Автоматизация ректификации

 (25)

где Q_пот – тепловые потери (от 3% до 5% от тепла греющего пара) [1];

D_г.п(I_г.п.-i_к) – расход греющего пара, найденного по формуле (21);

K – коэффициент теплопередачи, выбирается по опытным данным в пределах от 300 до2500 Вт/м^2*К;

ΔТ_ср – средняя движущая сила процесса теплопередачи.

ΔТ_ср определяется по разнице температур между температурой разделяемой смеси (в кубе колоны) и температурой насыщенного водяного пара при определённом давлении. Обычно средняя движущая сила процесса равна 30 ± 5ºС.

Температура кубового остатка равна Т_w=109,6 ºС (см. выше).

Температура насыщенного  водяного пара при давлении 3,0 кг/см² составляет Т=135,9ºС .

 (26)

∆Tср = 135,9 – 109,6 = 26,3 ^оС 

 

ТºС ТºС                                                                  

  ΔТ_ср            

Рисунок 3.1 - Температурная  диаграмма для определения средней  движущей силы процесса теплопередачи.   

  

3.2 Определение расхода воды в дефлегматоре

При расчёте  теплового баланса дефлегматора принимается, что пары дистиллята подвергаются полной конденсации. Тогда расход охлаждающей  воды составит [5]:  

 (27)

где P – мольный расход продукта, кмоль/с;

R – оптимальное флегмовое число;

M_смp – мольная масса продукта, кг/кмоль;

r_p – удельная теплота фазового перехода, кДж/кг;

Cp – теплоёмкость воды, кДж/кг^*К [2];

Cp=4190 Дж/кг^*К

T_к, T_н– конечная и начальная температура охлаждения воды, ˚C. Обычно принимается T_н=12˚C T_к=45˚C 

             (28)

где r_p –удельная теплота фазового перехода определённого компонента, кДж/кг [2];  

rp = 90*0,95 + 88*(1-0,95) = 89,9*4190 = 376681 Дж/кг

M_смp = 91,83 кг/кмоль

 

 

3.3 Расчет тепловой  изоляции

Основной целью  расчета тепловой изоляции является выбор теплоизоляционного материала и расчет его толщины для минимизации тепловых потерь в окружающую среду и обеспечения требований техники безопасности. Расчет тепловой изоляции проводят из условий заданной температуры наружного слоя изоляции, которая не должна превышать 45°С. Толщину слоя теплоизоляционного материала определяют по формуле:

 (29)

где  – температура внутреннего слоя изоляции t_ст.=45˚C.

– теплопроводность слоя изоляции.

Примем температуру  внутреннего слоя тепловой изоляции равной температуре среды в колонне. .

Выберем в качестве теплоизоляционного материала асбест с   Вт/м*К. 

Величину тепловых потерь в окружающую среду   рассчитаем по уравнению теплоотдачи [3]:

,               (30)

где  – суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением, Вт/м²*К.

 Вт/м²*К.

 м.

 
4. Гидравлический расчет

Основной целью  гидравлического расчета является определение гидравлических сопротивлений, которые возникают в процессе прохождения пара через ректификационную колонну из куба через контактные устройства в дефлегматор. Потери напора для всех ректификационных колонн позволяют рассчитать необходимое повышение температуры кипения смеси в кубе колонны.

 (31)

где ΔР_с – сопротивление сухой тарелки, Па;

ΔР_ж – сопротивление слоя жидкости, Па;

ΔР_б – сопротивление за счёт поверхностного натяжения жидкости, Па; (незначительно можно пренебречь).

 (32)

где ω_.- скорость пара в горловине колпачка, м/с; определяется по объемному расходу пара и свободному сечению тарелки, м²/c.

 (33)  

Верхняя часть аппарата

    
 
 

Нижняя  часть аппарата   

    
 

Сопротивление слоя жидкости

    (34)

где

hб  – высота барботажного слоя жидкости на тарелке, м;

ρ_ж– плотность жидкости, кг/м³ ;

q – ускорение свободного падения (g=9,8м/с²).

hб=0,055м

Верхняя часть аппарата

  

Нижняя часть аппарата

Полное гидравлическое сопротивление для верха и  для низа колонны составляет:

Верхняя часть аппарата

Нижняя  часть аппарата   

5. Механический расчет основного аппарата   

Цель механического  расчета ректификационной колонны  является определение размеров отдельных частей и элементов колонны, которые удовлетворяли бы условиям технологической целесообразности, механической прочности и устойчивости.

5.1  Расчет толщины стенок и опоры аппарата

Обечайка –  это цилиндрический корпус аппарата, который работает, как правило, под избыточным внутренним или внешним давлением.

Опоры для аппаратов  в химической промышленности выбираются из расчета максимальной нагрузки, которую опора должна выдержать, во время испытания. Материал опоры  выбирается в зависимости от температуры рабочей среды, емкости аппарата и т.д. Выберем сталь В Ст3 сп3 ГОСТ 380-71.

Толщина стенки обечайки рассчитывается по уравнению:   

           (35)

где  – давление в аппарате, МПа;

 – диаметр обечайки, мм;

 – предельно допускаемое напряжение для материала изготовления, МПа;

 – коэффициент прочности сварного шва, примем равным единице;

 – прибавка.  

 – прибавка на коррозию и эрозию, примем 1,0 мм;

 – прибавка на минусовое отклонение по толщине листа, примем 0,7мм;

 – технологическая прибавка, примем 0,51 мм.

Предельно допускаемое  напряжение для данного материала  равно   МПа.

 мм.

По расчётам, толщина обечайки равняется 2,42, но по техническим требованиям толщина  стенки должна составлять минимум 10 миллиметров [4].

Для подбора опор необходимо определить массу и нагрузку аппарата.

Определение массы аппарата.

Масса корпуса:  

 (36)

где Н – высота аппарата, м;

π – геометрическая постоянная (π =3,14);

D – диаметр колонны, м ;

s – толщина стенки, м [4];

ρ – плотность стали, кг/м² [4].

кг.

Масса крышки и  днища:

         (37) 

где D – диаметр колонны, м ;

s – толщина стенки, м [4];

ρ – плотность стали, кг/м³ [4].       

 кг.

Масса тарелок:

 (38)

где N – действительное число тарелок;

m_m – масса одной тарелки, кг.

 кг.

Масса воды при испытании:

    (39)

где π – геометрическая постоянная (π =3,14);

D – диаметр колонны, м;

s – толщина стенки, м [4];

ρ_в – плотность воды, кг/м² [2].       

 кг.

Масса аппарата: 

 (40)

кг

кг

кг

Переведем в  МН:

 (41)

где М_ап – масса аппарата, кг;

g – ускорение свободного падения (g=9,8м/с²).

 МН

Подберем опору:

Таблица 5.1 - Основные размеры цилиндрических опор для  колонных аппаратов [4]

 

 

 
5.2 Расчёт и подбор  патрубков для подвода и отвода  потоков, подбор фланцевых соединений

Присоединение трубной арматуры к аппарату, а  также технологических трубопроводов  для подвода и отвода различных  жидких и газообразных продуктов производиться с помощью штуцеров или вводных труб. По условиям работоспособности чаще всего применяются разъемные соединения (фланцевые штуцера).

В химических аппаратах  для разъемного соединения составных  корпусов и отдельных частей применяются  фланцевые соединения, преимущественно круглой формы. На фланцах присоединяются к аппаратам трубы, арматура и т.д.

Диаметр условного  прохода (внутренний диаметр) штуцеров для подвода и отвода продуктов  рассчитывается на основе уравнения  массового расхода и округляется до ближайшего стандартного значения

Расчет диаметра патрубков для отвода и подвода  проводится по уравнению:

 (42)

где G – определенный расход, кг/с;

π – геометрическая постоянная (π =3,14);

ω – скорость движения маловязкой жидкости под давлением, м/с;

ρ – плотность потока, при определенных условиях, определяется по формуле (17), кг/м³ .  

Вход  исходной смеси:

=0,0051кг/кг Т_f=95,4˚C 

w=2м/с

  

Выход кубового остатка :

0,00038кг/кг Т_w=109,6˚C

w=0,1м/с

  

Вход  флегмы:

0,012кг/кг Т_p=81˚C

w=20м/с

 (43)

 (44) 

где R – оптимальное флегмовое число;

P – массовый расход продукта, кг/с.

 

  

Выход пара:

Т_р=81˚C

w=30м/с 

 (45)

Плотность пара определяется по формуле (13):