Ректификационная колонна. Конструктивный расчёт ректификационной колонны Стандартные диаметры ректификационных колонн таблица

1. Задание на проектирование

2. Теоретическая часть

3. Схема ректификационной колонны

4. Расчет ректификационной колонны

4.1 Материальный баланс. Уравнения рабочих линий

4.5 Тепловой расчет установки

Список использованных источников

1. Задание на проектирование

Рассчитать и спроектировать колонну ректификации (тарельчатую) для разделения смеси уксусной кислоты – вода поступающей в количестве 10 тонн в час. Состав исходной смеси 10% (масс.) уксусной кислоты и 90% (масс.) воды. Требуемое содержание уксусной кислоты в дистилляте 0,5% (масс.), а в кубовом остатке 70% (масс.). Ректификация производится под атмосферном давлении. Греющий пар имеет давление Р изб =3 атм.

Техническая характеристика

1. Аппарат предназначен для разделения смеси уксусная кислота – вода концентрацией 10% (масс).

2. Греющий пар имеет давление Р=3атм.

3. Температура среды в кубе до 105°С.

4. Среда в аппарате не токсичная.

5. Тип тарелок - ситчатые.

6. Число тарелок - 33.

Технические требования

1. При изготовлении, испытания и поставки аппарата должны выполняться требования:

А) ГОСТ 12.2.003-74 "Оборудование производственное. Общие требования безопасности"

Б) ГОСТ 26-291-79 "Сосуды и аппараты стальные сварные. Технические требования"

2. Материал тарелок или частей колонны, соприкасающимися с разделяемыми жидкостями или их парами, из стали Х18НЮТ ГОСТ 5949-75, остальные элементы колонны из стали ВСт Зсп. ГОСТ 380-71.

3. Аппарат испытать на прочность и плотность гидравлически:

А) в горизонтальном положении - давлением 0,2 Мпа;

Б) в вертикальном положении - наливом.

4. Сварные соединения должны соответствовать требованиям ОН 26-01-71-68 "Сварка в химическом машиностроении." Сварку В Ст Зсп. Произвести электродом марки АНО-5-4,5-2 по ГОСТ 9467-75.

5. Сварные швы в объеме 100% контролировать рентгенопросвечиванием.

6. Прокладки из паронита ПОН-1 ГОСТ 481-71.

7. Неуказанный вылет штуцеров 150мм.

8. Размеры для справок.

2. Теоретическая часть

Ректификация представляет собой процесс многократного частичного испарения жидкости конденсации паров. Процесс осуществляется путем контакта потоков пара и жидкости, имеющих различную температуру, и проводятся обычно в колонных аппаратах. При каждом контакте и жидкости испаряется преимущественно низкокипящий компонент, которым обогащаются пары из паров конденсируется преимущественно высококипящий компонент, переходящий в жидкости. Такой двусторонний обмен компонентами, повторяемый многократно, позволяет получить, в конечном счете, пары, представляющие собой почти чистый низкокипящий компонент. Эти пары после конденсации в отдельном аппарате дают дистиллят (ректификат) и флегму – жидкость, возвращаемую для орошения колонны и взаимодействия с поднимающимися нарами. Пар получают путем частичного испарения снизу колонны остатка, являющегося почти чистым высококипящим компонентом.

Ректификация известна с начала XIX века как один из важнейших технологически процессов главным образом спиртовой и нефтяной промышленности. В настоящее время ректификацию все шире применяют в самых различных областях химической технологии, где выделение компонентов в чистом виде имеет весьма важное значение (в производства органического синтеза, изотопов, полимеров, полупроводников и различных других веществ высокой чистоты).

Процесс ректификации осуществляется путем многократного контакта между неравновесными жидкой и паровой фазами, движущимися относительно друг друга.

При взаимодействии фаз между ними происходит массо- и теплообмен обусловлены стремлением системы к состоянию равновесия. В результате каждого контакта компонент перераспределяются между фазами: пар несколько обогащается низкокипящим компонентом, жидкость - высококипящим. Многократное контактирование приводит к практически полном разделению исходной смеси.

Устройство ректификационных аппаратов.

Рис. 1 Ректификационная колонна непрерывного действия.

1 – колонна; 2 – кипятильник; 3 – дефлегматор

Таким образом, отсутствие равновесия (и соответственно наличие разности температур фаз при движении фаз с определенной относительной скоростью и многократном их контактированиии являются необходимыми условиями проведения ректификации.

Процессы ректификации осуществляются периодически или непрерывно при различны давлениях: при атмосферном давлении, под вакуумом (для разделения смесей высококипящих веществ), а также под давлением больше атмосферного (для разделения смесей, являющихся газообразными при нормальных температурах).

Для проведения процессов ректификации применяют аппараты разнообразных конструкций основные типы которых не отличаются от соответствующих типов абсорберов.

В ректификационных установках используют главным образом аппараты двух типов:

насадочные и тарельчатые ректификационные колонны. Кроме того, для ректификации.

вакуумом применяют пленочные и роторные колонны различных конструкций

Насадочные, барботажные, а также некоторые пленочные колонны по конструкции внутренних устройств (тарелок, насадочных тел и т. д.) аналогичны абсорбционным колоннам. Однако в отличие от абсорберов ректификационные колонны снабжен теплообменными устройствами - кипятильником (кубом) и дефлегматором (рис. 1). Кроме того, для уменьшения потерь тепла в окружающую среду ректификационные аппараты покрывают тепловой изоляцией.

Рис- 2. Варианты установки дефлегматоров

а - на колонне: б - ниже верха колонны;

1 -дефлегматоры; 2 - колонны: 3 - насос.

Кипятильник или куб, предназначен для превращения в пар части жидкости, стекающей из колонны, и подвода пара в ее нижнюю часть (под насадки или нижнюю тарелку). Кипятильники имеют поверхность нагрева в виде змеевика или представляют собой кожухотрубчатый теплообменник, встроенный в нижнюю часть колонны. Более удобны для ремонта и замены выносные кипятильники, которые устанавливают ниже колонны с тем, чтобы обеспечить естественную циркуляцию жидкости.

Дефлегматор, предназначенный для конденсация паров и подачи орошения (флегмы) колонну, представляет собой кожухотрубчатый теплообменник, в межтрубном пространстве которого обычно конденсируются пары, а в трубах движется охлаждающий агент (вода).

Рис. 3. Сетчатая колонна.

а - схема устройства колонны; б – схема устройства тарелки; 1 - корпус; 2 - тарелка; 3 - переливная труба; 4 - стакан.

В случае частичной конденсации паров дефлегматоре его располагают непосредственно над, колонной, чтобы обеспечить большую компактность установки, либо вне колонны (рис 2). При этом конденсат (флегму) из нижней части дефлегматор подают непосредственно через гидравлический затвор на верх колонны, так как в данном случае отпадав необходимость в делителе флегмы.

В случае полной конденсации паров в дефлегматоре его устанавливают выше колонны, непосредственно на колонне или ниже верха колонны для того, чтобы уменьшить общую высоту установки. В последнем случае флегму из дефлегматора 1 подают в колонну 2 насосом. Такое размещение дефлегматора часто применяют при установке ректификационных колонн вне зданий, что более экономично в условиях умеренного климата.

Барботажные (тарельчатые) колонны. (Рис 3). Эти аппараты в процессах ректификации наиболее широко распространены. Они применимы для больших производительностей, широкого диапазона изменения нагрузок по пару и жидкости могут обеспечить весьма четкое разделение смесей Недостаток барботажных аппаратов – относительное высокое гидравлическое сопротивление - в условия ректификации не имеет существенного значения. При ректификации повышение гидравлического сопротивления приводит лишь к некотором увеличению давления и соответственно повышению температуры кипения жидкости кипятильнике колонны. Однако тот же недостаток сохраняет свое значение для процессов ректификации под вакуумом.

Ситчатые тарелки. (Рис. 3) . Колонна с ситчатыми тарелками представляет собой вертикальный цилиндрический корпус с горизонтальными тарелками, в которых равномерно по всей поверхности просверлено значительное число отверстий диаметром 1-5 мм. Газ проходи сквозь отверстия тарелки и распределяется в жидкости в виде мелких струек и пузырьков. Ситчатые тарелки отличаются простотой устройства, легкостью монтажа, осмотра и ремонт. Гидравлическое сопротивление этих тарелок невелико. Ситчатые тарелки устойчиво работают довольно широком интервале скоростей газа, причем в определенном нагрузок по газу и жидкость эти тарелки обладают высокой эффективностью. Вместе с тем ситчатые тарелки чувствительны загрязнителям и осадкам, которые забивают отверстия тарелок.

Колпачковые тарелки .

Менее чувствительны к загрязнениям, чем ситчатые, и отличаются более высоким интервалом устойчивой работы колонны с колпачковыми тарелками. Газ на тарелку поступает по патрубкам, разбиваясь затем прорезями колпачка на большое число отдельных струй. Далее газ проходит через слой жидкости, перетекающей по тарелки от одного сливного устройства к другому.

Рис. 4. Схема работы колпачковой тарелки

При движении через слой значительная часть мелких струй распадается и газ распределяется в жидкости в виде пузырьков. Интенсивность образования пены непосредственно на колонне или ниже верха колонны для того, чтобы уменьшить общую высоту установки. В последнем случае флегму из дефлегматора 1 подают в колонну 2 насосом. Такое размещение дефлегматора часто применяют при установке ректификационных колонн вне зданий, что более экономично в условиях умеренного климата.

Барботажные (тарельчатые) колонны. (Рис 3). Эти аппараты в процессах ректификации наиболее широко распространены. Они применимы для больших производительностей, широкого диапазона изменения нагрузок по пару и жидкости и могут обеспечить весьма четкое разделение смесей. Недостаток барботажных аппаратов – относительно – высокое гидравлическое сопротивление - в условия, ректификации не имеет существенного значения. При ректификации повышение гидравлического сопротивления приводит лишь к некоторому, повышению температуры кипения жидкости в кипятильнике колонны. Однако тот же недостаток сохраняет свое значение для процессов ректификации под вакуумом.

В таких колоннах используют различные виды тарелок: ситчатые, колпачковые, провальные, клапанные, пластинчатые и др.

Ситчатые тарелки. (Рис. 3). Колонна с ситчатыми тарелками представляет собой вертикальный цилиндрический корпус с горизонтальными тарелками, в которых равномерно по всей поверхности просверлено значительное число отверстий диаметром 1-5 мм. Газ проходи сквозь отверстия тарелки и распределяется в жидкости в виде мелких струек и пузырьков ситчатые тарелки отличаются простотой устройства, легкостью монтажа, осмотра и ремонта. Гидравлическое сопротивление этих тарелок невелико. Ситчатые тарелки устойчиво работают в довольно широком интервале скоростей газа, причем в определенном нагрузок по газу и жидкости эти тарелки обладают высокой эффективностью. Вместе с тем ситчатые тарелки чувствительны к загрязнителям и осадкам, которые забивают отверстия тарелок.

Колпачковые тарелки. Менее чувствительны к загрязнениям, чем ситчатые, и отличаются более высоким интервалом устойчивой работы колонны с колпачковыми тарелками. Газ на тарелку поступает по патрубкам, разбиваясь затем прорезями колпачка на большое число отдельных струй. Далее газ проходит через слой жидкости, перетекающей по тарелке от одного сливного устройства к другому. При движении через слой значительная часть мелких струй распадается и газ распределяется в жидкости в виде пузырьков. Интенсивность образования пены и брызг на колпачковых тарелках зависит от скорости движения газа и глубины погружения колпачка в жидкость. Колпачковые тарелки изготовляют с радиальным или диаметральным переливами жидкости. Колпачковые тарелки устойчиво работают при значительных изменениях нагрузок по газу и жидкости. К их недостаткам следует отнести сложность устройства и высокую стоимость, низки предельные нагрузки ею газу, относительно высоко гидравлическое сопротивление, трудность очистки.

Клапанные тарелки. (рис. 5). Принцип действия клапанных тарелок состоят в том, что свободно лежащий что свободно лежащий над отверстием в тарелке круглый клапан с изменением расхода газа своим весом автоматически регулирует величину площади зазора между клапаном и плоскостью тарелки для прохода газа и тем самым поддерживает постоянной скорость газа при его истечении в барботажный слой.

Рас. 5. Клапанные тарелки.

а, б - с круглыми колпачками; в, с пластинчатым клапаном; г - балластная; 1 - клапан; 2 - кронштейн- ограничитель; 3 - балласт.

При этом с увеличением скорости газа в колонне гидравлическое сопротивление клапанной тарелки увеличивается незначительно. Высота подъема клапана ограничивается высотой кронштейна ограничителя и обычно не превышает 8 мм.

Достоинства клапанных тарелок: сравнительно высокая пропускная способность по газу и гидродинамическая устойчивость, постоянная высокая эффективность в широком интервале нагрузок по газу.

Насадочные колонны . В этих колоннах используются насадки различных типов, но в промышленности наиболее распространены колонны с насадкой из колец Рашига. Меньшее гидравлическое сопротивление насадочных колонн по сравнению с барботажными особенно важно при ректификации под вакуумом. Даже при значительном вакууме в верхней части колонны вследствие большого гидравлического сопротивления ее разрежение в кипятильнике может оказаться недостаточным для требуемого снижения температуры кипения исходной смеси.

Для уменьшения гидравлического сопротивления вакуумных колонн в них применяю насадки с возможно большим свободным объемом.

В самой ректификационной колонне не требуется отводить тепло. Поэтому трудность отвода тепла из насадочных колонн является скорее достоинством, чем недостатком насадочных колонн в условиях процесса ректификации.

Пленочные аппараты . Эти аппараты применяется для ректификации под вакуумом смесей обладающих малой термической стойкостью при нагревании (например, различные мономеры полимеры, а также другие продукты органического синтеза).

В ректификационных аппаратах пленочного типа достигается низкое гидравлического сопротивление. Кроме того, задержка жидкости в единице объема работающего аппарата мала. К числу пленочных ректификационных аппаратов относятся колонны с регулярной насадкой в виде пакетов вертикальных трубок диаметром 6-20 мм (многотрубчатые колонны), а также пакетов плоскопараллельной или сотовой насадки с каналами различной формы, изготовленной и перфорированных металлических листов или металлической сетки.

Недостатки роторных колонн: ограниченность их высоты и диаметра (из-за сложности изготовления и требований, предъявляемых к прочности и жесткости ротора), а также высоки эксплуатационные расходы.

3. Схема ректификационной установки

Принципиальная схема ректификационной установки

Описание ректификационной установки

Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рис. Исходная смесь из промежуточной емкости 9 центробежным насосом 10 подается в теплообменник 5, где подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну / на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси ХF .

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 2. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка Xw , т.е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состав ХР, которая получается в дефлегматоре 3 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Затем жидкость направляется в делитель флегмы 4. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 6, и направляется в сборник дистиллята 11 при помощи насоса 10.

Из кубовой части колонны насосом 10 непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в холодильнике остатка 7 и направляется в емкость 8. Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравномерный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят с высоким содержанием легколетучего компонента и кубовой остаток, обогащенный труднолетучим компонентом.

4. Расчет ректификационной колонны

4.1 Расчет материального баланса

Уравнения материального баланса ректификационной колонны непрерывного действия, учитывающее количество поступающих и уходящих потоков, имеет следующий вид:

G F = G D +G W (1)

где G F – количество поступающей на разделение смеси, кг/с;

G D – массовый расход дистиллята, кг/с;

G W – массовый расход кубового остатка, кг/с;

G F ∙Х F = G D ∙Х D +G W ∙Х W (2)

где Х D – концентрация низкокипящего компонента в дистилляте, массовые доли;

Х W – концентрация низкокипящего компонента в кубовом остатке, массовые доли;

Х F – концентрация низкокипящего компонента в исходной смеси, массовые доли.

Для того, чтобы найти массовый расход дистиллята Х D и массовый расход кубового остатка Х W подставим исходные данные в уравнение (1) и в уравнение (2). Затем решим эти уравнения совместно.

G D +G W = 10000

G D ∙ 0,995 + G W ∙ 0,3 = 10000 ∙ 0,9

G D ∙ 0,995 + (1000-G D ) ∙ 0,3 = 9000

0,695 ∙ G D = 9000 − 3000

0,695 ∙ G W = 6000

G D =8633 кг/ч

G D = 10000 − 8633 = 1367 кг/ч

Массовый расход дистиллята: G D = 8633 кг/ч

Массовый расход кубового остатка: G W =1367 кг/ч

Для дальнейших расчетов выразим концентрации питания, дистиллята и кубового остатка в мольных долях.

(3)

где Х F – концентрация низкокипящего компонента в питании, мольные доли;

М в – мольная масса низкокипящего компонента, кг/моль;

М укс – мольная масса высококипящего компонента, кг/моль;

М укс = 60 кг/кмоль;

М в = 18 кг/кмоль;

(4)

где Х D - концентрация низкокипящего компонента в дистилляте, мольные доли

(5)

где Х W - концентрация низкокипящего компонента в кубовом остатке, мольные доли.

Подставим в формулу(3), в формулу (4) и в формулу (5) исходные данные и найдем содержание уксусной кислоты в смеси (питании), в дистилляте и в кубовом остатке.

Х F =

Х D =

Х W =

Относительный мольный расход питания определяется по уравнению:

(6)

Для проведения дальнейших расчетов нам необходимо построить кривую равновесия в координатах
для системы этиловый спирт-вода при атмосферном давлении.

Здесь
- мольные доли воды в жидкости и в равновесном с ним паре.

РБ и РТ – давление насыщенного пара воды и уксусной кислоты соответственно П- общее давление

Все необходимые данные для построения кривой равновесия приведены в таблице 1.

Таблица 1. Равновесные составы жидкости и пара для системы Уксусная кислота - вода

По данным таблицы 1 построим кривую равновесия

Рис.2. Кривая равновесия в координатах для системы уксусная кислота – вода.

Минимальное число флегмы
определяется по уравнению:

(7)

где у F * - концентрация низкокипящего компонента в паре, равновесном с жидкостью питания.

У F *=0.977

Подставим в уравнение (7) все необходимые данные и найдем минимальное число флегмы R min

Рабочее число флегмы R определяется по уравнению:

Подставим числовое значение минимального числа флегмы R min в уравнение (8) и определим рабочее число флегмы R .

Коэффициент избытка флегмы равен:

Уравнения рабочих линий

А) в верхней (укрепляющей) части колонны

где R – флегмовое число

Б) в нижней (исчерпывающей) части колонны

Xw

где R – флегмовое число

F – относительный мольный расход питания

Определяем по соотношению:

+

Где Md и Mf -мольные массы дистилята и исходной смеси;

M верх и M н- средние мольные массы жидкости в верхней и нижней части колоны.

Мольные массы в верхней и нижних частях колоны соответственно равны:

Где X срн и X срв – средний мольный состав жидкости в нижней и верхней частях колонны.

M cp в = кг/кмоль

M cp н = кг/кмоль

Мольная масса исходной смеси:

M F = кг/кмоль

Мольная масса дистиллята:

M D = кг/кмоль

Подставив, получим:

кг/ч

+
кг/ч

Средние массовые потоки пара в верхней G в и G н частях колонны соответственно равны:

Здесь M ’ в и M ’ н – средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны:

M ’ верх = М в y срв + М укс (1-y срв)

M ’ н = М в y срн + М укс (1-y срн)

y срн и y срв – средний мольный состав пара в нижней и верхней частях колонны.

Значение y D , y F и y W получаем из уравнений рабочей линии. Тогда:

M ’ cp в = кг/кмоль

M ’ cp н = кг/кмоль

кг/ч

кг/ч

тарельчатый колонна ректификация дефлегматор

4.2 Определение скорости пара и диаметра колонны

По данным таблицы 1строим диаграмму t -x ,y .

Рисунок 2 Диаграмма t -x ,y для определения состава равновесия пара в зависимости от температуры

По диаграмме, представленной на рисунке 2, определяем средние температуры:

А) y cp в = 0.9397 t cp = 100.1 o C

Б) y cp н = 0.7346 t cp = 102.3 o C

Зная средние мольные, определяем массы и плотности пара:

M ’ cp в =
кг/кмоль

M ’ cp н =
кг/кмоль

M ’ в и M ’ н средние мольные массы пара в верхней и нижней части колонны соответственно;

ρ ув и ρ ун плотности пара в в верхней и нижней части колонны соответственно.

Температура в верхней части колонны при Х срв =0.9831 равна 100.01°С, а в нижней при X срн = 0.77795 равна 101.5°С. Отсюда t ср = 100.9755°С. Эти данные определены по диаграмме t -х,у, представленной на рисунке 2.

Плотность воды при t = 100 °С ρ в =958 кг/м 3 , а уксусной кислоты при ρ укс =958 кг/м 3 .

Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне:

Определяем скорость пара в колонне по уравнению:

Диаметр ректификационной колонны рассчитываем по формуле:

м

м

Берем диаметр колонны D = 3600 мм.

Тогда скорость пара в колонне будет равна:

м/с

4.3 Гидравлический расчет тарелок

Выбираем тарелку типа ТС - Р [приложение 2, стр. 118].

Принимаем следующие размеры ситчатой тарелки:

Диаметр отверстий d o = 4 мм

Высота сливной перегородки h П = 40 мм

Свободное сечение тарелки (суммарная площадь отверстий) 8% от общей площади тарелки.

Площадь, занимаемая двумя сегментными переливными стаканами, составляет 20% от общей площади тарелки.

Периметр слива П = 3.1 м.

Рассчитаем гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части и в нижней части колонны по уравнению:

где Δp сух - сопротивление сухой тарелки;

Δp б - сопротивление, вызываемое силами поверхностного натяжения;

Δp гж - сопротивление газожидкостного слоя на тарелке.

А) в верхней (укрепляющей) части колонны:

где
- коэффициент сопротивления неорошаемых ситчатых тарелок со свободным сечением 7-10%;

Скорость пара в отверстиях тарелки.

где - поверхностное натяжение жидкости при средней температуре в верхней части колонны 100 °С; d 0 = 0-004 м - диаметр отверстий тарелки.

где
отношение плотности парожидкостного слоя (пены) к плотности жидкости, принимаемое приближенно равным 0.5.

h пж - высота парожидкостного слоя (пены) вычисляется по формуле:

где Δh высота слоя над сливной перегородкой рассчитывается по формуле:

где объемный расход жидкости,

П - периметр сливной перегородки.

Объемный расход жидкости в верхней части колонны:

где М ср средняя мольная масса жидкости, кг/кмоль;

М D мольная масса дистиллята, кг/кмоль.

Ширину переливного порога находим, решая систему уравнений:

где R =1.8 м радиус тарелки; П=3.1 м - периметр сливной перегородки.

Найдем ширину переливного порога b :

Находим Δh:

Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части колонны:

Б) в нижней (исчерпывающей) части колонны:

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

где
поверхностное натяжение жидкости при =100°С.

Объемный расход жидкости в нижней части колонны, рассчитывается по формуле:

где М F мольная масса жидкости питания, кг/кмоль

М ср средняя мольная масса жидкости, кг/кмоль

Высота слоя над сливной перегородкой:

Высота парожидкостного слоя на тарелке:

Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в нижней части колонны:

Проверим, соблюдается ли при расстоянии между тарелками h = 0.5 м необходимое условие для нормальной работы тарелок:

>

Для тарелок нижней части, у которых общее гидравлическое сопротивление больше, чем у тарелок верхней части:

<

Следовательно, вышеуказанное условие соблюдается.

Проверим равномерность работы тарелок - рассчитаем минимальную скорость пара в отверстиях , достаточную для того, чтобы ситчатая тарелка работала всеми отверстиями:

Рассчитанная скоростьменьше рассчитанной ранее скорости
, следовательно, тарелка будет работать всеми отверстиями.

4.4 Определение числа тарелок и высоты колонны

Число тарелок рассчитывается по уравнению:

где η =средний К.П.Д. тарелок

Для определения среднего К.П.Д. тарелок находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов:

и коэффициент динамической вязкости исходной смеси ц при средней температуре в колонне, равной

При этой температуре давление насыщенного пара воды Рв = 867.88 мм.рт.ст., уксусной кислоты Рук = 474.15 мм.рт.ст, откуда

Динамический коэффициент вязкости воды при 101°С равен 0.2838 мПа*с, уксусной кислоты 0.4916 мПа*с. Принимаем динамический коэффициент вязкости исходной смеси

V , стр556].

По графику [Рис. 7.4, стр. 323] находим значение
.Длина пути жидкости на тарелке:

По графику [рис. 7.5, стр. 324] находим значение поправки на длину пути Δ=0.2375 Средний К.П.Д. тарелок находим по уравнению:

Число тарелок определяем аналитическим методом, используя табличный процессор Excel . Система уравнений позволяющая определить число тарелок, а также составы пара и жидкости, покидающих каждую из тарелок, включает в себя уравнение равновесия

где α коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов:

уравнения рабочих линий

для верхней части колонны

для нижней части колонны

выражение для коэффициента обогащения
.

Расчет состоит в последовательном определении в сечении колонны между тарелками составов пара и жидкости (y i , x i ).

Нижние индексы у составов пара и жидкости отвечают номеру сечения. Номер тарелки совпадает с номером расположенного под нею сечения.

Примем, что коэффициент летучести постоянен, коэффициент обогащения постоянен, куб-испаритель не обладает разделяющим действием, выходящий из него пар имеет тот же состав, что и кубовый остаток.

Блок схема расчета

Результат расчета

					нижняя часть
					нижняя часть
					нижняя часть
					нижняя часть
					нижняя часть
					нижняя часть
					нижняя часть
					нижняя часть
					нижняя часть
					нижняя часть
					нижняя часть
					нижняя часть
					нижняя часть
					нижняя часть
					верхняя часть
					верхняя часть
					верхняя часть
					верхняя часть
					верхняя часть
					верхняя часть
					верхняя часть
					верхняя часть
					верхняя часть
					верхняя часть
					верхняя часть
					верхняя часть
					верхняя часть
					верхняя часть
					верхняя часть Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе, находим по уравнению: Ректификация это процесс, который осуществляется в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами в виде тарелок. Процесс ректификации обладает рядом особенностей. Различное соотношение нагрузок по жидкости и пару в нижней и верхней части колонны. Совместное протекание процессов массо и теплопереноса. Всё это осложняет расчет тарельчатых ректификационных колонн. Большое разнообразие тарельчатых контактных устройств затрудняет выбор колонны. В данном случае мы выбираем колонну с тарелками типа ТС-Р, потому что она соответствует общим требованиям таким как: высокая интенсивность единицы объема аппарата, его стоимость. Диаметр и высота колонны определяются нагрузками по пару и жидкости и физическими свойствами взаимодействующих фаз. Список литературы 1. Дытнерский Ю.И. " Основные процессы и аппараты химической технологии. Курсовое проектирование" : расчет ректификационной колонны ; подробный тепловой расчет дефлегматора; ориентировочный расчет теплообменников. Перечень... данной курсовой работе мы произвели расчет ректификационной колонны для разделения смеси: ацетон- ... Расчет насадочной ректификационной колонны непрерывного действия по разделению смеси хлороформ-бензол Курсовая работа >> Химия Рекомендаций сводится к использованию для расчета ректификационных колонн кинетических зависимостей, полученных при... жидкости. 2. Расчет насадочной ректификационной колонны непрерывного действия 2.1 Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое... Расчет ректификационной установки для разделения бинарной смеси этиловый спирт-вода Курсовая работа >> Химия В данной курсовой работе проведен расчет ректификационной колонны непрерывного действия с ситчатыми тарелками для... Л., Химия, 1993 г. Г.Я. Рудов, Д.А. Баранов. Расчет тарельчато ректификационной колонны , методические указания. М., МГУИЭ, 1998 г. Каталог... Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол Курсовая работа >> Химия 2. Теоретические основы расчета тарельчатых ректификационных колонн Известно два основных метода анализа работы и расчета ректификационных колонн : графоаналитический...

ГОСТ 12011-76*

Группа Г47

МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ

КОЛОННЫ РЕКТИФИКАЦИОННЫЕ С КОЛПАЧКОВЫМИ ТАРЕЛКАМИ ИЗ МЕДИ

Типы, основные параметры и размеры

Rectifying column with copper cap trays. Types, main characteristics and dimensions

Дата введения 1977-07-01

Постановлением Государственного комитета стандартов Совета Министров СССР от 03.06.76* N 1873 дата введения установлена 01.07.77
_______________
* В издании ГОСТ 12011-76 (М.: Издательство стандартов, 1976) приведена следующая информация: "Постановлением Государственного комитета стандартов Совета Министров СССР от 3 августа 1976 г. N 1873 срок действия установлен с 01.07.1977 г. до 01.07.1982 г". - Примечание изготовителя базы данных.

Ограничение срока действия снято Постановлением Госстандарта СССР от 27.06.91 N 1125

ВЗАМЕН ГОСТ 12011-66

* ПЕРЕИЗДАНИЕ (декабрь 1998 г.) с Изменением N 1 , утвержденным в апреле 1982 г. (ИУС 7-82)

1. Настоящий стандарт распространяется на ректификационные колонны с колпачковыми тарелками из меди, предназначенные для разделения смесей жидких компонентов в пределах температур от 273 до 523 К (от 0 до 250 °С) и при условном давлении не более 0,07 МПа (0,7 кгс/см), применяемые в пищевой (спиртовой), лесохимической и других отраслях промышленности.

2. Колонны должны изготовляться следующих типов:

1 - с многоколпачковыми тарелками;

2 - с одноколпачковыми тарелками.

3. Основные параметры и размеры колонн должны соответствовать указанным на черт.1 и 2 и в табл.1 и 2.

Черт.1. Основные параметры и размеры колонн. Тип 1

Тип 1

1 - верхняя царга; 2 - тарелка; 3 - промежуточная царга; 4 - нижняя царга

Таблица 1

		Высота при числе тарелок в промежуточной царге
800; 900; 1000; 1200
1400; 1500; 1600; 1800; 2000

Пример условного обозначения колонны типа 1 диаметром 1000 мм, с 5 тарелками в промежуточной царге и расстоянием между тарелками 170 мм:

Колонна 1-1000-5-170 ТУ ...

Черт.2. Основные параметры и размеры колонн. Тип 2

Тип 2

1 - верхняя царга; 2 - промежуточная царга; 3 - тарелка; 4 - нижняя царга

Черт.2

Таблица 2

		Число тарелок в промежуточной царге

Пример условного обозначения колонны типа 2 диаметром 1000 мм, с 6 тарелками в промежуточной царге и расстоянием между тарелками 240 мм:

Колонна 2-1000-6-240 ТУ ...

(Измененная редакция, Изм. N 1).

Электронный текст документа
подготовлен АО "Кодекс" и сверен по:
официальное издание
М.: ИПК Издательство стандартов, 1999

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.

Размещено на http://www.allbest.ru/

2. Введение

4. Расчётная часть:

4.1 Материальный баланс

4.4 Гидравлический расчёт колонны

4.5 Тепловой расчёт установки

4.6 Определение диаметров штуцеров

5. Подбор стандартных деталей

5.1 Штуцера

5.2 Опора аппарата

5.3 Фланцы

6. Общие сведения о компонентах смеси и ТБ ведения процесса

Спецификация

1. Техническое задание по проектированию

Рассчитать и спроектировать ректификационную колонну с клапанными тарелками для разделения под атмосферным давлением, с расходом GF т/ч бинарной смеси S (этиловый спирт - декан) с концентрацией низкокипящего компонента % (масс). Исходная смесь поступает в колонну при температуре кипения. Требования к чистоте продуктов: % (масс), % (масс).

2. Введение

В ряде производств химической, нефтяной, пищевой и других отраслей промышленности в результате различных технологических процессов получают смеси жидкостей, которые необходимо разделить на составные части.

Для разделения смесей жидкостей и сжиженных газовых смесей в промышленности применяют способы простой перегонки (дистилляции), перегонки под вакуумом, ректификации, экстракции. Ректификацию широко используют в промышленности для полного разделения смесей летучих жидкостей, частично или целиком растворимых одна в другой.

Сущность процесса ректификации сводится к выделению одной или нескольких жидкостей в более или менее чистом виде из смеси двух или в общем случае нескольких жидкостей с различными температурами кипения. Это достигается нагреванием и испарением такой смеси с последующим многократным тепло- и массообменом между жидкой и паровой фазами; в результате часть легколетучего компонента переходит из жидкой фазы в паровую, а часть менее летучего компонента--из паровой фазы в жидкую.

Процесс ректификации осуществляют в ректификационной установке, включающей ректификационную колонну, дефлегматор, холодильник-конденсатор, подогреватель исходной смеси, сборники дистиллята и кубового остатка. Дефлегматор, холодильник-конденсатор и подогреватель представляют собой обычные теплообменники. Основным аппаратом установки является ректификационная колонна, в которой пары перегоняемой жидкости поднимаются снизу, а навстречу парам сверху стекает жидкость, подаваемая в верхнюю часть аппарата в виде флегмы. В большинстве случаев конечными продуктами являются дистиллят (сконденсированные в дефлегматоре пары легколетучего компонента, выходящие из верхней части колонны) и кубовый остаток (менее летучий компонент в жидком виде, вытекающий из нижней части колонны).

Дефлегматор обычно представляет собой кожухотрубчатый теплообменник. В ряде случаев в дефлегматоре происходит конденсация всех паров, вышедших из колонны. В концевом холодильнике дистиллят охлаждается до заданной температуры. Иногда в дефлегматоре конденсируется лишь часть паров для получения флегмы, а полная конденсация и охлаждение происходят в холодильнике.

Ректификационные установки снабжают также приборами для регулирования и контроля режима работы и нередко аппаратами для утилизации тепла.

Процесс ректификации может протекать при атмосферном давлении, а также при давлениях выше и ниже атмосферного. Под вакуумом ректификацию проводят, когда разделению подлежат высококипящие жидкие смеси. Повышенные давления применяют для разделения смесей, находящихся в газообразном состоянии при более низком давлении. Степень разделения смеси жидкостей на составляющие компоненты и чистота получаемых дистиллята и кубового остатка зависят от того, насколько развита поверхность фазового контакта, а следовательно, от количества орошающей жидкости (флегмы) и устройства ректификационной колонны.

В промышленности применяют насадочные, колпачковые, ситчатые, клапанные пленочные трубчатые колонны и другие. Они различаются в основном конструкцией внутреннего устройства аппарата, назначение которого -- обеспечение взаимодействия жидкости и пара. Это взаимодействие происходит при барботировании пара через слой жидкости на тарелках, либо при поверхностном контакте пара и жидкости на насадке или поверхности жидкости, стекающей тонкой пленкой.

Насадочные колонны широко распространены. Преимуществом их являются простота устройства и невысокая стоимость. Другое существенное преимущество насадочных колонн - низкое гидравлическое сопротивление. Насадочные колонны малопригодны для работы при низкой плотности орошения, для них характерны ограниченные интервалы нагрузок по пару и жидкости. Для стабильной работы насадочной колонны необходимо обеспечить равномерное распределение жидкости по сечению, с помощью оросителей. Кроме того, в насадочных колоннах затруднен отвод тепла из слоя насадки.

Тарельчатые колонны нашли не менее широкое применение в промышленности. Это массообменные вертикальные колонные аппараты, секционированные по высоте поперечными контактными массообменными устройствами (тарелками). Восходящий поток пара последовательно барботирует через слои жидкости на тарелках. В барботажном режиме работают ситчатые, колпачковые, клапанные, а также провальные тарелки. Для тарелок первых трех типов барботаж газа и движение жидкости происходят в условиях перекрестного тока благодаря равномерно распределенным на полотне тарелок их элементам (отверстиям, колпачкам, клапанам) и наличию переливных устройств. На провальных тарелках реализуется противоточный контакт фаз. Для тарельчатых колонн характерны высокая четкость разделения исходной смеси, широкий диапазон нагрузок по пару и жидкости, высокая производительность. Недостатками данных колонн являются: высокая стоимость вследствие сложности устройства, а также повышенное гидравлическое сопротивление.

Ситчатые тарелки имеют большое занятое отверстиями сечение тарелки, а следовательно, и высокую производительность по пару, для них характерны простота изготовления, малая металлоемкость. Недостаток -- высокая чувствительность к точности установки. Аппараты с ситчатыми тарелками не рекомендуется использовать для работы на загрязненных средах, это может вызвать забивание отверстий.

Колпачковые тарелки показывают неплохую массообменную эффективность, имеют значительный интервал нагрузок по пару. Пары с предыдущей тарелки попадают в паровые патрубки колпачков и барботируют через слой жидкости, в которую частично погружены колпачки. Колпачки имеют отверстия или зубчатые прорези, расчленяющие пар на мелкие струйки для увеличения поверхности соприкосновения его с жидкостью. Ограниченность их применения заключается в дороговизне по причине повышенной металлоемкости. Кроме того, колпачковые тарелки обладают повышенным гидравлическим сопротивлением, склонны к забивке.

Клапанные тарелки показывают высокую эффективность при значительных интервалах нагрузок благодаря возможности саморегулирования. В зависимости от нагрузки клапан перемещается вертикально, изменяя площадь живого сечения для прохода пара, причем максимальное сечение определяется высотой устройства, ограничивающего подъем. Клапаны изготовляют в виде пластин круглого или прямоугольного сечения с верхним или нижним ограничителем подъема. Недостатком клапанных тарелок является высокое гидравлическое сопротивление.

Провальные тарелки наиболее просты по конструкции, обладают низким гидравлическим сопротивлением. Характеризуются отсутствием переливных устройств. Но данный вид тарелок имеет низкую массообменную эффективность, узкий интервал нагрузок по пару и жидкости.

Трубчатые пленочные ректификационные колонны состоят из пучка вертикальных труб, по внутренней поверхности которых тонкой пленкой стекает жидкость, взаимодействуя с поднимающимся по трубам паром. Диаметр применяемых трубок - 5-20 мм. Эффект работы пленочного аппарата возрастает с уменьшением диаметра трубок. Трубчатые колонны характеризуются простотой изготовления, высокими коэффициентами массопередачи и весьма малыми гидравлическими сопротивлениями движению пара. Многотрубные и длиннотрубные колонны с искусственным орошением имеют значительно меньшие габаритные размеры и массу, чем тарельчатые.

Все ректификационные установки, независимо от типа и конструкции колонн, классифицируют на установки периодического и непрерывного действия.

В ректификационных установках периодического действия начальную смесь заливают в перегонный куб, где поддерживается непрерывное кипение с образованием паров. Пар поступает в колонну, орошаемую частью дистиллята. Другая часть дистиллята из дефлегматора или концевого холодильника, охлажденная до определенной температуры, поступает в сборник готового продукта. В колоннах периодического действия ректификацию проводят до тех пор, пока жидкость в кубе не достигает заданного состава. Затем обогрев куба прекращают, остаток сливают в сборник, а в куб вновь загружают на перегонку начальную смесь. Установки периодической ректификации успешно применяют для разделения небольших количеств смесей. Большим недостатком ректификационных установок периодического действия является ухудшение качества готового продукта (дистиллята) по мере протекания процесса, а также потери тепла при периодической разгрузке и загрузке куба. Эти недостатки устраняются при непрерывной ректификации.

Колонны непрерывного действия состоят из нижней (исчерпывающей) части, в которой происходит удаление легколетучего компонента из стекающей вниз жидкости, и верхней (укрепляющей) части, назначение которой--обогащение поднимающихся паров легколетучего компонента. Схема установки непрерывной ректификации отличается от периодической тем, что питание колонны начальной смесью определенного состава происходит непрерывно с постоянной скоростью; готовый продукт постоянного качества также непрерывно отводится.

Целью проектного расчета ректификационной колонны для разделения бинарной смеси этиловый спирт-декан является определение диаметра колонны, числа контактных устройств в укрепляющей и исчерпывающей частях колонны, высоты колонны, гидравлического сопротивления тарелки и колонны в целом при заданных составах исходной смеси, расхода исходной смеси и давления в колонне.

3. Схема ректификационной установки

1- корпус колонны;

2- тарелка;

3- тарелка питания;

4- подогреватель питания;

5- кипятильник;

6- дефлегматор;

7- конденсатор (холодильник);

8- гидравлический затвор;

GF , GV , G R , G D, GW ,- мольные расходы питания, паров выходящих с верху колонны, флегмы, дистиллята и остатка.

XF , XD , XW - мольные доли НК в питании, дистилляте и остатке. [ 12, с. 279 ]

4. Расчетная часть

4.1 Материальный баланс

Пусть GD и GW - массовые расходы

дистиллята и кубового остатка, кг/час

Уравнение материального баланса:

GD+ GW = GF - по потокам;

GD D+ GW w = GF F - по НК.

GF =9 т/ч=9000 кг/ч

Из системы уравнений материального баланса определяем:

GW= 4348кг/ч; GD = 4652 кг/ч.

Сделаем перерасчет концентраций из массовых долей в мольные:

М(С2Н6О)НК = 46,07кг/кмоль, [ 2, c.541 ]

М(С10Н22)ВК = 142,29кг/кмоль, [ 7, с.637 ]

Питание:

XF = =

Дистиллят:

XD = =

Кубовый остаток:

XW = =

Таблица 1

Находим по диаграмме состав-состав (x-y) , которую мы построили по данным о фазовом равновесии разделяемой бинарной системы:

0,964? мольная доля НК в паре, равновесном с жидкостью питания.

Вычисляем минимальное флегмовое число:

Rmin = (0,980-0,964) / (0,964-0,735) =0,016/0,23=0,0696

Рабочее флегмовое число:

R= 1,3·Rmin + 0,3;

R= 1,3·0,0696 + 0,3 = 0,390

Определяем число питания:

F= (0,980-0,114) / (0,735-0,114) = 1,39

Составим уравнения рабочих линий:

а) для верхней (укрепляющей) части колонны:

y=0,281x + 0,705

б) для нижней (исчерпывающей) части колонны:

y=1,28х - 0,032

4.2 Определение скорости пара и диаметра колонны

Средние концентрации жидкости:

а) верх колонны

б) Низ колонны:

Средние концентрации пара (по уравнениям рабочих линий):

а) верх колонны

б) Низ колонны:

Находим средние температуры пара и по диаграмме температура-состав, состав (t-x,y, которую мы строим по равновесным данным :

86 0С; = 146 0С.

Средние мольные массы пара:

а) верх колонны

0,945·46,07+(1-0,945)·142,29=51,362кг/кмоль

б) низ колонны:

0,53·46,07+(1-0,53)·142,29=91,3 кг/кмоль

Определяем средние плотности пара:

Средняя плотность пара в колонне:

Находим температуры флегмы и кубовой жидкости по диаграмме t-x,y при XD и XW:

79 0С; 88,50С.

а) плотность жидкого НК при 790С; =736,43 кг/м3;

б) плотность жидкого ВК при 88,50С; =667,6 кг/м3

Средняя плотность жидкости в колонне:

702,0кг/м3;

Максимально допустимую скорость пара по колонне можно определить по формуле : .

Коэффициент Сmax вычисляем по формуле :

Сmax = где:

Н- межтарельчатое расстояние = 0,3-0,4 м, принимаем Н=0,4 м;

q- линейная плотность орошения, то есть отношение объемного расхода жидкости к периметру слива П (длине сливной планки) ; q=q0= 10 - 25 м2/ч, принимаем q=10 м2/ч;

k1=1,15, k2=1 при атмосферном и повышенном давлениях, k3=0,34·10-3.

Сmax ==0,0812

0,0812=1,436м/с.

Определяем мольную массу дистиллята:

0,980·46,07+(1-0,980)·142,29=47,9 кг/кмоль.

Средняя температура пара в колонне:

Объемный расход пара в колонне:

Вычисляем диаметр колонны:

Выбираем ближайший больший диаметр колонны D=1000 мм

Тогда фактическая скорость:

Определяем периметр слива П:

П= (0,7?0,75) D . Принимаем П=0,72 D =0,72м;

b= D /2

и коэффициент динамической вязкости жидкой смеси µ при средней температуре в колонне:

=(0,857+0,411)/2=0,634;

0,634·lg 0,394 + 0,366·lg 0,420= - 0,394 ; .

Определяем произведение:

Находим по рис. 7.4. средний КПД тарелок

Длина пути жидкости на тарелке м.

По рис. 7.5. находим поправку на длину пути, так как <0,9 м, то =0

Вычисляем число действительных тарелок в верхней и нижней частях колонны:

5,56, принимаем 6 ;

5,56, принимаем 6.

Общее число тарелок в колонне:

С запасом 15%-20% =1,15·12=13,8 ;

Принимаем n = 14 тарелок.

Высота тарельчатой части колонны:

=(14-1)·0,4=5,2 м.

Порядковый номер действительной тарелки питания:

1,15 6=6,9; принимаем 7.

1,15 6=6,9; принимаем 7. Номер тарелки питания n=7.

4.4 Гидравлический расчет колонны

4.4.1 Гидравлическое сопротивление тарелки равно сумме потерь напора на сухой тарелке и в слое жидкости:

а) верхняя часть колонны:

Потеря напора на неорошаемой тарелке

Коэффициент сопротивления; для клапанной тарелки при полностью открытом клапане =3,63;

скорость пара в отверстии, м/с;

где доля свободного сечения тарелки,

1,744 кг/м3 ? средняя плотность пара в верхней части колонны.

Потеря напора в слое жидкости:

высота сливной планки, м; ориентировочно принимаем 50-70 мм;

подпор жидкости над сливной планкой;

Средняя плотность жидкости;

Объемный расход жидкости в верхней части колонны, м3/ч.

P=702,0·9,81(0,05+0,008)=399,4 Па.

Определяем сопротивление орошаемой тарелки:

652,1+399,4=1052Па

б) нижняя часть колонны:

Сопротивление сухой тарелки:

Средняя плотность пара в нижней части колонны.

Средняя мольная масса жидкости в нижней части колонны:

0,411·46,07+(1-0,411)·142,29=102,7 кг/кмоль.

0,735·46,07+(1-0,735)·142,27=71,6 кг/кмоль.

Объемный расход жидкости в нижней части колонны:

Подпор жидкости над сливной планкой:

Сопротивление слоя жидкости на тарелке:

702,0·9,81·(0,05+0,031)=557,8 Па.

Сопротивление орошаемой тарелки:

951,6+557,8=1509,4 Па.

Суммарное сопротивление всех тарелок:

6·1052+6·1509,4=15368,5 Па.

4.4.2 Проверка работоспособности тарелок

Она проводится по величине межтарельчатого уноса жидкости или по пропускной способности переливного устройства.

Тарелка работает устойчиво при:

Высота слоя вспененной жидкости в переливном кармане, м;

y - вылет ниспадающей струи, м;

b - максимальная ширина переливного кармана (стрелка сегмента);

Высота слоя невспененной жидкости в сливном устройстве, м;

Относительная плотность вспененной жидкости;

для слабо и средневспенивающихся жидкостей,

принимаем: .

Высота слоя светлой жидкости:

Сопротивление тарелки,

Градиент уровня жидкости на тарелке, м.

Для клапанных тарелок можно принять =0,005-0,010 м .

Сопротивление движению жидкости в перетоке

Скорость жидкости в минимальном сечении переливного кармана .

колонна смесь разделение штуцер

для средне- и слабопенящихся жидкостей, принимаем: .

скорость всплывания пузырей грибообразной формы.

средний коэффициент поверхностного натяжения жидкости при средней температуре в колонне:

(79+88,5)/2=83,75 0C.

Коэффициент поверхностного натяжения: при температуре в колонне tср=83,75 0С (нк) =16,05·10-3 H/м ;

(вк)=17,16 ·10-3 H/м,

Тогда =0,448·16,05·10-3+(1-0,448)·17,16·10-3=0,0167 H/м.

Скорость всплывания пузырей грибообразной формы:

Скорость жидкости в минимальном сечении переливного кармана:

Сопротивление движению жидкости в перетоке:

1,6·702,0·0,1162=15,1 Па.

Высота слоя светлой жидкости:

Вылет струи

Условие /В/ выполняется:

0,446 < 0,40+0,05 ;

Условие /С/ выполняется:

0,054 < 0,153

Рабочая скорость пара в отверстии тарелки не должна быть меньше минимальной скорости пара в отверстии тарелки, обеспечивающей беспровальную работу клапанной тарелки :

14,36 > 3,371;

>?условие выполняется.

4.5 Тепловой расчет установки

4.5.1 Расход тепла, отдаваемого парами воде при конденсации в дефлегматоре:

теплота конденсации паров Дж/кг;

4.5.2 Расход тепла, получаемого кубовой жидкостью от греющего пара в кипятильнике:

При 79 0С;

При 88,5 0С;

При 80,1 0С.

Все значения теплоемкостей находим из справочников:

При 79 0С: C =3226,3

C =2424,3 [ 8,с.281]

0,93·3226,3+(1- 0,93)·2424,3=3170 .

При 88,5 0С: C =3435,8

C =2501,1 [ 8, с.281]

0,04·3435,8+(1 - 0,04)·2501,1 = 2538,5 .

При 80,10С: C =3268,2

C = 2428,1 ,

1,03·= 1524802

4.5.3 Расход тепла в паровом подогревателе питания

При 0С: = 2891,1

2290,3

0,50·2891,1+(1 - 0,50)·2290,3=2590,7 .

4.5.4 Расход тепла, отдаваемого дистиллятом воде в холодильнике

При 0С: = 2933

2306,3 .

0,93·2933+(1 - 0,93)·2306,3 =2889.

4.5.5 Расход тепла, принимаемого водой от кубового остатка в холодильнике

При 0С: =3008,42

2339 .

0,04·3008,42+(1 - 0,04)·2339 =2365,8

4.5.6 Расход греющего пара с давлением =4 ат и степенью сухости x=95%

а) в кипятильнике:

удельная массовая теплота конденсации греющего пара при давлении 4 ат.,

б) в подогревателе питания:

Всего пара 0,96 кг/с или 3,447 т/ч.

Расход охлаждающей воды при нагреве ее на 20 0С

а) в дефлегматоре:

Теплоемкость воды при 20 0С

б) в холодильнике дистиллята:

в) в холодильнике кубового остатка:

Всего воды 21,936 кг/с или 78,97 т/ч.

4.6 Определение диаметра штуцеров

Присоединение трубной арматуры к аппарату, а так же технологических трубопроводов для подвода и отвода различных жидких и газообразных продуктов производится с помощью штуцеров или водных труб которые могут быть разъемными и неразъемными. По условиям ремонтоспособности чаще применяются различные соединения (фланцевые штуцера).

Стальные фланцевые штуцера стандартизованы и представляют собой патрубки из труб приваренными к ним фланцами или кованые заодно с фланцами. В зависимости от толщины стенок патрубки штуцеров бывают тонкостенные и толстостенные что вызывается необходимостью укрепления отверстия в стенке аппарата патрубком с разной толщиной его стенки.

Диаметры штуцеров определим по объемному расходу жидкости Q или пара и по их рекомендуемой скорости w .

Питание подается в колонну насосом (вынужденное движение:), принимаем 1,5 м/с. Флегма, кубовая жидкость и кубовый остаток текут самотеком (), принимаем 0,3 м/с. Для паров, принимаем 30 м/с.

4.6.1 Диаметр штуцера для ввода в колонну питания:

При температуре питания =80,1 0С находим по справочникам

Плотность питания:

0,00138 м?/кг

720,693 кг/м?.

Объемный расход питания:

м/ с - скорость жидкости при нагнетании.

d = = = 0,0513 м или d=51,3 мм

4.6.2Диаметр штуцера для подачи флегмы

Массовый расход флегмы

Определяем плотность НК при температуре верха 79 0С: .

Объемный расход флегмы:

0,00068 м?/с

м/ с - скорость течения флегмы (самотек).

Диаметр штуцера:

d = = = 0,049 м или d=49мм

Выбираем стандартный диаметр штуцера по таблице 10.2

4.6.3 Диаметр штуцера для вывода паров из колонны

Массовый расход паров:

Плотность паров:

1,595 кг/м?

Объемный расход паров:

1,126 м?/с

Диаметр штуцера:

d = = = 0,1994 м или d=199,4мм

Выбираем стандартный диаметр штуцера по таблице 10.2

4.6.4 Диаметр штуцера для вывода кубовой жидкости из колонны

В первом приближении мольные расходы пара и жидкости не изменяются по высоте колонны (кроме тарелки питания, т.к. на нее поступает исходная смесь), поскольку при конденсации одного моля ВК из пара испаряется один моль НК из жидкости. Если мольные массы НК и ВК близки, то по высоте колонны не изменяются и массовые расходы. В противном случае массовый расход жидкости на тарелке питания может сильно отличаться от расхода кубовой жидкости.

Средняя мольная масса питания:

= + (1-) = 0,735 46,07+ (1-0,735) 142,29=71,664 кг/кмоль

Мольный расход питания:

0,035 кмоль/с

Мольный расход флегмы:

0,0109кмоль/с

Мольный расход кубовой жидкости:

0,035+0,0109=0,0459 кмоль/с

Массовый расход кубовой жидкости:

0,0459 142,29 = 6,531 кг/с Плотность кубовой жидкости примерно равна при:

88,50С .

Объемный расход кубовой жидкости:

0,0098 м?/с

м/ с - кубовая жидкость течет самотеком.

Диаметр штуцера:

d = = = 0,198 м или d=198 мм

Выбираем стандартный диаметр штуцера по таблице 10.2

4.6.5 Диаметр штуцера для выхода кубового остатка

Объемный расход кубового остатка:

94,80С .

0,0018 м?/с

Диаметр штуцера:

d = = = 0,085 м или d=85 мм

Выбираем стандартный диаметр штуцера по таблице 10.2

4.6.6 Диаметр штуцера для ввода парожидкостной смеси в куб колонны

Массовый расход парожидкостной смеси

6,531- = 5,323кг/с

Плотность паров:

Абсолютное давление в кубе колонны

Барометрические давление;

Р -суммарное гидравлическое сопротивление всех тарелок; ?Р =15368,5 Па;

Нормальное давление, = 1 атм;

101325 + 15368,5 = 116693,5 Па.

5,525 кг/м?

Считаем, что в пределе в кипятильнике испаряется вся жидкая фаза.

Объемный расход парожидкостной смеси (в пределе):

0,963м?/с

Диаметр штуцера:

d = = = 0,202 м или d=202 мм

Выбираем стандартный диаметр штуцера по таблице 10.2

4.6.7 Диаметр штуцера для подогревателя питания

Плотность пара при абсолютном давлении 4атм. = 2,12 кг/м?.

Объемный расход пара:

0,098 м?/с

40 м/с - скорость движения пара.

Диаметр штуцера:

d = = = 0,056 м или d=56 мм

Выбираем стандартный диаметр штуцера по таблице 10.2

4.6.8 Диаметр штуцера для кипятильника

Объемный расход пара:

0,354 м?/с

Диаметр штуцера:

d = = = 0,106м или d=106 мм

Выбираем стандартный диаметр штуцера по таблице 10.2

4.6.9 Диаметр штуцера для дефлегматора

Плотность воды принимаем = 1000кг/м?

Объемный расход воды:

Диаметр штуцера:

d = = = 0,121м или d=121 мм

Выбираем стандартный диаметр штуцера по таблице 10.2

4.6.10 Диаметр штуцера для холодильника дистиллята

0,002406 м?/с

Диаметр штуцера:

d = = = 0,045м или d=45мм

Выбираем стандартный диаметр штуцера по таблице 10.2

4.6.11 Диаметр штуцера для холодильника кубового остатка

0,00217 м?/с

Диаметр штуцера:

d = = = 0,043м или d=43мм

Выбираем стандартный диаметр штуцера по таблице 10.2

5. Подбор стандартных деталей

5.1 Штуцера

Присоединение трубной арматуры к аппарату, а также технологических трубопроводов для подвода и отвода различных жидких или газообразных продуктов производится с помощью штуцеров или вводных труб, которые могут быть разъемными и неразъемными. По условиям ремонтоспособности чаще применяются разъемные соединения (фланцевые штуцера).

Стальные фланцевые штуцера стандартизованы и представляют собой патрубки из труб с приваренными к ним фланцами или кованые заодно с фланцами. В зависимости от толщины стенок патрубки штуцеров бывают тонкостенные и толстостенные, что вызывается необходимостью укрепления отверстия в стенке аппарата патрубком с разной толщиной его стенки.

Конструкция стандартных стальных приварных фланцевых штуцеров: с приварным плоским фланцем и тонкостенным патрубком

Основные размеры патрубков, стандартных стальных фланцевых, тонкостенных штуцеров при.

Наименование
Ввод питания
Вход флегмы
Вывод паров из колонны
Вывод кубовой жидкости
Выход кубового остатка
Вход пара в кипятильник
Вход воды в дефлегматор

5.2 Опора аппарата

Установка химических аппаратов на фундаменты или специально несущие конструкции осуществляется большей частью с помощью опор. Непосредственно на фундаменты устанавливают лишь аппараты с плоским днищем.

В зависимости от рабочего положения аппарата различают опоры для вертикальных аппаратов и опоры для горизонтальных аппаратов. Вертикальные аппараты обычно устанавливают или на стойках, когда их размещают внизу в помещении, или на подвесных лапах, когда аппарат размещают между перекрытиями в помещении или на специальных стальных конструкциях.

Конструкция стандартных цилиндрических опор для стальных сварных колонных аппаратов с наружными стойками под болты.

По диаметру выбираем опору.

Основные размеры цилиндрических опор для колонных аппаратов

5.3 Фланцы

В химических аппаратах для разъемного соединения стальных корпусов и отдельных частей применяются фланцевые соединения преимущественно круглой формы. На фланцах присоединяются к аппаратам трубы, арматуры и т.д. Фланцевые соединения должны быть прочными, жесткими, герметичными, доступными для сборки, разборки и ремонта. Фланцевые соединения стандартизованы для труб и трубной арматуры и отдельно для аппаратов.

Конструкция стандартных стальных плоских приварных фланцев для труб и трубной арматуры

Конструкция стандартных стальных плоских приварных фланцев аппаратов с гладкой уплотнительной поверхностью

Фланцы для труб и трубной арматуры стальные плоские приварные с соединительным выступом при.

Наименование
Ввод питания
Вход флегмы
Вывод паров из колонны
Вывод кубовой жидкости
Выход кубового остатка
Ввод парожидкостной смеси в куб колонны
Вход пара в подогреватель питания
Вход пара в кипятильник
Вход воды в дефлегматор
Вход воды в холодильник дистиллята
Вход воды в холодильник кубового остатка

Фланцы для аппаратов стальные плоские приварные при.

Днище является одним из основных элементов химических аппаратов. Цилиндрические цельносварные корпусы как горизонтальных, так и вертикальных аппаратов с обеих сторон ограничиваются днищами. Формы днищ бывают эллиптические, полушаровые, в виде сферического сегмента, конические и цилиндрические. Наиболее распространенной формой является эллиптическая. Они изготавливаются горячей штамповкой из плоских круглых заготовок, состоящих из одной или нескольких частей, сваренных между собой.

Конструкция эллиптического отбортованного днища (рис.7.1,а)

Диаметр аппарата D=1000 мм.

Размеры эллиптических отбортованных днищ с внутренним базовым диаметром

6. Техника безопасности и общие сведения о компонентах смеси

Оборудование производственное. Общие требования безопасности.

1. Материалы конструкции производственного оборудования не должны оказывать опасное и вредное воздействие на организм человека на всех заданных режимах работы и предусмотренных условиях эксплуатации, а также создавать пожаровзрывоопасные ситуации.

2. Конструкция производственного оборудования должна исключать на всех предусмотренных режимах работы нагрузки на детали и сборочные единицы, способные вызвать разрушения, представляющие опасность для работающих.

3. Конструкция производственного оборудования и его отдельных частей должна исключать возможность их падения, опрокидывания и самопроизвольного смещения.

4. Части производственного оборудования (в том числе трубопроводы гидро-, паро-, пневмосистем, предохранительные клапаны, кабели и др.), механическое повреждение которых может вызвать возникновение опасности, должны быть защищены ограждениями или расположены так, чтобы предотвратить их случайное повреждение работающими или средствами технического обслуживания.

5. Производственное оборудование должно быть пожаровзрывобезопасным в предусмотренных условиях эксплуатации.

6. Конструкция производственного оборудования, приводимого в действие электрической энергией, должна включать устройства (средства) для обеспечения электробезопасности: ограждение, заземление, зануление, изоляция токоведущих частей.

7. Конструкция производственного оборудования должна исключать опасность, вызываемую разбрызгиванием горячих обрабатываемых и (или) используемых при эксплуатации материалов и веществ.

8. Система управления должна обеспечивать надежное и безопасное ее функционирование на всех предусмотренных режимах работы производственного оборудования и при всех внешних воздействиях, предусмотренных условиями эксплуатации. Система управления должна исключать создание опасных ситуаций из-за нарушения работающим (работающими) последовательности управляющих действий.

При эксплуатации ректификационной колонны необходимо соблюдать следующие правила техники безопасности:

1. Ректификационная колонна перед пуском должна быть осмотрена, подвергнута испытанию на прочность давлением; проверена исправность и готовность к работе всех связанных с ней аппаратов и трубопроводов, исправность контрольно-измерительных приборов, регуляторов температуры и давления в колонне, измерителей уровня жидкости в нижней части колонны, приемниках ректификата, емкостях остатка.

2. Пуск ректификационной установки в работу должен производиться строго в установленной последовательности, которая должна быть указана в технологической инструкции.

3. При работе ректификационных колонн необходимо непрерывно контролировать параметры процесса и исправность аппаратуры.

4. В зимнее время на открытых установках не реже одного раза в смену необходимо проверять состояние колонн, продуктопроводов, водяных линий, дренажных отростков на паропроводах и аппаратах, спускных линий и т.п. В этот период следует обеспечить непрерывное движение жидкости в коммуникациях (особенно с водой) для предотвращения их разрыва. Спускные и дренажные линии, а также наиболее опасные участки для подачи воды, щелочи и других замерзающих жидкостей должны быть утеплены.

5. Необходимо следить за тем, чтобы поврежденные участки теплоизоляции ректификационных колонн и их опор своевременно исправлялись. Теплоизоляция должна быть чистой, исправной и выполнена так, чтобы при утечках не могли образоваться скрытые потоки жидкости по корпусу.

6. При обнаружении утечек в ректификационных колоннах, теплообменниках и других аппаратах необходимо подать водяной пар или азот к местам пропуска для предотвращения возможного воспламенения или образования смесей взрывоопасных концентраций.

8. В цехах и на открытых ректификационных и абсорбционных установках необходимо проверять наличие первичных средств пожаротушения и исправность имеющихся стационарных или полустационарных систем пожаротушения.

Компоненты исходной смеси.

Декан - бесцветная легковоспламеняющаяся жидкость со слабым бензиновым запахом. Декан нерастворим в воде, ограниченно растворим в этаноле, хорошо растворим в неполярных растворителях. Температура вспышки 47?С, температура самовоспламенения 208?С.

Декан относится к классу предельных углеводородов. Химически наиболее инертны среди органических соединений, предельные углеводороды являются в то же время сильнейшими наркотиками. Практически действие предельных углеводородов ослабляется ничтожной растворимостью их в воде и крови, вследствие чего необходимы высокие концентрации в воздухе, чтобы создались опасные концентрации в крови. Токсическое действие: обладает наркотическим действием ввиду высокой липофильности.

ПДК паров декана в воздухе рабочей зоны составляет 300мг/м?. В условиях острого воздействия могут наблюдаться оглушение, головная боль, тошнота, рвота, замедление пульса. При отравлении необходимо вызвать

скорую медицинскую помощь. Пострадавшего вывести из зоны заражения на свежий воздух, обеспечить покой.

Индивидуальна защита. При невысоких концентрациях пригоден

фильтрующий промышленный противогаз марки А. При очень высоких концентрациях - изолирующие шланговые противогазы с принудительной подачей воздуха. При длительном контакте - защита кожи: перчатки,

фартуки с непроницаемым покрытием, для защиты глаз необходимо использовать маски. Меры предупреждения. Герметизация аппаратуры и коммуникаций, надлежащая вентиляция помещений. Обязательны медицинские осмотры работников раз в 12 месяцев при работах, связанных с выделением декана и других предельных углеводородов.

Этиловый спирт (этанол, метилкарбинол) - легковоспламеняющаяся, бесцветная жидкость с характерным запахом, смешивается в любых соотношениях с водой и многими органическими растворителями. Температура вспышки 13?С, температура воспламенения 365?С.

Этанол применяется для синтеза многих органических соединений, для получения СК по методу Лебедева, в спирто-водочной и пивоваренной промышленности, в качестве растворителя лаков, для экстрагирования т.д.

ПДК паров этилового спирта в воздухе рабочей зоны составляют 1000 мг/м?. Общий характер действия: наркотик, вызывающий сначала возбуждение, а затем паралич центральной нервной системы. В организме человека этанол превращается в ацетальдегид и уксусную кислоту, которые приводят к токсическому поражению всех органов и тканей. При длительном воздействии больших доз может вызвать тяжелые органические заболевания нервной системы, печени, сердечно - сосудистой системы, пищеварительного тракта. . Острое отравление парами этилового спирта на производстве (без приема внутрь) практически маловероятно, даже считая, что весь вдыхаемый спирт остается в организме. Случаи хронического отравления парами этилового спирта неизвестны.

Этанол в чистом виде вызывает у работающих сухость кожи, изредка образование трещин.

Признаки отравления: эмоциональная неустойчивость, нарушенная координация движений, покрасневшая кожа лица, тошнота и рвота, угнетение дыхательных функций и нарушение сознания (в тяжелых случаях).

В случае отравления этиловым спиртом необходимо вызвать бригаду скорой медицинской помощи. Если пострадавший находится в сознании, но у него наблюдаются выраженная слабость, заторможенность, сонливость, то до приезда врача можно дать ему понюхать ватку, смоченную нашатырным спиртом, и промыть желудок. Для промывания желудка нужно выпить 1--1,5 л воды с добавлением пищевой соды (1 ч. л. соды на 1 л воды), после чего следует вызвать рвотный рефлекс. Можно повторить процедуру несколько раз. Затем пострадавшего нужно согреть, так как алкоголь приводит к расширению поверхностных сосудов кожи, а это способствует быстрому охлаждению организма. Рекомендуется дать ему выпить крепкий чай или кофе. При наличии таблетированного активированного угля можно дать пострадавшему до 20 таблеток.

Индивидуальная защита. Тщательная защита органов дыхания. Использование фильтрующего промышленного противогаза марки А. Защита кожи (спецодежда, защитные перчатки) и глаз (маски, защитные очки).

Меры предупреждения: герметизация аппаратуры и коммуникаций, недоступность этилового спирта, разъяснительная работа, надлежащая вентиляция помещений .

Меры пожарной безопасности. Компоненты исходной смеси (декан, этиловый спирт) являются легковоспламеняющимися жидкостями. Резервуары, технологическое оборудование, трубопроводы и сливно-наливные устройства, связанные с приемом, хранением и перемещением этилового спирта, декана должны быть защищены от статического электричества. Электрооборудование должно быть во взрывобезопасном исполнении. Средства пожаротушения: песок, асбестовое одеяло, огнетушители углекислотные. .

7. Список использованной литературы

1. Коган В.Е, Фридман В.М, Кафаров В.В. Равновесие между жидкостью и паром. Справочник. Кн. 1-2. М.; Л.: Наука, 1966. -786 с.

2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу ПАХТ. Л.: Химия, 1987-.576 с.

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

4. Расчет основных процессов и аппаратов нефтепереработки / Под ред. Судакова. Справочник. М.: Химия, 1979.-568 с.

5. Основные процессы и аппараты химической технологии /Под ред. Ю.И. Дытнерского. Пособие по проектированию. М.: Химия, 1991-496с.

6. Александров И.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. М.:Химия,1978.-280 с.

7. Справочник химика. Том II.Основные свойства неорганических и органических соединений. Л.,М.:Химия,1964.-1168 с.

8. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972-720с.

9. Типовые колонные аппараты: руководство, Казань, 1982.-20 с.

10. Урядов В.Г., Аристов Н.В.,Курдюков А.И. Взаимосвязю «структура-свойство». Часть IV. Топологический подход к описанию поверхностного натяжения органических соединений., 2002.-77 с.

11. Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов. Справочник. Л.: Машиностроение, 1981.-382 с.

12. Скобло А.И., Трегубова И.А., Молоканов Ю.К. Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.М.:Химия, 1982.-584

13. Вредные вещества в промышленности. Справочник. Т I Органические вещества/Под ред. Н.В. Лазарева. Л.:Химия, 1976-538с.

14. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчет химической аппаратуры. Справочник. Л.: Машиностроение, 1970-752с.

15. ВНЭ 5-79 ППБО - 103 -79 Правила пожарной безопасности при эксплуатации предприятий химической промышленности, 322 с.

16. Справочник нефтехимика.Том 1./Под ред. Огородникова С.К. М.: 1978 - 496 с.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Определение скорости пара и диаметра колонны, числа тарелок и высоты колонны. Гидравлический расчет тарелок. Тепловой расчет колонны. Выбор конструкции теплообменника. Определение коэффициента теплоотдачи для воды. Расчет холодильника для дистиллята.

курсовая работа , добавлен 07.01.2016


Расчет ректификационной колонны непрерывного действия для разделения бинарной смеси ацетон-вода. Материальный баланс колонны. Скорость пара и диаметр колонны. Гидравлический расчет тарелок, определение их числа и высоты колонны. Тепловой расчет установки.

курсовая работа , добавлен 02.05.2011


Ректификация как способ разделения жидких смесей в промышленности. Определение размеров колонны. Гидравлический расчет тарелок и давления в кубе. Расчет насоса, подогревателя сырья, дефлегматора и кипятильника. Тепловой и материальный баланс колонны.

курсовая работа , добавлен 07.02.2015


Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число. Средние массовые расходы по жидкости для верхней и нижней частей колонны. Объемные расходы пара и жидкости. Гидравлический расчет ректификационной колонны. Тепловой расчет установки и штуцеров.

курсовая работа , добавлен 04.05.2015


Характеристика процесса ректификации. Технологическая схема ректификационной установки для разделения смеси гексан-толуол. Материальный баланс колонны. Гидравлический расчет тарелок. Определение числа тарелок и высоты колонны. Тепловой расчет установки.

курсовая работа , добавлен 17.12.2014


Периодическая ректификация бинарных смесей. Непрерывно действующие ректификационные установки для разделения бинарных смесей. Расчет холодильника кубового остатка, высоты газожидкостного слоя жидкости. Определение скорости пара и диаметра колонны.

курсовая работа , добавлен 20.08.2011


Определение скорости пара и расчет диаметра ректификационной колонны. Построение кривых изобар пара и жидкости, зависимости диаграммы насыщенных паров от температуры, построение изобары. Расчет конденсатора-холодильника, диаметра штуцеров и кипятильника.

курсовая работа , добавлен 25.09.2015


Ректификационная колонна непрерывного действия с ситчатыми тарелками, расчет материального баланса. Дистиллят, кубовый остаток и мольный расход питания. Гидравлический расчет тарелок. Число тарелок и высота колонны. Длина пути жидкости на тарелке.

контрольная работа , добавлен 15.03.2009


Технологические основы процесса ректификации, его этапы и принципы. Определение минимального числа тарелок, флегмового числа и диаметра колонны. Тепловой и конструктивно-механический расчет установки. Расчет тепловой изоляции. Автоматизация процесса.

курсовая работа , добавлен 16.12.2015


Материальный баланс процесса ректификации. Расчет флегмового числа, скорость пара и диаметр колонны. Тепловой расчет ректификационной колонны. Расчет оборудования: кипятильник, дефлегматор, холодильники, подогреватель. Расчет диаметра трубопроводов.

ГОСТ Р 53684-2009

Группа Г47

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

АППАРАТЫ КОЛОННЫЕ

Технические требования

Columns. Technical requirements

ОКС 71.120.20

ОКП 36 1100

Дата введения 2011-01-01

Предисловие

Цели и принципы стандартизации в Российской Федерации установлены Федеральным законом от 27 декабря 2002 г. N 184-ФЗ "О техническом регулировании", а правила применения национальных стандартов Российской Федерации - ГОСТ Р 1.0-2004 "Стандартизация в Российской Федерации. Основные положения"

Сведения о стандарте

1 РАЗРАБОТАН ЗАО "Петрохим Инжиниринг" (ЗАО "ПХИ"), ОАО "Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт нефтяного машиностроения" (ОАО "ВНИИНЕФТЕМАШ")

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 023 "Техника и технологии добычи и переработки нефти и газа"

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 15 декабря 2009 г. N 1072-ст

4 В настоящем стандарте учтены основные нормативные положения следующих международных стандартов:

Директива 97/23/ЕС* Европейского парламента и совета от 29 мая 1997 г. по сближению законодательств государств-членов, касающегося оборудования, работающего под давлением в части выбора материалов, требований к конструкции, изготовлению и испытаниям;

________________

* Доступ к международным и зарубежным документам, упомянутым здесь и далее по тексту, можно получить, перейдя по ссылке. - Примечание изготовителя базы данных.

Европейский стандарт ЕН 13445-2002 "Сосуды, работающие под давлением без огневого подвода теплоты" (EN 13445-2002 "Unfired Pressure Vessels") в части выбора материалов, требований к конструкции, изготовлению и испытаниям

5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодно издаваемом информационном указателе "Национальные стандарты", а текст изменений и поправок - в ежемесячно издаваемых информационных указателях "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячно издаваемом информационном указателе "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомления и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет

1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на колонные аппараты, предназначенные для применения в технологических установках нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, газовой и других смежных отраслей промышленности для проведения тепло- и массообменных процессов при контакте пара (газа) и жидкости (возможно присутствие нескольких жидких фаз), также и в присутствии дисперсной твердой фазы (в промывных аппаратах) и устанавливает основные технические требования к их проектированию, изготовлению, контролю, испытаниям и приемке.

В дополнение к требованиям настоящего стандарта следует руководствоваться нормами и правилами промышленной безопасности .

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ Р 52630-2006 Сосуды и аппараты стальные сварные. Общие технические условия

ГОСТ Р 52857.1-2007-ГОСТ Р 52857.12-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность

ГОСТ Р 51273-99 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Определение расчетных усилий для аппаратов колонного типа от ветровых нагрузок и сейсмических воздействий

ГОСТ Р 51274-99 Сосуды и аппараты. Аппараты колонного типа. Нормы и методы расчета на прочность

ГОСТ 9617-76 Сосуды и аппараты. Ряды диаметров

Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодно издаваемому информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по соответствующим ежемесячно издаваемым информационным указателям, опубликованным в текущем году. Если ссылочный стандарт заменен (изменен), то при пользовании настоящим стандартом следует руководствоваться заменяющим (измененным) стандартом. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, применяется в части, не затрагивающей эту ссылку.

3 Классификация и типы колонных аппаратов

Колонные аппараты - цилиндрические вертикальные сосуды постоянного или переменного сечения, оснащенные внутренними тепло- и массообменными устройствами (тарелками или насадкой), а также вспомогательными узлами (ввода жидкости и пара, распределителями жидкости и пара, аккумуляторными устройствами для сбора жидкости, устройствами для размещения насадочных элементов и т.д.), обеспечивающими проведение технологического процесса [ректификации, абсорбции, экстрактивной ректификации, экстракции (при взаимодействии жидкость-жидкость), прямого теплообмена между паром (газом) и жидкостью и др.].

Для возможности доступа и монтажа внутренних устройств колонны диаметром менее 1000 мм выполняются царговыми.

В колоннах может поддерживаться различное давление. В зависимости от применяемого давления колонные аппараты подразделяются на атмосферные, вакуумные и аппараты, работающие под давлением.

Давление определяется технологическим процессом, происходящим в аппарате.

К атмосферным колоннам обычно относят колонны, в верхней части которых давление близко к атмосферному. Давление в нижней части колонн выше верхнего на величину гидравлического сопротивления внутренних устройств.

Пример исполнения атмосферной колонны приведен на рисунке 1. Колонна оснащена тарелками.

Рисунок 1 - Пример исполнения атмосферной тарельчатой колонны

В вакуумных колоннах абсолютное давление в верхней части может достигать от 14 до 18 мм рт.ст. (от 1,87 до 2,4 кПа) и менее. Внутренние устройства вакуумных колонн обеспечивают перепад гидравлического сопротивления по колонне от верха до ввода сырья от 10 до 20 мм рт.ст. (от 1,33 до 2,66 кПа) и ниже.

Пример исполнения вакуумной колонны приведен на рисунке 2. Колонна оснащена насадкой и тарелками.

Рисунок 2 - Пример исполнения вакуумной колонны с насадкой и тарелками

В колоннах, работающих под давлением (рисунок 3), давление вверху может достигать величин от нескольких атмосфер до нескольких десятков атмосфер.

Рисунок 3 - Пример исполнения колонны под давлением

Настоящий стандарт применяют совместно с ГОСТ Р 52630.

4 Обозначения

В настоящем стандарте применены следующие обозначения:

Относительная овальность корпуса аппарата;

Ширина нижнего опорного кольца;

Выступающая ширина нижнего опорного кольца;

Длина верхнего опорного элемента;

Ширина верхнего опорного элемента;

Минимальное расстояние между двумя смежными ребрами;

Максимальное расстояние между двумя смежными ребрами;

Внутренний диаметр аппарата;

Наружный диаметр аппарата;

Внутренний диаметр опорной обечайки;

Диаметр окружности фундаментных болтов;

Расстояние от оси фундаментного болта до наружной поверхности опорной обечайки;

Высота опорного узла;

Толщина стенки обечайки;

Толщина стенки днища;

Исполнительная толщина стенки аппарата;

Исполнительная толщина стенки опорной обечайки;

Исполнительная толщина нижнего опорного кольца;

Исполнительная толщина верхнего опорного кольца;

Исполнительная толщина ребра.

5 Требования к конструкции

5.1 Общие требования

5.1.1 Конструкция аппарата должна обеспечить заданный режим эксплуатации, быть технологичной, надежной в течение срока службы, обеспечивать безопасность при изготовлении, монтаже и эксплуатации, предусматривать возможность контроля технического состояния аппарата.

5.1.2 Срок службы аппарата должен устанавливаться разработчиком аппарата и указываться в технической документации.

5.1.3 Расчет на прочность аппаратов и их элементов следует проводить в соответствии с ГОСТ Р 52857.1-ГОСТ Р 52857.12, ГОСТ Р 51274, ГОСТ Р 51273.

При расчете колонных аппаратов снеговые нагрузки не учитываются.

5.1.4 Аппараты, которые не могут транспортироваться в собранном виде, должны проектироваться из частей, соответствующих по габариту требованиям к перевозке транспортными средствами. Деление аппарата на транспортируемые части следует указывать в технической документации.

5.1.5 Аппараты, транспортируемые в собранном виде, а также отдельные транспортируемые части аппарата должны иметь строповые устройства (захватные приспособления) для проведения погрузочно-разгрузочных работ, подъема и установки аппаратов в проектное положение. Допускается использовать для этих целей технологические штуцера, горловины, уступы, бурты и другие конструктивные элементы аппаратов при подтверждении расчетом на прочность.

Конструкция, места расположения строповых устройств и конструктивных элементов для строповки, их количество, схема строповки аппаратов и их транспортируемых частей должны быть указаны в технической документации.

5.1.6 Базовые диаметры аппаратов рекомендуется принимать по ГОСТ 9617.

5.2 Требования к элементам корпусов аппаратов

5.2.1 Днища, крышки и переходы аппаратов принимаются по ГОСТ Р 52630 (подраздел 4.2).

5.2.2 Люки, лючки и штуцера принимаются по ГОСТ 52630* (подраздел 4.3).

______________

* Вероятно ошибка оригинала. Следует читать: ГОСТ Р 52630, здесь и далее по тексту. - Примечание изготовителя базы данных.

5.2.3 Расположение отверстий - в соответствии с ГОСТ 52630 (подраздел 4.4).

5.3 Требования к опорам колонных аппаратов

5.3.1 Опорные обечайки колонных аппаратов представлены на рисунке 4.

а) цилиндрическая б) коническая

Рисунок 4 - Основные конструкции вертикальных опор аппаратов

5.3.2 Цилиндрическую опору следует присоединять к днищу аппарата таким образом, чтобы средние диаметры цилиндрических обечаек корпуса и опоры совпадали или расстояния между этими осями были минимальными (рисунок 5).

Рисунок 5 - Узел стыковки опорной обечайки и днища аппарата

В случае смещения осей обечайки корпуса и опоры необходимо проверить прочность опорной обечайки с учетом дополнительных напряжений из-за смещения этих осей.

5.3.3 Основные конструкции опорных узлов приведены на рисунке 6.

Рисунок 6 - Конструкции опорных узлов

5.4 Допускается установка колонных аппаратов на иные типы опор (стойки, лапы и др.) по указанию проектной организации.

6 Требования к материалам

6.1 При выборе материалов для изготовления колонных аппаратов следует учитывать расчетное давление, температуру стенки, химический состав и характер среды, технологические свойства и коррозионную стойкость материалов.

Колонные аппараты, как правило, устанавливаются на открытой площадке, поэтому при выборе материалов также необходимо учитывать среднюю температуру наиболее холодной пятидневки данного района с обеспеченностью 0,92 (СНиП 23-01) . При этом пуск, остановка и испытания на герметичность выполняются в соответствии с "Регламентом проведения в зимнее время пуска (остановки) или испытания на герметичность сосудов" по ГОСТ Р 52630 (приложение М).

6.2 Требования к основным материалам, пределы их применения, назначение, условия применения, виды испытаний должны удовлетворять ГОСТ Р 52630.

6.3 Элементы, привариваемые непосредственно к корпусу колонного аппарата изнутри или снаружи (цилиндрические и конические опоры, подкладки под элементы металлоконструкций, опорные кольца под тарелки и др.), следует изготавливать из материалов того же структурного класса, что и корпус.

6.4 В колонных аппаратах, изготовленных из коррозионно-стойких сталей, допускается использовать цилиндрические или конические опоры из углеродистых сталей при условии, что к корпусу колонны приваривается переходная обечайка из коррозионно-стойкой стали высотой, определяемой расчетом.

6.5 В аппаратах из углеродистой стали полотна тарелок, клапаны, другие внутренние съемные детали и внутренний крепеж должны быть изготовлены из коррозионно-стойкой стали.

7 Требования к изготовлению

7.1 Общие требования

7.1.1 Перед изготовлением, монтажом следует проводить входной контроль основных и сварочных материалов и полуфабрикатов.

7.1.2 Требования к маркировке материалов, принятых к изготовлению аппаратов, а также к качеству поверхности элементов корпуса принимаются по ГОСТ Р 52630.

7.1.3 Предельные отклонения размеров принимаются в соответствии с ГОСТ 52630 (пункт 6.1.7).

7.2 Корпуса

7.2.1 После сборки и сварки обечаек корпус (без днищ) должен удовлетворять следующим требованиям:

а) отклонение по длине - не более ±0,3% номинальной длины, но не более ±50 мм;

б) отклонение от прямолинейности - не более 2 мм на длине 1 м, но не более 30 мм при длине корпуса свыше 15 м.

При этом местная непрямолинейность не учитывается:

В местах сварных швов;

В зоне вварки штуцеров и люков в корпус;

В зоне сопряжения разнотолщинных обечаек корпуса, выполненного с учетом допустимых смещений кромок в кольцевых швах аппарата.

7.2.2 Отклонение внутреннего (наружного) диаметра корпуса аппарата в местах установки тарелок или других внутренних устройств допускается не более ±0,5% номинального диаметра, если в технической документации не оговорены более жесткие требования.

7.2.3 Относительная овальность корпуса аппарата измеренная в соответствии с ГОСТ Р 52630, (пункт 6.2.4) в местах установки тарелок или других внутренних устройств не должна превышать ±0,5%, если в технической документации не оговорены более жесткие требования.

7.2.4 Отклонения остальных размеров корпусов, кроме указанных выше, определяются по ГОСТ Р 52630.

7.3 Днища, фланцы, штуцера, люки, укрепляющие кольца

7.3.1 Указанные элементы корпусов аппаратов изготавливаются в полном соответствии с ГОСТ Р 52630 (подразделы 6.3-6.5).

7.4 Предельные отклонения размеров аппаратов, их сборочных единиц и деталей от номинальных должны соответствовать приведенным на рисунке 7.

Размеры без обозначений в миллиметрах

Рисунок 7 - Предельные отклонения размеров аппаратов, их сборочных единиц и деталей

7.5 Внутренние тепло- и массообменные контактные устройства тарельчатого типа (тарелки)

7.5.1 Тарелки должны изготавливаться в соответствии с требованиями настоящего стандарта и проекта.

7.5.2 Опорные детали тарелок должны быть приварены к корпусу аппарата сплошным односторонним верхним швом, если иное не указано в проектной документации.

7.5.3 Отклонение от перпендикулярности опорных деталей тарелок, привариваемых к корпусу аппарата, к оси корпуса, относительно которой установлены устройства (риски) для выверки вертикальности его на монтажной площадке, не должно превышать значений, указанных в таблице 1.

Таблица 1 - Отклонения от перпендикулярности опорных деталей тарелок

В миллиметрах

Тип тарелок	Внутренний диаметр колонного аппарата	Отклонение перпендикулярности
Тарелки провальные: решетчатые и другие	До 2000	±2
	От 2000 до 3000	±3
Тарелки с переливами: клапанные, ситчатые, ситчатые с отбойными элементами, центробежные и другие	До 3000	±3
	От 3000 до 6000	±4
	От 6000 и более	±5

7.5.4 Результаты замеров фактических отклонений от перпендикулярности опорных деталей тарелок заносятся в формуляр, заверенный отделом технического контроля завода-изготовителя. Формуляр прилагается к паспорту аппарата.

7.5.5 Отклонение по шагу между соседними тарелками не должно превышать ±3 мм. Отклонение по высоте нижней тарелки не должно превышать ±5 мм от нижней кромки обечайки корпуса и ±15 мм до верхней тарелки, при этом для промежуточных тарелок оно пропорционально изменяется (рисунок 7).

7.5.6 Допуск на минимальное расстояние от сливной перегородки до вертикальной поверхности уголка приемного кармана (успокаивающей планки) - (+10 мм и минус 5 мм).

Допуск на расстояние от нижней кромки сливной перегородки до поверхности нижележащей тарелки при заглубленном приемном кармане - ±5 мм на 1 м длины перегородки, но не более ±15 мм на всю длину, а при отсутствии заглубленного кармана и наличии успокаивающей планки - ±5 мм.

7.5.7 Штампованные детали тарелок должны быть чистыми, без трещин, надрывов, заусенцев.

7.5.8 Сварные швы опорных деталей тарелки, перекрываемые съемными деталями (полотнами и другими элементами), должны быть зачищены заподлицо с основным металлом.

7.5.9 Секции (полотна) тарелок могут изготавливаться сварными, при этом швы должны быть зачищены с двух сторон заподлицо с основным металлом.

7.5.10 Общий прогиб установленной тарелки не должен превышать значений, указанных в таблице 2.

Таблица 2 - Прогиб установленной тарелки

В миллиметрах

7.6 Царговые колонны

7.6.1 Отклонение от параллельности уплотнительных поверхностей фланцев царг после механической обработки не должно превышать 0,4 мм на 1 м диаметра (рисунок 8), но не более 1 мм на диаметр царги.

Рисунок 8 - Царга с фланцами

Отклонение от перпендикулярности уплотнительных поверхностей фланцев царг к образующей обечайки не должно превышать 0,6 мм на 1 м высоты царги (рисунок 8), но не более 2 мм на всю высоту царги.

7.6.2 Отклонение от высоты царги с фланцами не должно превышать ±2 мм на 1 м номинального размера, но не более ±5 мм на всю высоту царги.

7.6.3 Царги колонн с фланцами, имеющими уплотнительные поверхности "шип-паз" или "выступ-впадина", для удобства установки прокладки следует выполнять так, чтобы фланцы с пазом или впадиной были нижними.

8 Сварка и сварные соединения

8.1 Аппараты могут быть изготовлены с применением всех видов промышленной сварки за исключением газовой.

8.2 Требования к сварке и сварным соединениям должны соответствовать ГОСТ Р 52630 (подраздел 6.8).

8.3 Сварные соединения

8.3.1 Продольные и кольцевые стыковые сварные швы корпуса должны выполняться с полным проваром, включая швы приварки днищ.

8.3.2 Условия применения угловых и тавровых соединений штуцеров, люков, фланцев регламентируются ГОСТ Р 52630 (пункт 6.9.1).

8.3.3 Нахлесточные сварные швы допускаются только для приварки укрепляющих колец и опорных элементов.

8.3.4 Допускается пересечение стыковых швов корпуса угловыми швами приварки внутренних и внешних устройств (опорных элементов, тарелок, рубашек, перегородок и т.п.) при условии контроля перекрываемого шва корпуса радиографическим или ультразвуковым методом.

8.4 Требования к сварным соединениям и к качеству сварных соединений по ГОСТ Р 52630 (подразделы 6.9 и 6.10).

8.5 Методы контроля сварных соединений по ГОСТ Р 52630.

8.5.1 Объем контроля сварных швов вакуумных колонн неразрушающими методами составляет 25%.

9 Гидравлическое испытание

Гидравлическое испытание колонных аппаратов на заводе-изготовителе, как правило, производится в горизонтальном положении.

Величина пробного давления аппарата при его испытании в вертикальном и горизонтальном положении одинаковая, если в процессе эксплуатации аппарата гидростатическое давление столба жидкости отсутствует (аппарат полностью не заполняется жидкостью).

При испытании аппарата в горизонтальном положении на заводе-изготовителе последний должен проверить прочность корпуса колонны с учетом принятого способа опирания аппарата.

10 Термическая обработка

Термическая обработка колонного аппарата (или его частей) при необходимости осуществляется в соответствии с ГОСТ Р 52630 (подраздел 6.11).

Библиография

Электронный текст документа

подготовлен ЗАО "Кодекс" и сверен по:

официальное издание

М.: Стандартинформ, 2011

Рассчитаем диаметры основных штуцеров, через которые проходят известные по величине материальные потоки, а именно: штуцер подачи исходной смеси, штуцеры выхода паров из колонны, штуцер выхода кубового остатка.

Независимо от назначения штуцера его диаметр рассчитывают из уравнения расхода:

где V - объёмный расход среды через штуцер, м 3 /с; - скорость движения среды в штуцере, м/с;

Штуцер подачи исходной смеси

Принимая XF =1,5м/с, получим:

Скорость движения питательной смеси в штуцере:

Штуцер подачи флегмы:

Принимаем XR =1,0м/с,

Стандартный размер трубы для изготовления штуцера по ГОСТ 9941-62, 70x3 (внутренний диаметр d вн =70-3·2=64мм).

Скорость движения флегмы в штуцере:

Штуцер выхода кубового остатка:

плотность воды.

Принимаем XW =0,5м/с,

Стандартный размер трубы для изготовления штуцера по ГОСТ 9941-62, 95x4 (внутренний диаметр d вн =95-4·2=87мм=0,087м)

Скорость движения кубового остатка в штуцере:

Штуцер выхода паров из колонны:

Определяем среднюю плотность пара для верхней и нижней части колонны:

Принимаем у =25 м/с.

Выбираем стальную электросварную прямошовную ГОСТ10704-81 630х16, внутренний диаметр которой равен d вн =630-16·2=598 мм. Следовательно, скорость паров в штуцере:

Для всех штуцеров выбираем стандартные фланцы тип 1. Для штуцера подачи исходной смеси и флегмы выбираем фланец (ГОСТ 1235-54) с основными размерами d в =72мм, D 1 =130мм, D=160мм, b=11мм, D 2 =110мм, h=3мм, d=12мм, n=8шт. Фланец штуцера кубового остатка d в =97мм, D 1 =160мм, D=195мм, b=22мм, D 2 =138мм, h=4мм, d=16мм, n=8шт. Фланец штуцера для выхода паров из колонны d в =634мм, D 1 =740мм, D=770мм, b=11мм, d=24мм, n=20шт, (ГОСТ1255-54). Уплотнительный материал принимаем паронит марки ПОН (ГОСТ481-80).

Гидравлический расчёт

Цель гидравлического расчёта - определение величины сопротивлений различных участков трубопроводов и теплообменника и подбор насоса, обеспечивающего заданную подачу и рассчитанный напор при перекачке этанола.

Различают два вида сопротивлений (потерь напора): сопротивления трения (по длине) h 1 и местные сопротивления h мс.

Для расчёта потерь напора по длине пользуются формулой Дарси-Вейсбаха.

где л - гидравлический коэффициент трения;

l - длина трубопровода или тракта по которому протекает теплоноситель, м;

d - диаметр трубопровода, м;

Скоростной коэффициент напора, м.

Для расчёта потерь напора в местных сопротивлениях применяется формула Вейсбаха:

где о - коэффициент местных сопротивлений;

Скоростной напор за местным сопротивлением, м.