1.5 Определение основных геометрических размеров ректификационной колонны

Скорость пара должна быть ниже некоторого предельного значения ω пред, при которой начинается брызгоунос. Для ситчатых тарелок.

Предельное значение скорости пара ω пред определяем по графику .

Принимаем расстояние между тарелками Н=0.3 м, так как

,

,

следовательно, для верхней части колонны м/с, для нижней части колонны м/с. Подставив данные в (1.25) получим:

Диаметр колонны Д к определяем в зависимости от скорости и количества поднимающихся по колонне паров:

, (1.26)

Тогда диаметр колонны равен:

Скорость пара в колонне:

Выбираем тарелку типа ТСБ-II

Диаметр отверстий d 0 =4 мм.

Высота сливной перегородки h п =40 мм.

Колонный аппарат Д к =1600 мм – внутренний диаметр колонны

F к =2,0 м 2 – площадь поперечного сечения колонны

Расчёт высоты колонны

Определение высоты тарельчатой колонны мы проводим по уравнению:

H 1 =(n-1)H – высота тарельчатой части колонны;

h 1 – высота сепараторной части колонны мм., h 1 =1000 мм по табл2 ;

h 2 – расстояние от нижней тарелки до днища, мм., h 2 =2000 мм табл2 ;

n – число тарелок;

H – расстояние между тарелками.

Для определения высоты тарельчатой части колонны воспользуемся рассчитанным в пункте 1.4 действительным числом тарелок:

По выражению (1.27) высота колонны равна:

H к =4,5+1,0+2,0=7,5 м.

1.6 Расчёт гидравлического сопротивления колонны

Расчёт гидравлического сопротивления тарелки в верхней и в нижней части колонны

где -сопротивление сухой тарелки, Па; - сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения, Па; - сопротивление парожидкостного слоя на тарелке, Па.

а) Верхняя часть колонны.

Сопротивление сухой тарелки

(1.29)

где ξ – коэффициент сопротивления сухих тарелок, для ситчатой тарелки ξ=1,82 ;

ω 0 – скорость пара в отверстиях тарелки:

, (1.30)

Плотность жидкости и газа определяем как среднюю плотность жидкости и газа в верхней и нижней частях колоны соответственно:

, (1.31)

кг/м 3 .

Следовательно, гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

Па.

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения

где σ=20*10 -3 Н/м- поверхностное натяжение жидкости; d 0 =0,004 м - эквивалентный диаметр прорези.

Па.

Сопротивление газожидкостного слоя принимаем равным:

где h пж – высота парожидкостного слоя, м; ; k - отношение плотности пены к плотности чистой жидкости, принимаем к=0,5; h- высота уровня жидкости над сливным порогом, м. По таблице 3 h=0,01м.

Подставив, полученные значения получим гидравлическое сопротивление:

Сопротивление всех тарелок колонны:

где п- число тарелок.

Тогда: 2.2 Гидравлический расчет насадочной колонны аппарата бор рабочей скорости паров обусловлен многими факторами и обычно осуществляется путем технико-экономического расчета для каждого конкретного процесса. Для ректификационных колонн, работающих в пленочном режиме при атмосферном давление, рабочую скорость можно принять на 20% ниже скорости захлёбывания: (26) где...

Применяют, главным образом, при ректификации спирта и жидкого воздуха (кислородные установки). Для повышения к.п.д. в ситчатых тарелках (как и в колпачковых) создают более длительный контакт между жидкостью и паром. 2. Теоретические основы расчета тарельчатых ректификационных колонн Известно два основных метода анализа работы и расчета ректификационных колонн: графоаналитический (...

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.

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 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

Методика тепло – и массообменного расчета колонных аппаратов

Общая схема расчета колонных аппаратов

Целью расчета массообменного аппарата является определение конструктивных размеров, т.е. высоты и диаметра колонны, гидромеханических и экономических показателей ее работы.

Для расчета задано: 1) тип аппарата; 2) разделяемая смесь и поглотитель (абсорбент, экстрагент или растворитель, адсорбент); 3) производительность; 4) концентрации компонентов на входе и выходе из аппарата.

Требуется определить: 1) физические параметры смеси; 2) расход поглотителя или веса чистых компонентов (уравнение материального баланса); 3) движущую силу процесса; 4) коэффициенты массоотдачи и массопередачи; 5) построить кривую равновесия, рабочую линию и число ступеней изменения концентрации; 6) поверхность фазового контакта а конструктивные размеры; 7) количество подводимого или отводимого тепла (тепловой баланс); 8) гидродинамическое сопротивление аппарата; 9) механическую прочность и устойчивость; 10) экономические показатели работы колонны.

Основными конструктивными размерами являются ее диаметр и высота H . Эти величины взаимосвязаны, так как обе зависят от скорости пара в свободном сечении колонны.Диаметр колонны определяется в зависимости от скорости и количества поднимающихся в колонне паров

где – скорость пара, отнесенная к полному поперечному сечению колонны, м/с; – секундный объем поднимающихся паров, м 3 /с.

где – количество поднимающихся по колонне паров, кмоль/ч; средняя температура пара, град; – масса получаемого дистиллята из колонны; R– флегмовое число.

Если масса дистиллята выражена в кг/с, то объемный расход проходящего через колонну пара (м 3 /с)

Допустимая оптимальная скорость пара (м/с) в колонне

где G– коэффициент, зависящий от конструкции тарелок, расстояния между ними, давления и нагрузки колонны по жидкости (определяется по графику); – плотность жидкости, кг/м 3 ; – плотность пара, кг/м 3 .

Если ,то .

Скорость пара в колонне можно также определить по другим формулам, приведенным в литературе. Подсчитав диаметр колонны, подбирают по нормалям и определяют конструктивные размеры основных элементов колонны и тарелки, количество паровых патрубков, размеры колпачка, диаметр и количество сливных труб. Диаметр парового патрубка d = 50, 75, 100, 125, 150 мм. Задавшись диаметром d , определяют количество колпачков на тарелке. Сечение всех патрубков должно составлять 10 % сечения колонны. Тогда количество колпачков патрубков определяется из уравнения

Возвышение колпачка над паровым патрубком . Диаметр колпачка определяется из условия равенства скорости пара в паровом патрубке и кольцевом зазоре между колпачком и патрубком (м):

где d – толщина стенки патрубка, м. Возвышение уровня жидкости над верхним уровнем прорезей колпачков мм. Площадь сечения прорезей колпачка составляет 75 % площади сечения парового патрубка, т.е.

Принимают следующие размеры прямоугольных прорезей: ширина мм, высота мм, расстояние между прорезями мм. Минимальный зазор между колпачками равен 35 мм.

Диаметр сливного патрубка (м)

где – среднее количество стекающей жидкости, кг/с; – скорость жидкости в сливном патрубке, м/с; – плотность стекающей жидкости, кг/м 3 ; z = 1, 2, 4, 6, 8 – число сливных патрубков (зависит от и ).

Высота колонны зависит от скорости процесса массопередачи и определяется несколькими способами. Для барботажных колонн применяются в основном два способа.

Первый способ . Число тарелок определяется путем построения ступенчатой линии между кинетической кривой и рабочей линией.Высота тарельчатой колонны зависит от числа тарелок и расстояния между ними h , которое выбирается на основании опытных данных

Второй способ . Число действительных тарелок.

где – число ступеней изменения концентраций (теоретических тарелок, которое определяется графическим построением ломаной (ступенчатой) линии между кривой равновесия и рабочими линиями по диаграмме Y–X; - средний к.п.д. тарелки. Тогда

где h – расстояние между тарелками (в зависимости от скорости пара и давления в колонне принимается таким, чтобы свести к минимуму механический унос части жидкости парами), м.Для выбора h в зависимости от диаметра колонны можно использовать следующие данные: диаметр колонны, м – 0 - 0,6; 0,6 - 1,2; 1,2 - 1,8; 1,8 и более; расстояние между тарелками h, мм– 152, 305, 46О, 610. В ректификационных колоннах с круглыми колпачками, работающих под атмосферным давлением, расстояние между тарелками h = 250, 300, 350, 400, 450 мм. Обычно значение h находится в пределах 0,1 - 0,6 м.Для насадочных колонн высота насадки H также определяется двумя способами.

Первый способ . Требуемая высота слоя насадки

где , – число единиц переноса (определяется графическим построением ступеней, соответствующих единице переноса, если линия равновесия является прямой или близка к ней, то определяется аналитически:

где и – начальная и конечная концентрации низкокипящего компонента в паровой фазе; –равновесная концентрация низкокипящего компонента в паровой фазе (определяется по графику кривой равновесия).

Движущую силу можно выразить в единицах давления (упругости паров).

Высота единицы переноса (м)

где: – расход пара, кг/с; – средний коэффициент массопередачи, кг/(м 2 с); S – поперечное сечение колонны, м 2 ; s н – удельная смоченная поверхность насадки, м 2 /м 3 . Для определения коэффициента массопередачи используют диффузионный критерий Нуссельта– высота слоя насадки, эквивалентного одной ступени изменения концентрации или одной теоретической тарелке.Практически высота, эквивалентная одной теоретической тарелке, зависит от вида насадки и скорости пара (табл.1).

Таблица.1 - Зависимость высоты от вида насадки и скорости пара.