Розрахунок і проектування ректифікаційної колони

 

 

Рис. 6.3 – Тарілка типу ТС (ОСТ 26-01-108-85).

 

 

6.5 Розрахунок числа тарілок

          Середній ККД тарілки

          В'язкість рідини на живильній тарілці:

lnm = х×lnmA + (1 – x)×lnmB     

         где mА = 0,44 мПа×с – в'язкість етанолу;

mВ = 0,31 мПа×с - в'язкість води;

lnmж = 0,22×ln0,44 + (1 – 0,22)×ln0,31.

Звідки

 m = 0,33 мПа×с.

         Коефіцієнт відносної леткості:

a = рА/рВ        

a=1120/525 = 2,13

 

де рА = 1120 мм рт.ст. - тиск насиченої пари етанолу;

рВ = 525 мм рт.ст. – тиск насиченої пари води.

Добуток am = 2,13×0,33 = 0,704

За діаграмою для наближеного визначення ККД тарілки (рис. 6.4) знаходимо значення  h = 0,8.

 

h

am

Мал. 6.4 – Діаграма для наближеного визначення ККД тарілки

  Тоді число тарілок:

в верхній частині колони

      nв = nвТ/h        

      nв = 6/0,8 = 8;

в нижній частині колони

              nн = nнТ/h       

    nн = 3/0,8 =

6.6 Висота колони

Приймаємо відстань між тарілками Нт = 300 мм, тоді висота нижньої і верхньої частини становитиме:

          Нн = (Nн – 1)Нт       

Нн = (4 – 1)×0,3 = 0,9 м;

Нв = (Nв – 1)Нт       

Нв = (Nв – 1)Нт = (8 – 1)×0,3 = 2,1 м.

         товщина тарілки – 0,04 м;

Висота сепараційного простору – 0,7 м;

Висота кубового простору – 2,3 м;

Висота опори – 1,2 м;

Загальна висота колони:

Н = 1,2 + 2,3 + 0,7 + 18·0,04+ 2,1 + 0,9 =7,9 м

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Механічний  розрахунок

 Корпус колони діаметром до 1000 мм виготовляють з окремих цапф (Додаток Г), що з'єднуються між собою за допомогою фланців.

Товщина обичайки:

  S > pD/(2[s]j – p) + c      

де [s] = 138 МПа – допустима напруга для сталі [3c394];

j = 0,8 – коефіцієнт ослаблення зварного шва;

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

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

Приймаємо товщину обичайки s=8мм

 Найбільшого поширення в хімічному машинобудуванні отримали еліптичні відбортовані днища по ГОСТ 6533 - 78.

 Товщину стінки днища (рис. 7.1) приймаємо рівною товщині стінки обичайки Sд = s = 8 мм.

 

Рис 7.1 - Днище колони

 Характеристика днища:

h = 40 мм – висота борту  днища;

Маса  днища mд = 16,9 кг.

Обєм днища Vд = 0,086 м3.

З'єднання обичайки з днищами здійснюється за допомогою плоских приварних фланців по ОСТ 26-428-79 (рис.7.2)

 

Рис. 7.2 – Фланець

Підключення трубопроводів до апарату здійснюється за допомогою штуцерів.

Діаметр штуцерів

                      

де wшт – швидкість середовища в штуцері.

Приймаються швидкість рідини wшт = 1м/с, газової суміші wшт = 25 м/с 
          Штуцер для входу вихідної суміші

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

приймаємо d1 = d2 = 50 мм

        Штуцер для входу флегми

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

         приймаємо d3 = 40 мм

Штуцер для виходу кубового залишку

d4 = (1,05/0,785×1×954,2)0,5 = 0,037 м

приймаємо d4 = 40 мм

       Штуцер для виходу парів

d5 = (0,72/0,785×25×1,037)0,5 = 0,188 м

приймаємо d5 = 200 мм

       Штуцер для входу парів

        d6 = (0,5/0,785×25×0,983)0,5 = 0,17 м

приймаємо d5 = 200 мм

Всі штуцера повинні бути забезпечені плоскими приварними фланцями  по ГОСТ 12820-80. Конструкція фланця наводиться на рис. 7.3, а розміри в таблиці 7.1

 

    

Рис 7.3 – Фланець штуцера

Таблиця 7.1

 

Розміри приварного фланця штуцера

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

 

 

Розрахунок опори

        Апарати вертикального типу з співвідношенням Н / D> 5, що розміщуються на  відкритих майданчиках, оснащують так званими спідничні циліндричними опорами, конструкція яких наводиться на рис. 7.4

               

                     Рис. 7.4 – опора

         Орієнтовна маса апарату.

Маса  обичайки

          mоб = 0,785(Dн2-Dвн2)Нобρ      

         де Dз = 0,616 м – зовнішній діаметр колони;

         Dвн = 0,6 м – внутрішній діаметр колони;

          Ноб = 7,9 м –висота циліндричної частини колони

           ρ = 7900 кг/м3 – густина сталі

         mоб = 0,785(0,6162-0,62)7,9·7900 = 952,55 кг

Маса  тарілок

         mт = mn       

mт = 18·16,0 = 288,0 кг

m = 16,0 кг – маса однієї тарілки

Загальна маса колони

 Приймаємо, що маса  допоміжних пристроїв (штуцерів, вимірювальних приладів, люків і т.д.) становить 10% від основної маси колони, тоді

mк = mоб + mт + 2mд       

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

Маса колони заповненої водою при гідровипробуванні 
    Маса води при  гідровипробуванні:

mв = 1000(0,785D2Hц.об + 2Vд)    

mв = 1000(0,785·0,62·7,9 + 2·0,086) = 2884,96 кг≈2885 кг

          Максимальна вага колони

         mmax = mк + mв       

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

          Приймаємо внутрішній діаметр опорного кільця D1 = 0,55 м,

                                 зовнішній діаметр опорного кільця D2 = 0,8 м.

Площа опорного кільця

         А = 0,785(D2 – D1)     

А = 0,785(0,82 – 0,552) = 0,27 м2

    Питоме навантаження опори на фундамент

         s = Q/A        

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

 

 

 

 

 

 

8.Підбір допоміжного обладнання

 

8.1. Розрахунок  насосу для спирту.

Q₁ = G₁/r₁ =  5/793 = 0,009 м³/с,          

         d= (5/0,785×3600×3)^0,5 =0,031 м

Re=3×0,031×793/(0,701×10^-3 ) = 101225,39

e =0,2 мм [1 табл. XII ]  ;

 d/e =31/0,2 =155

Визначаємо з графіка l =0,033 рис. 1.5 [1 22 с].

Визначаємо  місцеві навантаження для всмоктуючої лінії для труб d= 38 мм:

∑ξ =ξ_{1 +} ξ₂ = 0,5 +0,85 = 1,35

ξ_{1 –} вхід в трубу з гострими краями – 0,5 ;     ξ₂  - прямоточний вентиль – 0,85 [1 табл.ХІІІ]

DР_вс= (0,033×10/0,031 +1,35) ×793×3² /2 =40858,95  Па   

Н_п.в.с. = DР_вс/rg = 40858,95/793×9,8 =5,55 м.

Визначаємо  місцеві навантаження для нагнітаючої лінії для  труб d= 38 мм :

ξ_{1 –} вихід з труби – 1 ;     ξ₂  - прямоточний вентиль – 0,85;

                     ξ_{3 –} відвід під прямим кутом – 0,11    [1 табл.ХІІІ] 

∑ξ =ξ_{1 +} ξ₂ + ξ₃ = 1 + 0,85 +0,11 = 1,95

DР_наг   = (0,033×15/0,031 +1,95) ×763×3² /2 = 61348,9 Па

Н_наг. = DР_наг/rg = 61348,9/793×9,8 = 8,3 м

Н_заг= Н_п.в.с. + Н_наг. = 5,55 +8,3 = 13,85 м

Н=16,32/793×9,8 +13,85 = 13,852 м

       Підбираємо відцентровий  насос Х45/21, 

       для якого Q = 1,25×10^-2 м³ /с та Н = 17,3 м [7 c.92].

Характеристика  обраного  насосу

Марка насосу	Q, м3 /с	Н, м	n,об/с	ђн	Тип двигуна	Nн ,кВ	ђд
Х45/21	1,25×10-2	17,3	48,3	0,60	АО2-51-2	10	0,88

9.Характеристика отриманої продукції

Спирт етиловий ректифікований вищої очистки повинен  відповідати вимогам ДСТУ 4221:2003.

За органолептичними показниками спирт етиловий ректифікований повинен відповідати вимогам, зазначеним в таблиці 8.2.

Таблиця 8.1

Асортимент продукції, що планується випускати

Назва продукції	% від загальної кількості	Одиниця виміру	Товарна продукція
			за добу	за рік
Умовний спирт-сирець у тому числі:	100	дал	10000	3650000
- спирт етиловий ректифікований  в/о	96,6	дал	9660	3525900
- спирт етиловий головна фракція	1	дал	100	36500
- сивушне масло	0,4	дал	40	14600
- сивушний спирт	1	дал	100	36500
- витрати при перегонці	0,2	дал	20	7300
- витрати при ректифікації	0,8	дал	80	29200
Хлібопекарні дріжджі		т	35	12775

 

 

Таблиця 8.2

Органолептичні показники спирту етилового вищої очистки

Назва показника	Характеристика
Зовнішній вигляд	Прозора рідина без сторонніх частинок
Колір	Безбарвна рідина
Смак і запах	Характерний для кожного сорту  етилового спирту, виробленого із відповідної сировини, без присмаку та запаху сторонніх речовин

 

За фізико-хімічними  показниками спирт етиловий ректифікований вищої очистки повинен відповідати  вимогам, зазначеним в таблиці 8.3

 

Таблиця  8.3

Фізико-хімічні показники

Назва показника	Норма для спирту
Об’ємна частка етилового спирту, за температури 20 0С, не менше	96,0
Проба на чистоту з сірчаною кислотою	Витримує
Проба на окислюваність за температури 20 0С, хв, не менше	15
Масова концентрація альдегідів у  перерахунку на оцтовий альдегід в безводному спирті, мг/дм3, не більше	4,0
Масова концентрація сивушного масла; пропіловий, ізопропіловий, бутило вий, ізобутиловий і ізоаміловий спирти в перерахунку на суміш пропілового, ізобутілового та ізоамілового спиртів (3:1:1) в безводному спирті, мг/дм3, не більше	10
Масова концентрація сивушного масла  в перерахунку на суміш ізоамілового та ізобутилового спиртів (1:1) в безводному спирті, мг/дм3, не більше	4,0
Об’ємна частка метилового спирту в  перерахунку на безводний спирт, %, не більше	0,03
Масова концентрація вільних кислот (без СО2) в перерахунку на оцтову кислоту в безводному спирті, мг/дм3, не більше	15,0
Масова концентрація органічних речовин, що окислюються в перерахунку  на оцтово етиловий естер, в безводному спирті, мг/дм3, не більше	30
Проба на форфурол	Витримує
Масова концентрація сухого залишку, мг/дм3, не більше	10,0