Главная Коллекция "Otherreferats" Химия Расчет ректификационной, теплообменной аппаратуры и их деталей на прочность

Расчет ректификационной, теплообменной аппаратуры и их деталей на прочность

Аппаратное оформление технологических процессов. Физико-химические данные, необходимые для расчета (взаимная растворимость и температуры кипения компонентов, данные по фазовому равновесию, теплоемкость). Высота слоя насадки в ректификационной колонне.

Рубрика Химия
Вид курсовая работа
Язык русский
Дата добавления 16.11.2014
Размер файла 873,1 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Страница:

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Основные условные обозначения

1. Цель и задачи курсового проектирования

2. Проработка общих вопросов

2.1 Технологическая схема

2.2 Рабочее давление

2.3 Конструкционный материал

2.4 Тип и конструкции контактных устройств

2.5 Физико - химические данные, необходимые для расчета

3. Расчет основного оборудования

3.1 Материальный баланс колонны

3.2 Флегмовое число

3.3 Внутренние материальные потоки в колонне

3.4 Тепловой расчет ректификационной колонны

3.5 Диаметр тарельчатой колонны

3.6 Расстояние между тарелками

3.7 Число теоретических тарелок

3.8 Число реальных тарелок в ректификационной колонне

3.9 Гидравлический расчет тарельчатых колонн

3.10 Характеристики конструкций тарелок и их основных элементов

3.11 Диаметр насадочной ректификационной колонны

3.12 Высота слоя насадки в ректификационной колонне

3.13 Особенности конструирования насадочных колонн

3.14 Гидравлическое сопротивление насадочной колонны

4. Проектирование установки

4.1 Компоновка оборудования

4.2 Конструктивное исполнение ректификационных колонн

4.3 Диаметры штуцеров

4.4 Фланцевые соединения

5. Расчет теплообменной аппаратуры ректификационной установки

6. Расчет тепловой изоляции

7. Расчет и выбор вспомогательного оборудования

7.1 Перекачивающие насосы

7.2 Конденсатоотводчики

7.3 Резервуары

8. Расчет ректификационной и теплообменной аппаратуры и их деталей на прочность

Литература

Основные условные обозначения

А, В

-

низкокипящий (НКК) и высококипящий (ВКК) компоненты;

А, В, С

-

константы в уравнениях;

а

-

массовая концентрация компонента А, кг А/кг смеси;

с

-

теплоёмкость, кДж/(кг·К) или кДж/(кмоль·К);

D

-

поток пара, кг/с или кмоль/с;

dк

-

диаметр колонны, м;

Fуд

-

удельная поверхность насадки, м2/м3;

H, h

-

высота, м;

k

-

коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 · К);

L

-

поток жидкости, кг/с или кмоль/с;

R

-

флегмовое число;

Rм

-

минимальное флегмовое число;

r

-

теплота парообразования, кДж /кг или кДж/кмоль;

V

-

объёмный поток пара, м3/с;

w

-

скорость, м/с;

x

-

мольная концентрация компонента А в жидкости,

кмоль А/кмоль смеси;

y

-

мольная концентрация компонента А в паре,

кмоль А/кмоль смеси;

м

-

вязкость, Па/с;

с

-

плотность, кг/м3;

у

-

поверхностное натяжение, Н/м.

Индексы

А

-

компонент А

В

-

компонент В

1

-

исходная смесь;

2

-

дистиллят (верхний продукт);

0

-

кубовый остаток (нижний продукт);

1. Цель и задачи курсового проектирования

Курсовой проект является самостоятельной работой студента, базирующейся не только на теории процессов и аппаратов химической технологии, но и на ряде предшествующих дисциплин (графика, прикладная механика, физическая химия). Качество проекта зависит от уровня овладения студентов знаниями по указанным дисциплинам, от умения пользоваться технической литературой и от проявленной при проектировании инициативы.

Целью курсового проектирования является закрепление знаний, приобретенных при изучении упомянутых дисциплин, а также привитие навыков комплексного использования полученных теоретических знаний для решения конкретных задач по аппаратному оформлению технологических процессов.

Курсовой проект состоит из расчетно - пояснительной записки и чертежей проектируемой установки на двух листах стандартного размера -- 814Ч576. На первом листе помещаются общий вид основного аппарата установки с достаточным количеством проекций (продольные и поперечные разрезы) и наиболее важные узлы. На втором листе приводится технологическая схема установки.

2. Проработка общих вопросов

После получения задания следует, в первую очередь, повторить материал соответствующей главы теоретического курса и затем рассмотреть возможные варианты аппаратурно - технологического оформления рабочего процесса, обратив внимание на возможность утилизации теплоты уходящих потоков. Эти вопросы изложены в основной рекомендуемой литературе [1 - 4].

В задании на проектирование обычно указаны производительность установки, состав исходной смеси, требуемые составы дистиллята и кубового продукта, рабочее давление в колонне, температура исходной смеси на входе в колонну, коэффициент избытка флегмы, параметры греющего пара и охлаждающего агента, а также конструкция колонны.

Выбор отдельных из указанных параметров может быть предоставлен студенту.

Второй этап работы составляет изучение физико-химических свойств разделяемой смеси (взаимная растворимость и температуры кипения компонентов, данные по фазовому равновесию, теплоемкость, теплопроводность, вязкость, поверхностное натяжение, коррозирующее действие разделяемой смеси и т.д.). Предпочтительно использовать в последующих расчетах экспериментальные данные для разделяемой смеси, приведенные для многих химических продуктов в литературе, [5 - 8, 22]. При их отсутствии отдельные физико-химические параметры могут быть найдены расчетным путем (см., например, [8, 17, 18, 22]); некоторые из рекомендуемых уравнений приведены в разделе 2.5 данного пособия.

Выбор конструкционного материала зависит от агрессивности разделяемой смеси и производится с помощью [6, 10, 14, 25, 32].

2.1 Технологическая схема

На миллиметровой бумаге в произвольном масштабе следует изобразить сначала основную часть технологической схемы (см., например, [1, рис. ХI-6] или [2, рис. XII-14]) и дополнить её недостающим оборудованием, нанести направления материальных потоков и их параметры. Можно за основу взять технологическую схему ректификационной установки непрерывного действия, приведенную в [10, с. 221], изменив её в соответствии с условиями работы проектируемой установки. химический ректификационный растворимость

При окончательном вычерчивании технологической схемы на листе (формат А1) необходимо руководствоваться ГОСТами и нормалями на изображения аппаратов. Частично такие рекомендации имеются в [10], подробнее - в [34].

При разработке схемы необходимо стремиться к максимальной рекуперации тепла, уносимого дистиллятом и кубовым остатком. Вариант рекуперации тепла кубового продукта для нагрева им исходной смеси до температуры кипения (или близкой к ней) часто является экономически оправданным, так как температура кубовой жидкости всегда выше температуры кипения исходной смеси. При использовании этого варианта следует проверить: является ли достаточным количество теплоты, которое может отдать кубовый продукт, для нагрева исходной смеси до заданной температуры. Такая проверка и принятие решения возможны лишь после материального и теплового расчета ректификационной колонны (разделы 3.1- 3.4).

В ряде случаев: при разделении смесей высококипящих компонентов, при высоких давлениях в колонне (p>1 МПа) целесообразно использовать теплоту конденсации уходящих из колонны паров для получения водяного пара, пригодного либо для непосредственного применения, либо для использования его после дополнительного сжатия.

В качестве горячего теплоносителя на ректификационных установках обычно используют насыщенный водяной пар при давлениях от 0,1 до 1,6 - 2 МПа, а при недостаточности его температуры - высокотемпературные органические теплоносители (например, даутерм, минеральные масла), в редких случаях - топочные газы.

Наиболее доступным и дешевым хладагентом является вода. Однако, её температура в средней полосе в летнее время составляет 20 - 25°С, поэтому при необходимости более низких температур применяют искусственный холод (рассолы, аммиак, хладоны).

Применение воздушного охлаждения позволяет существенно снизить расход воды на конденсацию паров и охлаждение потоков. Необходимые рекомендации по расчету и выбору конденсаторов воздушного охлаждения имеются в [12].

В ряде случаев применяют смешанное охлаждение - сначала воздушное (примерно, до 50°С), а затем водяное.

Заслуживает внимания схема установки с частичной конденсацией паров, по которой в дефлегматоре конденсируется только флегма, а неконденсированная часть паров (дистиллят) направляется в самостоятельный конденсатор-холодильник [1, рис. XI-6, вариант 2]. Эта схема предпочтительна в случаях, когда для разделения смеси требуется небольшое число тарелок.

2.2 Рабочее давление

Если рабочее давление в колонне не задано, при его выборе нужно руководствоваться следующими положениями. Увеличение давления приводит к повышению температур кипения и конденсации разделяемой смеси. Это позволяет применять более дешевые хладагенты или уменьшать поверхность теплообмена конденсатора. Однако, при этом может возникнуть необходимость применения специальных теплоносителей для нагрева низа колонны. Кроме того, с увеличением давления уменьшается относительная летучесть компонентов смеси и возрастает требуемое число тарелок или флегмовое число. С другой стороны, повышение давления в колонне приводит к увеличению её производительности, а при той же производительности - к уменьшению диаметра колонны. Таким образом, при выборе рабочего давления в колонне необходимо анализировать довольно сложную зависимость суммарных затрат на разделение от ряда факторов.

Опыт разделения углеводородных смесей и нефтяных фракций позволил выработать следующие рекомендации. При ректификации нефтяных фракций (и смесей углеводородов от С3 и выше) оптимальным является давление, позволяющее использовать более дешевые хладагенты (вода и воздух) и теплоносители (как правило, насыщенный водяной пар). Следовательно, выбранная температура в дефлегматоре (на 15 - 20°С выше максимально возможной температуры воды или воздуха) будет определять давление в колонне.

В случае высококипящих исходных смесей разделение производится обычно при давлении, близком к атмосферному, или под вакуумом во избежание термического разложения продуктов.

2.3 Конструкционный материал

Материал для изготовления колонн и теплообменной аппаратуры нужно выбирать в соответствии с условиями их эксплуатации (прочность, механическая обработка, свариваемость). Главным же требованием является их коррозийная стойкость. Последняя оценивается в зависимости от скорости коррозии [14, 25, 26].

Предпочтительны материалы, скорость коррозии которых не превышает 0,1 - 0,5 мм/год, а по возможности - более стойкие (скорость коррозии 0,01 - 0,05 мм / год). Сведения о применяемых материалах и их механических характеристиках приведены в [26, с. 44] и [14, с. 9 и далее].

2.4 Тип и конструкции контактных устройств

Применение различных контактных устройств в колонных аппаратах обусловлено следующими факторами:

- различием в нагрузках по пару и жидкости, физико-химическими свойствами разделяемых смесей, наличием в сырье механических примесей, взвесей и т.д.;

- особыми требованиями к технологическому процессу, например, необходимостью обеспечить низкий перепад давления в колонне, или широкий диапазон устойчивой работы при колебаниях подачи сырья, или малое время пребывания жидкости в аппарате, или какое-либо другое требование;

- особыми требованиями к аппарату, например, повышенная химическая стойкость, создание единичного или серийного выпуска аппарата, повышенная надежность в работе и т.д.

Насадочные колонны применяются, главным образом, для переработки высоко агрессивных или вязких продуктов, при разделении сильно пенящихся жидкостей, а также при необходимости обеспечения небольшого перепада давления при работе под вакуумом или малой задержки жидкости в колонне. Их распространение при ректификации ограничено сравнительно небольшими диаметрами (до 0,8 - 1,0 м), поскольку с дальнейшим увеличением диаметра ухудшается распределение жидкости по сечению и падает эффективность. Установка между сдоями насадки перераспределительных устройств и использование высокоэффективной насадки позволяет повысить эффективность разделения даже в колоннах большого диаметра.

Из многочисленных видов насадки в промышленной практике получили распространение кольца Рашига и их модификации, кольца Паля и Лессинга - с засыпкой навалом или регулярной укладкой, а также сёдла Берля и Инталлокс, выполненные из металла, фарфора, керамики и полимерных материалов, сетчатые и шаровые насадки.

Металлическая насадка применяется в тех случаях, когда возможно отложение осадков и необходима частая чистка аппарата, а также в вакуумных колоннах, поскольку такая насадка имеет значительно больший (по сравнению с фарфоровой и керамической) свободный объем. Фарфоровая и керамическая насадки применяются в тех случаях, когда не требуется частая чистка аппарата, или при разделении смесей, оказывающих коррозирующее действие на металл. Графит и различные пластики целесообразно применять при переработке высокоагрессивного сырья. Естественно, насадку из пластиков можно употреблять лишь при невысокой температуре в колонне.

Таблица 1. Основные показатели тарелок [4]

Тип тарелок

Относительная

производительность

Относительная

эффективность при нагрузке, составляющей 80% от максимальной

Диапазон устойчивой

работы отношения максимальной нагрузки по пару к минимальной

Величина гидравлического сопротивления, Па

Относительная стоимость тарелки

Из углеродистой стали

Из легированной стали

Колпачковая

1

1

2 - 3

700 - 1000

1

1,4

S-образная

1 - 1,1

1 - 1,1

2- 2,5

700 - 1000

0,6

1

Клапанная

1,2-1,5

1 - 1,1

3 - 4

500 - 800

0,65

1

Ситчатая

1,2-1,4

1 - 1,1

2 - 3

300 - 400

0,6

1

Ситчатая с отбойниками

1,4

0,8- 0,9

2 - 3

100 - 300

0,5

0,85

Решётчатая- провальная

1,2-1,4

0,75

1,5-1,8

300 - 400

0,5

0,85

При выборе размера насадки исходят из того, что с его увеличением возрастает пропускная способность колонны (производительность) и падает её гидравлическое сопротивление, но снижается её эффективность. Для обеспечения равномерного распределения потоков пара и жидкости по сечению рекомендуется принимать насадку таких размеров, чтобы отношение dнас / dкол было не больше 0,125, а в колоннах диаметром более 1 м это соотношение должно составлять не более 0,033 в случае колец Рашига и не более 0,066 - в случае седел Берля и Инталлокс.

Для выбора тарельчатого контактного устройства полезны данные по основным показателям тарелок, приведенные в табл. 1.

Колпачковые тарелки являются наиболее дорогими и металлоемкими, но они пока имеют широкое распространение в промышленной практике, а методы их расчета наиболее разработаны. Они имеют достаточно высокую разделяющую способность, устойчиво работают при колебаниях нагрузок по пару и жидкости.

Тарелки с S-образными элементами («Унифлюкс») более просты в изготовлении и монтаже, стоимость их существенно ниже, чем колпачковых; их эффективность, однако, несколько ниже, особенно в области малых нагрузок.

Клапанные тарелки допускают колебания нагрузок в широком диапазоне при высокой пропускной способности и эффективности. Они рекомендуются при наличии механических примесей в жидкости, а также при возможности их образования в процессе разделения.

Решётчатые контактные устройства провального типа предпочтительны при больших нагрузках по жидкости (даже загрязненной), но обладают сравнительно узким диапазоном устойчивой работы и невысокой эффективностью.

Полная классификация тарелок приведена в [13, 17], их конструкции - в [14 - 16].

Области применения тарелок различных типов указаны в табл. 2, заимствованной из [15]:

Таблица 2. Области применения тарелок различных конструкций

Тип тарелки

Диаметр колонны, м

Область применения

Колпачковые

ОСТ 26-01-66-86

0,4 - 4,0

Для процессов, протекающих при атмосферном и повышенном давлениях, и при нестабильных режимах. Диапазон устойчивой работы - до 4,5

Ситчатые

ОСТ 26-01-108-85

0,4 - 4,0

Для процессов, протекающих при любом давлении и стабильных режимах

Ситчато-клапанные

ОСТ 26-01-108-85

0,4 - 4,0

Для процессов, протекающих преимущественно под разрежением и при умеренном давлении. Диапазон устойчивой работы тарелок от 3 до 3,5

Клапанные

ОСТ 26-01-108-85

0,4 - 4,0

Для процессов, протекающих преимущественно при атмосферном и повышенном давлениях

Жалюзийно-клапанные

1,0 - 4,0

Для процессов, протекающих преимущественно при атмосферном и повышенном давлениях

Тарелки с двумя зонами контакта фаз

ОСТ 26-1078-85

1,6 - 4,0

Стандарт устанавливает три исполнения тарелок: - исполнение 1 - с ситчатыми секциями; - исполнение 2 - с ситчато-клапанными секциями; - исполнение 3 - с клапанными секциями. В зависимости от нагрузок по жидкости для всех исполнений тарелок установлено 4 типа размеров переливов с диаметрами 300 и 400 мм, оснащенными одно- или двухщелевыми выходными устройствами для жидкости. Диапазон устойчивой работы тарелок от 2 до 4

2.5 Физико - химические данные, необходимые для расчета

Данные по фазовому равновесию жидкость - пар для многих бинарных смесей можно найти в справочной литературе [5, 8]. По этим данным следует построить диаграмму y - х и t - х, у. Если в справочной литературе при заданном или принятом рабочем давлении отсутствуют такие данные, то для смесей, подчиняющихся закону Рауля, диаграммы фазового равновесия можно построить с помощью кривых упругости паров чистых компонентов смеси, зависимость которых от температуры описывается уравнением Антуана [6]:

или?,

где Р - давление насыщенных паров; Т - абсолютная температура кипения, К; t - температура кипения, С; А, В, С - константы [6].

Равновесные концентрации легколетучего компонента идеальной бинарной смеси в жидкой и паровой фазах при любой температуре могут рассчитаны по уравнениям [1 - 3]:

и ?у = ,

где P - полное давление над кипящей смесью, PA и PB - давления насыщенных паров при температуре Т для компонентов А и В смеси, соответственно.

Многие физико-химические и физические константы разделяемых смесей могут быть заимствованы в справочной литературе [6, 8, 17, 18]. При их отсутствии в справочной литературе они рассчитываются по приведённым ниже формулам. В расчётах используется (если особо не оговаривается) международная система единиц измерения (СИ).

Теплоемкости индивидуальных компонентов (при отсутствии данных в справочниках) могут быть рассчитаны по атомным теплоемкостям элементов, входящих в их состав [8, 22]. Теплоемкость смеси, зная её массовый (а) или мольный (х) состав, можно вычислить по правилу аддитивности:

ССМ = СА·а + СВ (1 - а) кДж/(кг · К)

или

ССМ = СА·х + СВ (1 - х) кДж/(кмоль · К)

Мольная теплота парообразования смеси (при известных мольных теплотах парообразования индивидуальных компонентов) может быть определена также по правилу аддитивности. Массовая (удельная) теплота парообразования (кДж/кг) определяется делением мольной теплоты парообразования на молярную массу смеси.

Вязкости многих газов, паров и жидкостей приведены в [6, 8, 9, 19, 22]. Там же даны значения константы С для уравнения Сатерленда

,

где мо - вязкость при температуре 0°С (273 К) и атмосферном давлении;

Т - температура, К.

По этой формуле может быть рассчитана вязкость газа или пара при любой температуре. В [17, 18, 22] дан обзор эмпирических формул, предложенных для расчета вязкостей газов, паров и жидкостей, если для них отсутствуют табличные данные.

В частности, вязкости индивидуальных жидких компонентов при температуре кипения и атмосферном давлении ориентировочно определяют по формуле Аррениуса [18]:

, Па·с,

где- плотность жидкости, при температуре её кипения, кг/м3.

Вязкость жидкой смеси компонентов находят по эмпирической формуле Аррениуса - Кендалла [8]:

,

где x и (1 - х) - мольные доли компонентой бинарной смеси.

При отсутствии в справочниках значений коэффициентов теплопроводности последние можно вычислить по формулам, приведенным в [8, 17, 18].

Плотности индивидуальных жидкостей при нормальных условиях и различных температурах могут быть заимствованы в справочной литературе [6, 8, 9, 19, 22]. Для ряда жидкостей там же даны коэффициенты объемного расширения, позволяющие вычислить плотность жидкости при повышенной температуре.

Плотность жидкой смеси (при отсутствии табличных данных) может быть вычислена по формуле

,

где а, (1 - а) - массовые концентрации компонентов смеси; и - плотности индивидуальных компонентов в рабочих условиях.

Плотность паров и их смесей вычисляется с помощью уравнения Клайперона - Менделеева.

Данные по поверхностному натяжению индивидуальных жидкостей на границе жидкость - пар могут быть заимствованы в [6], а формулы для расчета этого параметра при различных температурах и давлениях - в [17].

Табличные значения коэффициентов диффузии в жидкости и паре могут быть заимствованы в [6, 8, 19]. Расчет коэффициентов диффузии может быть выполнен по приближенным формулам, приведенным в [8].

3. Расчет основного оборудования

Размеры колонны зависят от производительности по исходной смеси L1 и составов получаемых продуктов: дистиллята и кубового остатка. Поэтому в первую очередь необходимо выполнить материальный расчет (определение внешних и внутренних потоков в колонне).

3.1 Материальный баланс колонны

Для определения потоков кубового продукта L0 и дистиллята П совместно решаются уравнения материального баланса по всему потоку смеси и по низкокипящему компоненту. Эти уравнения могут быть записаны как для массовых потоков исходной смеси, кубового продукта и дистиллята, так и для мольных [1 - 3].

3.2 Флегмовое число

Важнейшим параметром ведения процесса ректификации является флегмовое число.

Рабочее флегмовое число R определяется по минимальному значению RМ (при котором требуется бесконечно большое число теоретических тарелок) путем умножения последнего на коэффициент избытка флегмы , правильный выбор которого весьма важен, поскольку при его малых значениях требуется большое число ступеней равновесия и, следовательно, большая высота колонны, а при слишком больших - резко возрастает расход греющего пара.

Оптимальное значение может быть найдено в результате технико-экономического расчета по минимальным приведенным затратам [4, с. 236].

Для приближенной оценки рабочего флегмового числа можно воспользоваться соотношением [4]

Как правило, в задании на проектирование рекомендуемое значение указано.

Рис. 1. К определению минимального флегмового числа. а - питание колонны холодной смесью, парожидкостной смесью или паром; б - рабочая линия -- касательная к равновесной

При прочих равных условиях величина минимального флегмового числа зависит от агрегатного состояния исходной смеси. При этом рабочая линия укрепляющей части колонны проходит через точку пересечения кривой равновесия и, так называемой, Е - линии, уравнение которой

, где

количество кмолей пара, конденсируемое для испарения 1 кмоля исходной смеси на тарелке питания; r1 - теплота парообразования исходной смеси, кДж/кмоль; с1 - теплоемкость исходной смеси, кДж/(кмоль·К); t1 - температура кипения исходной смеси, 0С; t - температура поступающей в колонну исходной смеси, 0С; x1 - концентрация исходной смеси, кмоль НКК/кмоль смеси.

Для кипящей жидкости Е = 1, для недогретой смеси Е > 1, для парожидкостной смеси Е < 1, для исходной смеси в виде насыщенного пара Е = 0, а для перегретого пара Е < 0.

Е - линия может быть построена по двум точкам: первая точка (А) - на диагонали диаграммы у-х при х = х1 вторая - на оси абсцисс с координатой x1/Е (см. рис. 1,а).

Минимальное флегмовое число для каждого случая может быть определено либо по величине отрезка, отсекаемого рабочей линией на оси координат, либо из соотношения

,

где y* и x* - координаты точки пересечения Е-линией кривой равновесия (например, точки В при 0<Е<1).

Очевидно, что при питании колонны кипящей исходной смесью

и

(у1 - состав пара, равновесный составу исходной смеси x1).

Для бинарных смесей с кривой равновесия, показанной на рис. 1,б, величину минимального флегмового числа RM определяют по величине отрезка bM, отсекаемого на оси ординат рабочей линией процесса, являющейся касательной к линии равновесия. Такой метод определения минимального флегмового числа правомерен, если точка касания К лежит правее точки В, упомянутой выше (см. точку B1 на рис. 1,б). Это особенно важно учитывать в случаях подачи исходной при температуре ниже температуры кипения.

3.3 Внутренние материальные потоки в колонне

При равных Считаются равными, если их разность не превышает 10ч15 %. При большей разности расчет процесса ректификации проводят с помощью энтальпийной диаграммы [3]. мольных теплотах парообразования компонентов поток пара по всей колонне остается постоянным, как и потоки жидкости в укрепляющей и отгонной колоннах. При известном флегмовом числе R поток пара D = П·(R + 1), а поток флегмы (в случае её подачи при температуре кипения) в укрепляющей колонне L = П·R, где П - поток отбираемого дистиллята. При вводе в колонну переохлажденной флегмы (ниже температуры её кипения) поток жидкости соответственно увеличивается за счет конденсации части паров. Это дополнительное количество стекающей с тарелки на тарелку жидкости, равно как и необходимый дополнительный поток пара по колонне, определяется из соотношения

,

где t2 - температура кипения флегмы; tф - температура флегмы на входе в колонну; с2 - теплоемкость флегмы; r2 - теплота парообразования флегмы.

Угол наклона рабочей линии укрепляющей колонны в этом случае будет определяться соотношением (и, следовательно, новым флегмовым числом R') вместо обычного

.

Поток жидкости в отгонной части складывается из потока флегмы в укрепляющей колонне и жидкой части исходной смеси.

3.4 Тепловой расчет ректификационной колонны

Целью теплового расчета колонны является определение необходимых расходов греющего пара и охлаждающей воды на осуществление процесса.

При составлении теплового баланса колонны можно пользоваться как массовыми, так и мольными потоками, применяя, соответственно, массовые и мольные теплоемкости и теплосодержания (энтальпии) жидких и паровых потоков. По результирующему расходу теплоты определяется расход теплоносителя [1 - 3].

Начальная температура охлаждающей воды в конденсаторе-дефлегматоре, а также в холодильниках для дистиллята и кубового продукта должна быть принята равной температуре воздуха в летнее время в месте строительства установки. Температуру воды, уходящей из теплообменников, принимают равной 35ч40 0С.

3.5 Диаметр тарельчатой колонны

Диаметр колонны dк определяется из уравнения расхода

V = fcwпр

по допускаемой скорости пара wпр в свободном сечении колонны fc. Формулы для расчета wпр приведены ниже.

Для тарелок без переливных устройств свободное сечение колонны . В этом случае, зная объемный расход пара V и предельную скорость пара wпр в свободном сечении колонны, нетрудно найти её диаметр dк.

Для тарелок с переливными устройствами свободное сечение нужно находить как разность между полным сечением колонны и сечением переливных устройств (fпер), скорость движения жидкости в которых (wпер) для обеспечения устойчивой работы колонны не должна превышать 0,1 - 0,2 м/с. Необходимость учета доли сечения колонны, занятой переливными устройствами, особенно важна для колонн, работающих при повышенных давлениях и при высоких объёмных расходах жидкости. При этом порядок (алгоритм) расчёта следующий. Сначала рассчитывают диаметр колонны без учёта наличия переливных труб. По рассчитанному значению dк выбирается по каталогу ближайший больший диаметр колонны (тарелки) и из каталога находят fпер. Зная, что fс = fа - fпер, находят скорость пара и сравнивают её с допустимой wпр, если w > wпр, то выбирают следующий (больший) размер колоны.

В результате расчетов, выполняемых в проекте для верха и низа колонны, могут быть получены различающиеся результаты. Это различие объясняется изменением объемного расхода пара по колонне и различными допускаемыми скоростями пара для нижней и верхней частей колонны.

Объемный расход пара (м3/с) в верхнем сечении колонны при известном массовом потоке D (кг/с) находится путем деления последнего на плотность пара (кг/м3) в этом сечении колонны.

Объемный расход пара Vн (м3/с) в нижнем сечении колонны может быть рассчитан по тепловому потоку в кипятильнике Qк (находится из теплового баланса колонны) по формуле

,

где r0 - теплота парообразования кубовой жидкости, кДж/кг; п,0 - плотность паров, образующихся при её кипении, кг/м3.

По согласованию с консультантом проекта принимается решение - конструировать колонну с постоянным диаметром (приняв его равным большему требуемому диаметру), или с разными диаметрами в укрепляющей и исчерпывающей частях колонны.

Ниже приведен принятый в химической и нефтехимической промышленности нормальный ряд диаметров колонн (в м): 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2,0; 2,2; 2,4; 2,6; 2,8; 3,0; 3,2; 3,4; 3,6; 3,8; 4,0; 4,5; 5,0; 6,0; 6,5; 7,0: 8,0; 9,0; 10,0.

Опыт эксплуатации промышленных колонн показал, что предельные нагрузки колонн зависят от большого числа факторов (типа и конструкции тарелок, расстояния между тарелками, расходов фаз, физических свойств пара и жидкости и др.), что затрудняет обобщение экспериментальных данных для тарелок различных конструкций едиными зависимостями, справедливыми в широком диапазоне изменения влияющих параметров. В связи с этим в практике проектирования до сих пор пользуются разными уравнениями или расчетными графиками, справедливыми только в ограниченных условиях.

Для расчета предельной скорости пара в колоннах с переливными устройствами на тарелках наибольшее распространение получила зависимость Саудерса - Брауна [13]

,

где и - плотности, соответственно, жидкости и пара в рассматриваемом сечении, кг/м3; Сmax - коэффициент, учитывающий влияние различных факторов (конструкция тарелки, расход жидкости и другие). Значение Сmах определяется из формулы

Сmах = K1 С1 - K2 (л - 35),

где , Lж - массовый расход жидкости, кг/час; Dч - объемный расход пара, м3/час.

Коэффициенты K1 и K2 в зависимости от типа контактного устройства приведены в табл. 3.

Таблица 3. Значения коэффициентов K1 и K2

Тип тарелки

К1

К2

Колпачковая

1,0

4,0

Из S-образных элементов

1,0

4,0

Клапанная

1,15

4,0

Ситчатая

1,2

4,0

Ситчатая с отбойными элементами

1,4

4,0

Зависимость величины С1 от расстояния между тарелками практически линейна. В случае колпачковых тарелок изменение расстояния между тарелками hт от 400 до 800 мм приводит к увеличению С1 от 500 до 900 [4, 13]. О выборе расстояния между тарелками - чуть ниже.

Предельная скорость пара в колпачковой и ситчатой колоннах может быть определена графически [8, с. 323] и [4, с. 180].

Практические рекомендации по определению допустимой скорости пара в колпачковых и ситчатых колоннах имеются также в [10, 14, 22, 24].

Так как выбор расстояния между тарелками (раздел 3.6) зависит от диаметра колонны, то предельная скорость wпр должна быть определена методом последовательных приближений. Например, можно рекомендовать такую последовательность расчета: задаются ориентировочной скоростью пара в колонне 1,0 - 1,5 м/с (в случае атмосферного давления в колонне) и по уравнению расхода вычисляют сечение колонны fа, затем рассчитывают диаметр колонны и подбирают [10, 14, 15, 16, 21] стандартизованный диаметр колонны, по которому (из таблицы раздела 3.6) выбирают расстояние между тарелками hТ. Далее вычисляют уточненное значение диаметра колонны (с учетом доли сечения , занятого переливными устройствами) по уравнению

Последний необходимо сопоставить с принятым стандартизованным. При необходимости - принять новое значение диаметра колонны.

Для клапанных тарелок предельная скорость пара wпр определяется по скорости пара в отверстиях w0, обеспечивающей поднятие клапана, с учетом относительной площади прохода паров :

, м/с,

где w0 определяется из формулы

.

Здесь Gкл - масса клапана, кг, S - площадь отверстия под клапаном, м2.

Для круглых клапанов (dкл = 50 мм) толщиной 2 мм его масса равна 0,03 кг; при этом диаметр отверстия dотв = 40 мм и S = 1,25Ч10-3 м2.

Коэффициент сопротивления может быть принят [10] равным 3.

Как и для других типов тарелок при расчете диаметра колонны рекомендуется метод последовательных приближений (величины fа и hт при этом уточняются [21]).

Для тарелок провального типа (без переливных устройств) предельно-допустимая скорость пара, отнесенная к полному сечению, определяется по уравнению

,

где А = 1 для решётчатых и дырчатых провальных тарелок; А = 2 для трубчатых тарелок; dэ - эквивалентный диаметр отверстий или щелей, м; п и ж, - вязкость пара и жидкости, Па·с; - доля свободного сечения тарелки, м2/м2; L, D - массовые расходы жидкости и пара в колонне, кг/с.

3.6 Расстояние между тарелками

Для обеспечения нормальной работы колонны должны быть исключены переброс жидкости с нижележащих на вышележащие тарелки, захлебывание переливного устройства и превышение допустимого значения (порядка 0,1 кг жидкости на 1 кг пара) брызгоуноса.

В литературе [4, 10, 11, 15, 16, 21] приведены рекомендации, позволяющие определить оптимальное расстояние между тарелками.

Может быть также учтена следующая рекомендация по зависимости между диаметром колонны и расстоянием между тарелками:

dк, м

0,8

0,8-1,6

1,6-2,0

2,0 - 2,4

2,4 - 3,0

hт, мм

200 -300

350 - 450

450 - 500

500 - 600

600 - 700

На практике величина hт чаще всего выбирается в пределах 400 - 600 мм.

3.7 Число теоретических тарелок

Расчет числа теоретических тарелок в ректификационной колонне производится графически с помощью y - х см. сноску на стр. 23 диаграммы, вычерченной в достаточно большом масштабе. Способ построения рабочих линий и определения числа тарелок описан в основной рекомендуемой литературе [1 - 3].

Замечание 1. В случаях, когда концентрация одного из компонентов очень мала (менее 0,01%) могут быть использованы логарифмические координаты [4, с. 42].

Замечание 2. При ректификации идеальных смесей в условиях незначительного изменения потоков по высоте колонны число теоретических тарелок можно определить аналитическим путем по методу, предложенному проф. Н.И. Гельпериным и широко описанному в литературе [1, 4].

Основное уравнение для определения числа теоретических тарелок укрепляющей части колонны:

,

где ; ; ; .

; б - коэффициент относительной летучести;

R - рабочее флегмовое число укрепляющей части колонны.

Для расчета числа теоретических тарелок в отгонной части колонны используют уравнение

,

где ; ; ; ; ; .

3.8 Число реальных тарелок в ректификационной колонне

Для перехода от теоретических тарелок к реальным вводят поправочные коэффициенты, учитывающие кинетику процессов, происходящих на этих тарелках. Существуют различные методы введения этих поправок, в том числе:

- при помощи общего КПД тарелки;

- при помощи локальных КПД (метод Мерфри);

- при помощи теории массопередачи.

Наиболее распространен метод, основанный на применении общего (среднего) КПД тарелки в колонне, который выражается как отношение числа теоретических тарелок nт к числу реальных тарелок n в колонне: з=nт/n. Значения общих КПД колонны находят опытным путем в производственных условиях применительно к каждому типу колонн. Величина з зависит от физико-химических свойств разделяемой смеси, условий ректификации, конструкций колонны и т.п. и колеблется в очень широких пределах (от 0,2 до 0,9). Наиболее полно зависимости общего (среднего) КПД тарелок от скорости пара (точнее - от F-фактора, равного ) приведены в [13, с. 258].

При отсутствии экспериментальных зависимостей КПД тарелок можно определить с помощью графика з - б·мж, приведенного о ряде учебников, например в[8 с. 323].

Для колпачковых и ситчатых тарелок рекомендации по определению з можно найти в литературе [4, 11, 13, 17].

При отсутствии данных по КПД для рассматриваемого типа тарелок, рекомендуется внести поправку к рассчитанному для колпачковой тарелки значению, ориентируясь на сопоставительные данные по эффективности контактных устройств, приведенных в табл. 1 данного пособия.

В ходе проектирования колонны целесообразно найти общие КПД тарелки в верхнем сечении - з2, в месте подачи питания - з1 и в нижнем сечении - з0. Число реальных тарелок в укрепляющей части колонны nу находят путем деления числа теоретических тарелок в этой части колонны на усредненный общий КПД тарелки, равный .

Аналогичным образом находят число реальных тарелок n0 в отгонной части колонны

где - число теоретических тарелок в отгонной части колонны; - усредненный общий КПД тарелки для нижней колонны.

Общее число тарелок в колонне равно, естественно, сумме:

n = nу + nо,

3.9 Гидравлический расчет тарельчатых колонн

Общее гидравлическое сопротивление одной тарелки любого типа (и в укрепляющей, и в отгонной) выражается суммой:

?р = ?рс + ?рб + ?рж, Па

где ?рс - потеря напора пара на преодоление местных сопротивлений на сухой (неорошаемой) тарелке; ?рб - сопротивление, вызываемое силами поверхностного натяжения; ?рж - статическое сопротивление слоя жидкости на тарелке.

При этом

где о - коэффициент сопротивления; сп - плотность пара, кг/м3; w0 - скорость газа в отверстиях тарелки (прорези колпачка, отверстия ситчатых тарелок и т.п.), м/с. При известной скорости пара в свободном сечении колонны w скорость w0 находится из уравнения неразрывности (сплошности) потока с учетом доли отверстий тарелки (см. стр. 29).

Коэффициенты сопротивления о сухих тарелок имеют следующие ориентировочные значения [4,13,17]:

Колпачковые тарелки с круглыми колпачками

4,0 - 5,0

Тарелки с туннельными колпачками

4,0 - 6,0

Тарелки Унифлюкс (с S-образными элементами)

4,1

Клапанная тарелка

3,1 - 3,6

Ситчатая тарелка со свободным сечением отверстий 5 - 10%

1,85

Ситчатая тарелка со свободным сечением отверстий 15 - 20%

1,4 - 1,5

Провальные «дырчатые» тарелки

2,1

Провальные решётчатые тарелки

1,4 - 1,5

Сопротивление, вызываемое силами поверхностного натяжения

,

где у - поверхностное натяжение на границе раздела пар - жидкость, Н/м; dэ - эквивалентный диаметр для прохода пара через отверстия тарелки, м.

В случае колпачковых тарелок при полном открытии прорезей

,

где fпр = hпр·b - площадь свободного сечения прорези, м; b - ширина прорези, м; hпр - высота прорези, м; П - периметр прорези, м. Для ситчатых тарелок с отверстиями d0 и провальных «дырчатых» тарелок; dэ=d0.

Для провальных щелевых (решётчатых) тарелок dэ = 2а, где а - ширина щелей, м.

Для клапанных тарелок при нагрузках, соответствующих параллельному поднятию клапана на высоту h над поверхностью тарелки, dэ = 2h.

Рис. 2. Схема перелива жидкости с одной тарелки на другую

Статическое сопротивление, зависящее от запаса жидкости на тарелке, определяется по следующей формуле:

Држ = КА hж сж g

где hж - высота слоя жидкости на тарелке (см. на рис. 2), КА - коэффициент аэрации жидкости или относительная плотность парожидкостной смеси, принимается равным 0,6 - 0,7.

Высота слоя жидкости на тарелке обусловлена высотой перегородки h (приводится в характеристиках тарелки [13, 15, 16, 17, 31] или принимается равной 0,04 - 0,05 м) и величиной подпора жидкости над сливной перегородкой Дh, которая зависит от расхода жидкости Vж м3 / с в колонне и может быть найдена из формулы расхода жидкости на водосливе [33]:

,

где - коэффициент расхода на водосливе; В - длина водослива (в данном случае - длина сливной планки на тарелке), м.

Отсюда

Величина Дh связана с разностью hж - h соотношением: , откуда.

Поскольку для расчета Дh необходимо знать mв (а он зависит от соотношения hж/h), то задача решается итерационным методом. Задаваясь значением hж/h на уровне 1,2-1,5, находят mв, далее (зная Vж и В) и, наконец, hж и hж/ h. При несовпадении полученного значения hж/h с принятым расчет повторяют с новым (полученным) значением hж/h.

Для обычной гладкой сегментной сливной перегородки максимальная жидкостная нагрузка Vж/В ограничивается величиной 0,02 м3/(м·с). При большей жидкостной нагрузке, как правило, следует применять двухпоточные (рис. 3,б) и многопоточные тарелки.

Рис. 3. Схема движения жидкости на тарелках

а - однопоточная тарелка; б - двухпоточная

Переливные устройства должны удовлетворять следующим основным требованиям:

- обеспечивать перетекание заданного количества жидкости с тарелки на тарелку без захлебывания колонны;

- обеспечивать достаточную величину гидравлического затвора, исключающую прорыв пара через переливные устройства;

- создавать спокойный ввод жидкости на тарелку;

- обеспечивать, возможно, более полную дегазацию жидкости, перетекающей с тарелки на тарелку.

Рис. 4. Варианты схем основных типов переливных устройств тарельчатых колонн: а - площадь поперечного сечения постоянна по высоте; б - площадь переливного устройства уменьшается книзу; в - переток жидкости по трубам

Основные типы переливных устройств, нашедших практическое применение, представлены на рис. 4. Вариант «б» предпочтителен, так как при той же пропускной способности по жидкости он позволяет более полно использовать сечение колонны для размещения контактных элементов тарелки. Вариант «в» с переточными трубами может быть рекомендован только при малых нагрузках по жидкости и для слабо пенящихся жидкостей.

При использовании нормализованных тарелок размеры переливного устройства проверяют по скорости жидкости в наиболее узкой части (сечение S1 на рис. 2) переливного устройства. Она должна находиться в пределах от 0,05 до 0,20 м/с. Если для выбранной конструкции тарелки скорость жидкости в переливном устройстве оказывается вне указанных пределов, то необходимо выбрать тарелку с другим переливным устройством.

Полное сопротивление тарельчатой колонны определяется числом тарелок n в колонне

.

При значительном различии гидравлических условий работы тарелок (их сопротивлений) в укрепляющей и отгонной частях колонны целесообразно рассчитывать отдельно сопротивление укрепляющей и отгонной колонн

Найденную величину полного сопротивления колонны Дрполн необходимо учесть при расчете температурного напора в кипятильнике колонны, рабочее давление в котором будет равно рабочему давлению вверху колонны плюс Дрполн.

3.10 Характеристики конструкций тарелок и их основных элементов

Колпачковые тарелки с капсульными колпачками

Тарелки этого типа могут быть установлены в колоннах диаметром 400 мм и более при расстоянии между тарелками от 200 мм и выше. Тарелки могут иметь разборную и неразборную конструкцию; тарелки неразборной конструкции уплотнены в корпусе периферийным сальником с набивкой из асбестового шнура.

В горизонтальном положении тарелки диаметром до 1000 мм устанавливают с помощью трех регулировочных винтов, опирающихся на кронштейны, приваренные к корпусу. Тарелки диаметром 1200 - 1800 мм имеют опорное разъемное кольцо, прикрепляемое к корпусу колонны, на которое сверху крепится основание тарелки. Тарелки большого диаметра снабжены опорными балками.

Рассматриваемые тарелки имеют круглые колпачки диаметром 80 или 100 мм. колпачки, как правило, располагаются в вершинах равностороннего треугольника, а ряды колпачков - перпендикулярно потоку жидкости. Расстояние между центрами колпачков, т.е. их шаг принимается обычно равным 1,3; 1,6; 1,9 от диаметра колпачка. Зазор между нижним срезом колпачка и основанием тарелки должен быть минимальным (0-10 мм).

Расстояние от колпачков до стенок корпуса колонны не должно превышать 40 мм. Минимальное расстояние между колпачками и сливной планкой должно быть 80 - 100 мм. В тех местах, где колпачки отсутствуют, устанавливают перегородки высотой до 150 мм во избежание перетока жидкости без контакта с паром.

Высота сливной планки принимается такой, чтобы погружение верхней точки прорези колпачка было не менее 12 мм.

Около сливной планки предусматриваются отверстия диаметром от 5 до 10 мм для дренажа жидкости с тарелок при остановке колонны на ремонт или ревизию.

Суммарная площадь сечения паровых патрубков составляет обычно 10 - 15% площади живого сечения колонны (в колоннах, работающих под вакуумом -- 20 - 25%).

При необходимости расчета элементов колпачка исходят из условия равенства скоростей пара во всех сечениях колпачка:

где dп - диаметр патрубка; dкол - диаметр колпачка; д0 - толщина стенки парового патрубка; h - высота подъема колпачка над срезом парового патрубка; hпр - высота прорези; b - ширина прорези колпачка; n - число прорезей колпачка.

Колпачковые тарелки с туннельными колпачками

Тарелки этого типа применяются в колоннах диаметром от 1000 мм и более при расстоянии между тарелками 450 мм и более. Уступая всем другим конструкциям тарелок по производительности и эффективности, тарелки этого типа проще в монтаже и ремонте. Основные размеры и ряд технологических характеристик этих тарелок приведены в [4].

Тарелки из S-образных элементов

Тарелки этого типа изготовляются диаметром 1000 - 8000 мм, расстояние между тарелками от 400 до 500 мм. Тарелки собраны из элементов S-образного профиля, высотой 70 мм и шириной 150 мм, при сборке которых образуются каналы для прохода пара. Жидкость направляется паром в сторону слива, вследствие чего уменьшается градиент уровня жидкости на тарелке. Высота сливной планки на тарелке обычно равна высоте колпачка. Свободное сечение составляет 11 -12%, рабочая площадь достигает 80% от сечения колонны, длина слива жидкости около 0,7 диаметра колонны. Металлоемкость колонны относительно невелика (55 - 90 кг / м2 площади тарелки). Эффективность тарелки находится на одном уровне с колпачковыми капсульными тарелками, но производительность их на 20 - 30% выше.

Основные размеры и параметры тарелок из S-образных элементов приведены в [4, 13].

Клапанные тарелки

Тарелки этого типа применяется в колоннах диаметром 1000 мм и более при расстоянии между тарелками не менее 450 мм. Основными элементами тарелки являются клапаны круглой, треугольной или прямоугольной формы, закрывающие в нерабочем состоянии отверстия в основании тарелки. Конструктивно клапан выполнен так, что его подъем ограничен.

Клапаны круглой формы обычно располагают в вершинах равностороннего треугольника при шаге t = 2d0.

По сравнению с S-образными тарелками, клапанные позволяют повысить производительность на 20 - 25% при сохранении высокой эффективности в широком диапазоне нагрузок по пару. Дополнительные сведения по характеристикам тарелок этого типа приведены в [4, 13, 21, 31].

Ситчатые тарелки

Ситчатая тарелка представляет собой плоский перфорированный лист с обычными переливными устройствами для жидкости. Тарелка снабжена регулируемой сливной планкой высотой 20-40 мм.

Диаметр отверстий d0 в тарелке равен 2 - 25 мм (чаще 5 - 8 мм) при шаге (2,5 - 5) d0; доля свободного сечения тарелки - от 2 до 15%. Толщина тарелки при диаметре отверстий 4 - 5 мм составляет д =(0,5 - 0,8) d0; при большем отверстии толщина не превышает 4 - 5 мм.

Страница:


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

© 2000 — 2023, ООО «Олбест» Все права защищены