій знаходимо До за виразом:
(500-613,9-602-603,2-603,1)
К = 603
Необхідна поверхню теплопередачі
м2
Згідно [4], стр.415, приймаємо двоходовий теплообмінник з наступними параметрами: d = 25 '2 мм; z = 6; n = 266; F = 100 м2; l тр = 5,0 м.
Розрахунок випарника (кип'ятильника)
Середня різниця температур
Орієнтовне значення площі теплообміну складе
де = 1000
(Див. [1], стр.172, табл.4-6).
Відповідно до [4], стр.413, поверхня найбільш близьку до розрахункової має теплообмінник ТЛ з наступними характеристиками: d = 25 '2 мм; n = 121; F = 31,5 м2; l тр = 3,5 м.
Коефіцієнт теплопередачі від конденсується пара до киплячої рідини (див. [7], стр.533):
де С - коефіцієнт розташування трубок, що дорівнює при вертикальному розташуванні 0,943 (див. [1], стр.149), х - висота труб).
А0 = при Т = 142,90 З
Р = 1,1 атм.
,
де
- Динамічний коефіцієнт в'язкості кубового продукту (див. [1], стр.512, рис. V).
Тоді
B 0 =
Методом ітерацій знаходимо До за виразом:
(1000-1547,66-1719,39-1751,97-1757,37-1758,24-1758,38)
К = 1758
Тоді необхідна поверхня складе
м2
Виходячи зі значень необхідної поверхні теплообміну F тр вибираємо теплообмінник ТЛ з наступними параметрами: D = 325 мм, d = 25 '2 мм; F = 16 м2, l тр = 3,0 м (див. [2], стор.56, табл.2.9)
Вибір ємностей
Для зберігання дистиляту, кубового залишку та вихідної суміші використовують ємності. У якості ємностей ми будемо використовувати горизонтальні цистерни та резервуари. Горизонтальні цистерни призначені для зберігання рідин. Вони являють собою горизонтальні зварні посудини, які укріплені зсередини кільцями і тягами жорсткості, звареними з куточка. Днища цистерн можуть бути опуклими або плоскими. Резервуари представляють собою зварні посудини горизонтального типу, зварені з вуглецевої сталі звичайної якості, Резервуари забезпечені знімними барботера, двома лазами, оглядовими вікнами і двома патрубками для приєднання трубопроводів кожен.
Ємність для зберігання вихідної суміші
Визначаємо обсяг вихідної суміші
де t = 6ч = 21600с - час зберігання суміші в ємності (див. [5], стор.47)
- Щільність вихідної суміші при t = 20 0С
Нехай довжина резервуара до його діаметра L / D = 2, тоді
Ємність для дистиляту
Визначаємо обсяг дистиляту
де t = 6ч = 21600с (див. [5], стор.47)
- Щільність вихідної суміші при t = 20 0С
Нехай довжина резервуара до його діаметра L / D = 2, тоді
Ємність для кубового залишку
Знаходимо обсяг кубового залишку
де
Нехай довжина резервуара до його діаметра L / D = 2, тоді
Розрахунок теплової ізоляції
Товщина теплової ізоляції d і знаходиться по рівнянню
де l і = 0,098 - Коефіцієнт теплопровідності совеліта як ізоляційного матеріалу (див. [1], стр.529, табл. XXVIII);
= 400С - температура ізоляції з боку навколишнього середовища;
= 142,90 С - температура ізоляції з боку апарату;
= - 11,10 С - середня температура повітря в Тамбові в січні (див. [1], стр.513, табл. XV);
9,3 + 0,058 ×
= 9,3 + 0,058 × 40 = 11,62
- Коефіцієнт тепловіддачі від зовнішньої поверхні ізоляційного матеріалу в навколишнє середовище.
Приймаються ізоляцію з товщиною 5 мм.
Розрахунок відцентрового насоса
Для перекачування вихідної суміші з ємності в підігрівач, а також для перекачування флегми з розподільника назад у колону і для відведення з ємностей дистиляту і кубового залишку використовують відцентрові насоси.
Вихідна суміш перекачується при t = 200С з ємності в апарат, що працює під тиском 0,1 М Па. Витрата суміші 7500 кг / год, геометрична висота підйому суміші 20м, довжина трубопроводу на лінії всмоктування 7м, на лінії нагнітання 14м. На лінії всмоктування встановлено два прямоточних вентиля і два відведення під кутом 900. На лінії нагнітання встановлено два прямоточних вентиля і три відведення під кутом 900. Ставлення радіусу вигину до внутрішнього діаметра трубопроводу дорівнює чотирьом. Приймемо швидкість течії суміші для всмоктуючого і нагнітального трубопроводів однаковою і рівною w = 1,5 м / с (див. [2], стор.16). Внутрішній діаметр трубопроводу дорівнює
де
Визначення втрат на тертя і місцевих опорів
Визначаємо режим течії суміші
де
= 100,124 = 1,33 мПа. с - динамічний коефіцієнт в'язкості вихідної суміші при 200С (див. [1], стр.516, т. IX).
Режим течії турбулентний. Приймемо абсолютну шорсткість труб рівною D = 2 × 10-4 м (труби сталеві, які були в експлуатації, з незначною корозією, див. [2], стор.14).
Тоді відносна шорсткість труб дорівнюватиме
(Див. [1] стор.22)
Визначаємо суму коефіцієнтів місцевих опорів:
для всмоктуючої лінії вхід в трубу (з гострими краями) x 1 = 0,5
прямоточний вентиль: x 2 = x × К, де К = 0,89; x = 0,79, тоді x 2 = 0,79 × 0,89 = = 0,70 (2 шт)
Відводи: коефіцієнт А = 1,0, коефіцієнт В = 0,11, тоді x 3 = 0,11 (див. [1], стр.494, табл. XIII);
Сума коефіцієнтів місцевих опорів у всмоктувальній лінії
åx = x 1 +2 x 2 +2 x 3 = 0,5 +2 × 0,70 +2 × 0,11 = 2,13
Втрачений натиск у усмоктувальної лінії знаходимо за формулою:
для нагнітальної лінії вихід з труби x 1 = 1
вентиль прямоточний x 2 = 0,79.0,89
відводи x 3 = 0,11 (див. [1], стр.496, табл. XIII).
Сума коефіцієнтів місцевих опорів дорівнює
åx = x 1 +2 x 2 +3 x 3 = 1 +2.0,70 + 3 × 0,11 = 2,74
Втрачений натиск в нагнетательной лінії
Загальні втрати напору
h п = h п. НД + h п. наг = 0,48 + 0,83 = 1,31 м
Вибір насоса
Знаходимо повний напір, що розвивається насосом
Корисна потужність, витрачається на перекачування рідини
Потужність на валу двигуна
де h = h н × h п × h д = 0,6 - загальний ККД насосної установки, що представляє собою твір ККД насоса h н; ККД передачі h п і ККД двигуна h д.
За джерела [1], стр.92, табл.2.5, встановлюємо, що заданим подачі і напору, найбільше відповідає відцентровий насос марки X 20/53, для якого при оптимальних умовах роботи V = 5,5 × 10-3 м3 / с; Н = 34,4 м. Насос забезпечений електродвигуном АО2-32-2, номінальною потужністю N = 13 кВт з частотою обертання вала n = 48,3 с-1.
Гранична висота всмоктування.
Визначаємо запас напору, необхідний для виключення кавітації
Висота всмоктування не повинна перевищувати наступного значення
НВС £ А - ht - h п. нд - h кав = 10,2 - 0,24 - 0,48 - 1,6 = 7,88 м
де А = 10,2 (c м. [1] стор.52) - атмосферний тиск, виражене в метрах стовпа, що перекачується рідини.
ht = 0,24 м - тиск насиченої пари усмоктуваної рідини (див. [1], стор.69).
При установці насоса слід враховувати, що висота його розташування над рівнем рідини в ємності не повинна перевищувати значення НВС.
Розрахунок і підбір штуцерів
Приєднання труб до хімічних апаратів буває роз'ємне і нероз'ємне. Перше здійснюється за допомогою фланців або на різьбленні, друге на зварюванні або пайку. Для роз'ємного приєднання труб, арматури та вимірювальних приладів на апаратурі зазвичай передбачають штуцера (патрубки) фланцеві або різьбові. Найбільш поширені фланцеві штуцера для приєднання труб, арматури і приладів. Фланцеве з'єднання складається з двох симетрично розташованих фланців, ущільнювального з'єднання (прокладок), і кріпильних елементів (болтів, шпильок, шайб або гайок). У зварної апаратурі низького тиску фланці зазвичай виготовляють з листового смугового або фасонного прокату з подальшою приварюванням їх до обичайці, до труби і т.д. Найбільш технологічною формою виготовлення фланців є кругла форма.
Діаметри штуцерів колони та теплообмінної апаратури, а, отже, і діаметри технологічних трубопроводів, визначають з рівняння витрати по допустимої швидкості потоків у них.
Штуцер для подачі вихідної суміші
Швидкість введення вихідної суміші приймаємо рівною w = 2 м / с (див. [5], стор.42), тоді діаметр штуцера дорівнюватиме
де
Підбираємо щтуцер по [4]. стр.659 табл.27.3
Вибираємо штуцер з D у = 50 мм на ру = 1,0 МПа, Нт = 155 мм, матеріал - сталь Х18Н10Т, виконання I, ОСТ 26-1404-76 згідно [8], стор.175.
Фланець підбираємо по [4], стр.549, табл.21.9: D у = 40 мм, D ф = 130 мм, D б = 100 мм, D 1 = 80мм, d б = М12, кількість болтів z = 4, матеріал - сталь 3, виконання I.
Штуцер для виведення пари з колони
Швидкість виведення пари з колони приймаємо рівною w = 4 м / с (див. [5], стор.42), тоді
де м3 / с;
D = П (R +1) - потік пари
2,19 м3 при t 2 = 560С
Вибираємо штуцер з D у = 600 мм на ру = 1,0 МПа, Нт = 310 мм, матеріал - сталь Х18Н10Т, виконання I, ОСТ 26-1404-76 згідно [8], стор.175.
. Фланець підбираємо по [4], стр.549, табл.21.9: D у = 600 мм, D ф = 635 мм, D б = 495 мм, D 1 = 465мм, d б = М30, кількість болтів z = 16, матеріал - сталь 3, виконання I.
Штуцер для виведення кубового залишку
Швидкість виведення кубового залишку приймаємо рівною w = 2 м / с (див. [5], стор.42), тоді
де
Вибираємо штуцер з D у = 40 мм на ру = 1,0 МПа, Нт = 155 мм, матеріал - сталь Х18Н10Т, виконання I, ОСТ 26-1404-76 згідно [8], стор.175.
Фланець підбираємо по [4], стр.549, табл.21.9: D у = 80 мм, D ф = 185 мм, D б = 150 мм, D 1 = 128мм, d б = М16, кількість болтів z = 4, матеріал - сталь 3, виконання I.
Штуцер для подачі флегми в колону
Швидкість подачі флегми в колону приймаємо рівною w = 2 м / с (див. [5], стор.42), тоді
де
Вибираємо штуцер з D у = 40 мм на ру = 1,0 МПа, Нт = 155 мм, матеріал - сталь Х18Н10Т, виконання I, ОСТ 26-1404-76 згідно [8], стор.175.
Фланець підбираємо по [4], стр.549, табл.21.9: D у = 40 мм, D ф = 130 мм, D б = 100 мм, D 1 = 80мм, d б = М12, кількість болтів z = 4, матеріал - сталь 3, виконання I.
Штуцер для подачі рідини в кип'ятильник
Розрахунок штуцерів для приєднання кип'ятильника до колони утруднений тим, що невідомий витрата циркулюючої рідини. Тому діаметр штуцера можна прийняти рівним відповідним штуцерів на кип'ятильник. У нашому випадку діаметр умовного проходу штуцера на кип'ятильнику D у = 200мм (див. [2], стор.55, табл.2.6). Тоді вибираємо штуцер з D у = 200 мм на ру = 1,0 МПа, Нт = 190 мм, матеріал - сталь Х18Н10Т, виконання I, ОСТ 26-1404-76 згідно [8], стор.175.
Фланець підбираємо по [4], стр.549, табл.21.9: D у = 200 мм, D ф = 315 мм, D б = 280 мм, D 1 = 258мм, d б = М16, кількість болтів z = 8, матеріал - сталь 3, ісполненіе.1
Розрахунок і підбір кришки апарату
На відміну від днищ, нероз'ємно з'єднуються з обечайкой корпусу, кришки є роз'ємними вузлами апаратів, що закривають його корпус. Кришки в апараті передбачають для зручності складання, можливості завантаження та розвантаження апарату в процесі експлуатації, для огляду, ремонту і т.д.
Приймаються фланцеве еліптичне відбортований днище (тип 2 по ГОСТу 11972-66). Умовне позначення днища з розмірами: D вн = 1800 мм, S = 10 мм, діаметр борту D = 1935мм ("Днище 2 - 1800 - 1935 ГОСТ 11972-66") згідно з [4], стр.597.
Розрахунок і підбір днища
Складовими елементами корпусів хімічних апаратів є днища, які, як правило, органічно пов'язані з обечайкой апарату і виготовляються з того ж матеріалу. Однією з найбільш раціональних форм днища в циліндричних апаратах є еліптична. Матеріал днища - сталь X 18 H 10 T. Днище зварне з двох частин, шов ручного електродугового (j ш = 0,9).
= D 2 / 4 H - радіус кривизни в вершині днища
R = D для днищ з Н = 0.25 D H = 0,4 м. D = 1,6 м.
= 0,9 - коефіцієнт міцності одностороннього стикового шва.
Допустима напруга на розтяг для матеріалу днища визначається за формулою
де h = 1 - поправочний коефіцієнт, що враховує умова експлуатації апарату (див. [4], стр.408);
- Номінальна допустима напруга (див. [4], стр.406, рис.14, 2).
Для визначення розрахункового тиску в днище необхідно враховувати, що на днище діє ще й гідростатичний тиск, тому
де - Щільність рідини
7,2 м - максимальна висота стовпа рідини, що дорівнює висоті колони.
З урахуванням утонения, мінусового допуску, коефіцієнта запасу міцності, а також вмонтованого штуцера приймаємо S = 6мм.
Розрахунок і підбір обичайки
де - Щільність рідини
7,2 м - максимальна висота стовпа рідини, що дорівнює висоті колони.
= 0,9 - коефіцієнт міцності одностороннього стикового шва.
Номінальна допустима напруга для сталі Х18Р10Т = 140 мПа
(См [4] стр406 рис 14.2)
де h = 1 - поправочний коефіцієнт, що враховує умова експлуатації апарату (не пожежо - і вибухонебезпечні середовища) (див. [4], стр.408);
Надбавка на корозію: C = П. Тсл = 0,1 мм/год.15лет = 1,5 мм
де П - швидкість корозії
Тсл - термін служби обичайки.
З урахуванням утонения, мінусового допуску, коефіцієнта запасу міцності S = 8мм
Розрахунок і підбір конденсатоотводніков (для підігрів. Вих. Суміші)
Для відведення конденсату та запобігання проскакування пара в лінію відводу конденсату теплообмінні апарати, обігріваються насиченим водяною парою, повинні забезпечуватися конденсатоотводнікамі.
Визначаємо розрахункову кількість конденсату після теплоспоживаючого апарату
т / год
де Gmax = D гр = 0,35 кг / с - максимальний розрахунковий витрата пари.
Оцінюємо тиск пари перед конденсатоотводніком (конденсатоотводнік встановлюється в безпосередній близькості від теплоспоживаючого апарату)
p 1 = 0,95 p = 0,95 × 0,28 = 0,27 МПа
Тиск p 2 в трубопроводі після конденсатоотводніка приймаємо рівним 50% від тиску пари після теплоспоживаючого апарату
p 2 = 0,5 p 1 = 0,5 × 0,27 = 0,01 МПа
D p = p 1 - p 2 = 0,27 - 0,01 = 0,26 МПа - перепад тиску на конденсатоотводніке.
Ступінь переохолодження конденсату t 1 / t гп = 63/142, 9 = 0,44 <0,85
При цьому значенні коефіцієнта пропускна здатність КО:
kVy = т / год
де - Щільність переохолодженого конденсату (див. [1] стр.537)
По [6], стор.14, 15 вибираємо термодинамічний конденсатоотводнік 45ч13нж в залежності від умовної пропускної здатності, найближче більше значення якої, складе 6,3 т / год, діаметр умовного проходу Dy = 50 мм. .
Вибір опори апарату
Опори апарату рекомендується застосовувати при установці колонних апаратів, у яких відношення висоти до діаметра H / D ³ 5. При відношенні H / D <15 (Н = 9,6 м, D = 1,8 м, H / D = 9,6 / 1,8 = 5,3 <15) розрахункова схема апарату приймається у вигляді пружно затисненого стрижня. Хімічні апарати встановлюють на фундаменти найчастіше за допомогою опор. Апарати вертикального типу з співвідношенням H / D ³ 5, оснащують так званими спідничні опорами - циліндричними або конічними.
Маса 1 тарілки m т = 118,3 кг (див. [7] стор.214)
Еліптичного днища = 138 кг (див. [4] стр.440)
Обичайки = 2 RHS ст = 2 * 3,14 * 0,8 * 7,2 * 0,008 * 7700 = 2230 кг
Кришки - 500кг
Вважаємо, що колона заповнена водою:
m в = R 2 H води = 3,14 * 0,82 * 7,2 * 998 = 14448 кг
Приймемо масу штуцерів і люків 5000 кг.
М = 118,3 * 14 +138 +2230 +500 +14448 +5000 = 23972,2 кг
Для колони масою 30 т (з запасом) вибираємо:
8 опор ОВ - II - Б - 4000 ОН 26 - 01 - 69 - 68 (див. [4] стр.673).
Список використаної літератури
1) Павлов К.Ф., Романків П.Г., Носков А.А. Приклади і задачі по курсу процесів і апаратів хімічної технології, Л.: Хімія, 1987.
2) Борисов Г.С., Бриків В.П., Дитнерскій Ю.І. та ін Основні процеси та апарати хімічної технології: Посібник з проектування, М.: Хімія, 1991.
3) Колонні апарати: Каталог, М.: Цінтіхімнефтемаш, 1978.
4) Лащинський А.А., Толчинский А.Р. Основи конструювання і розрахунку хімічної апаратури: Додаток до довідника, М.: Машинобудування, 1970.
5) Захаров М.К., Солопенко К.Н., Варфоломєєв Б.Г. Методичні вказівки до курсового проектування ректифікаційних установок безперервної дії, М.: Полінор-М, 1995.
6) Мясоедінков В.М. / Под ред. Б.Г. Варфоломєєва Підбір і розрахунок конденсатовідвідників, М.: МІТХТ, 1989.
7) Дитнерскій Ю.І. Основні процеси та апарати хімічної технології. М., Хімія, 1991р.