14. Технические требования

Уплотнительные поверхности по фланцевым разъемам должны выполняться типа выступ-впадина. В обоснованных случаях уплотнительная поверхность может иметь исполнение шип-паз.

Крепление труб в трубных решетках должно производиться обваркой с развальцовкой либо развальцовкой в соответствии с ОСТ 26-02-1015-85. Тип крепления определяется предприятием изготовителем.

В качестве модификации по требованию заказчика аппараты могут поставляться с диафрагмированными трубами, которые изготавливаются путем нанесения поперечных канавок на гладкие трубы. Аппараты с диафрагмированными трубами имеют улучшенные теплотехнические показатели и предназначены для интенсификации теплообмена в аппарате. Они могут использоваться для всех сред за исключением сред, вызывающих коррозионное растрескивание, а также склонных к осаждению, налипанию, эрозионному износу или содержащие взвешенные частицы.

На аппаратах 1 группы устанавливают бесшовные трубы. На аппаратах 2, 3, 4 группы допускается устанавливать электросварные трубы.

В зависимости от расчетных параметров и характеристики рабочей среды аппараты изготавливаются 1-4 групп:

+350

Температура

2

+200

Давление

4

3

0

0,07

1,6

2,5

4,0

-20

-70

Аппараты с параметрами, соответствующими граничным линиям относятся к соседней группе с менее жесткими требованиями.

Характеристика рабочей среды:

1 группа

• любая взрывоопасная или пожароопасная, или 1, 2 классов опасности по ГОСТ 12.1.007-76 при давлении выше 0,07 МПа;

2, 3, 4 группа

- любая, за исключением указанной для 1 группы аппаратов.

Работа № 2 оценка интенсивности работы колонного аппарата тарельчатого типа

2.1. Аналитический обзор.

В соответствие с определением понятия интенсивности применительно к массооб­менному аппарату, введем следующий параметр

I = Q/V_кз, (2.1)

где Q - объемная производительность аппарата (величина характеризующая пере­носный процесс), м³/с; V_кз = SH_кз - объем контактной зоны тарельчатого аппарата (его конструк­тивная характеристика), м³; S – площадь свободного сечения аппа­рата, м²; H_кз – высота контактной зоны аппарата, м. Площадь поперечного сечения аппарата, определяется его производительностью и находится из гидродинамического расчета контактных элементов. Высота контактной зоны, характеризующая статику и кинетику процесса массопереноса, определяется в зависимости от вида взаимодействия контактирующих фаз.

Из формулы (2.1) видно, что данная величина имеет размерность (с^-1), соот­ветст­вующую размерности объемного коэффициента массопередачи. Следова­тельно, данный параметр вполне физичен и может быть применен для оценки ин­тенсивности процесса переноса в аппарате. Его называют фактором интенсивно­сти или удельной производи­тельностью аппарата.

Для тарельчатых ап­паратов высота контактной зоны

H_кз = H(n_т/ - 1), (2.2)

где H –величина межтарельчатого расстояния, м; n_т – число теоретических ступе­ней кон­такта;  - эффективность (к.п.д.) контактной ступени. Остановимся несколько подробнее на каждой из этих составляющих.

Величина межтарельчатого расстояния складыва­ется из высоты рабочей и сепарационной зон. При этом определяющей является конст­рукция контактного устройства. Высота рабочей зоны зависит от гидродинамики потока на тарелке, а также условия создания необходимой высоты гидрозатвора в сливном устройстве, что должно предотвращать проскок газовой фазы через сливное устройство. В случае использования тарелок провального типа, последний фактор на учитыва­ется. Высота сепарационной зоны находится из условия обеспечения надежной сепарации фаз в межтарельчатом пространстве (по допустимой величине уноса жидкой фазы).

Число теоретических тарелок характеризует статику процесса массопере­носа и определяется технологическими параметрами процесса, равновесными ус­ловиями в сис­теме.

Эффективность массообменного процесса. Под эффективностью понимают меру приближения термодинамического состояния системы к равновесной. Применительно к массообменному процессу, в качестве оценивающего параметра, принято отношение фактического изменения концентрации компонента на контактной ступени к изменению концентрации при условии, что на выходе ступени система достигает своего равновесного состояния. При этом различают следующие виды эффективности:

1. Точечная эффективность (точечный к.п.д.) связана с изменением концентраций контактирующих потоков в небольшом локальном объеме контактной зоны, в пределах которого можно принять гипотезу о полном перемешивании контактирующих фаз.

2. Локальная эффективность (локальный к.п.д.) учитывает гидродинамическую структуру потоков фаз на контактной ступени.

3. Эффективность контактной ступени (к.п.д. тарелки) учитывает унос газовой фаз.

4. Эффективность колонны (к.п.д. колонны) учитывает неравномерность распределения фаз по контактным ступеням; отклонение профилей температур, давлений, концентраций по высоте аппарата, обусловленного отклонениями параметров состояния потоков питания, жидкого и парового орошения от своих номинальных значений.

Следует отметить, что при переходе от первого пункта к четвертому эффективность снижается.

Согласно формул (2.1), (2.2) основными направлениями интенсификации массообменных аппаратов являются увеличение эффективности контакта фаз на ступени (), уменьшение числа необходимых теоретических ступеней контакта n_т, высоты рабочей и сепарационной зон H. Следует отметить, что деление объема аппарата на рабочие и сепарационные зоны достаточно условно, однако необходимость такого деления объясняется тем, что в последние годы наметились тенденции к созданию высокоскоростных массообменных аппаратов. При этом, разрабатываемые контактные устройства обеспечивают скорости газа по колонне свыше 3 м/с, что способствует увеличению требуемой высоты сепарационной зоны и усложняет конструкцию сепараторов. Кроме того, пропорционально квадрату скорости газа возрастает гидравлическое сопротивление ступени контакта, а это вызывает увеличение высоты гидравлического затвора и переливных устройств и в конечном счете - высоты ступени контакта.

Несмотря на обилие конструкций скоростных контактных устройств, для барботажных аппаратов преимущественно используют устройства, обеспечивающие скорости газа по сечению до 2  2,5 м/с. Лишь для некоторых процессов, где время контакта между фазами может быть небольшим (абсорбция хорошо растворимого газа, хемосорбция и некоторые другие), успешно используют скоростные аппараты, обеспечивающие скорость газа по сечению аппарата 5 м/с и выше.

Для увеличения интенсивности массообменного процесса могут быть использованы режимно-технологические (РТ) и аппаратурно-конструктивные (АК) методы. Действительно, для увеличения параметра  можно применять та­кие РТ-ме­тоды, как увеличение скоростей контактирующих фаз с целью турбули­зации поверхно­сти раздела, организация соударения потоков фаз, закручивание потоков, наложение низко- и высокочастотных пульсаций на контактирующие фазы и целый ряд других ме­тодов, использование которых влечет за собой конст­руктивные изменения и, естест­венно, сочетается с привлечением АК-методов. Для увеличения движущей силы массо­переноса и уменьшения n_т также предло­жен ряд РТ-методов, которые, однако, связаны с АК-ме­тодами в значительно меньшей степени. Так, используют циклическую подачу контак­тирующих фаз, варьируют давление и температуру, применяют разделяющие агенты (азеотроп­ная, экстрактивная, солевая ректификация), совмещают массообменные про­цессы с химическими и др. И, наконец, параметр H_кз является конструктивной характеристикой контактной ступени, для которого используют преимущественно АК-методы за некоторыми редкими исключениями.

В настоящей работе предлагается сравнить между собой по величине пока­зателя интенсивности стандартные конструкции массообменных тарелок: ситча­тую, ситчато-клапанную, клапанную, жалюзийно-клапанную, колпачковую и ре­шетчатую.

2.2. Цель работы. Оценить интенсивность работы колонны с массообмен­ными тарелками различных типов применительно к процессу ректификации би­нарной системы.

2.2.1. Исходные данные.

Варианты заданий приведены в таблице 2.1. Необходимые физические свойства веществ бинарных систем представлены в таблицах 2.2.и 2.3.

Бинарные системы: 1 - бензол-толуол; 2 - метиловый спирт-вода; 3 - ацетон-вода; 4 - вода-уксусная кислота; 5 - этиловый спирт-вода; 6 - хлороформ-вода; 7 - ацетон-этиловый спирт; 8 - ацетон-бензол.

Т а б л и ц а 2.1

Варианты заданий

Номер вари­анта	Технологический параметр
	F, кг/с	XF	XD	XW	t, 0C
1	2	3	4	5	6
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10	5,0 6,0 5,5 8,0 6,5 7,0 4,5 8,5 7,0 6,0	0,30 0,35 0,25 0,32 0,28 0,30 0,26 0,33 0,27 0,34	0,92 0,94 0,91 0,95 0,98 0,90 0,95 0,92 0,91 0,93	0,030 0,025 0,032 0,035 0,018 0,040 0,030 0,035 0,040 0,032	20 30 26 35 24 28 32 35 25 30

Принятые обозначения: F - расход питания, подаваемого в колонну, кг/с; X_F, X_D, X_W - массовое содержание лекголетучего компонента в питании, дистиляте и кубовом остатке соответственно; t - температура питания на входе в колонну (на­чальное приближение), ⁰С. Давление в емкости орошения принять равным атмо­сферному. Охлаждение кон­денсатора производится оборотной водой с темпера­турой на входе в аппарат рав­ной 20 ⁰С.

2.2.2. Порядок выполнения работы.

2.2.2.1. Рекомендации к технологическому расчету. Расчет выполняется с использованием программного пакета “Лабраб2” в оболочке Mathcad (версии 8 и выше).

Целью данного расчета является определение числа теоретических ступеней контакта необходимых для получения продукта заданной чистоты, n_т; получение исходных данных, необхо­димых для выполнения гидродинамического расчета, т. е. нахождение массовых расходов паровой G и жидкой L фаз для укрепляющей и исчерпывающей частей колонны, кг/с; среднего давления P_cp, МПа и температуры t_cp, ⁰C в колонне.

При расчете констант фазового равновесия компонентов системы использу­ется отношение давления насыщенных паров чистого компонента к общему дав­лению процесса. Давление же насыщенных паров P_н (атм) при температуре про­цесса T (К) рассчитывается по уравнению Кокса-Антуана [4]

где С = -18 + 0.19Т_b, K;

при факторе = 1,05 и универсальной газовой постоянной R = 1,987 ккал/(кмольК).

Удельная теплота парообразования при нормальной температуре кипения , ккал/кмоль определяется по методу Джиаколоне [4]

Необходимые для расчета физические константы веществ: М - молекуляр­ная масса, кг/кмоль; _l – плотность жидкой фазы, кг/м³; T_b - нормальная темпера­тура кипения, К; T_c - критическая температура, К и Pc - критическое давление, атм приведены в таблице.

Т а б л и ц а 2.2

Физические константы веществ

Вещество	М, кг/кмоль	Тb, K	Tc, K	Pc, атм	S, A	l, кг/м3
1	2	3	4	5	6	7
Бензол Толуол Метиловый спирт Вода Ацетон Уксусная кислота Этиловый спирт Хлороформ	78,11 92,13 32,04 18,02 58,08 60,05 46,07 119,39	353,3 383,8 337,8 373,2 329,7 391,1 351,7 334,9	562,1 592,0 513,2 647,0 509,1 594,8 516,3 536,6	48,6 41,6 78,5 218,3 47,0 57,1 63,0 54,0	5,349 5,343 3,626 2,641 4,600 4,600 4,530 5,389	900 870 800 1000 810 1060 790 1530

Используя уравнения материального баланса по колонне в целом и для ле­тучего компонента

находится массовый расход дистиллята D.

Перепад давления между емкостью орошения и верхом колонны принять равным 0,02 МПа, а по высоте колонны - 0,04 МПа. Тип конденсатора - парциаль­ный.

Результаты расчета: расходы пара и жидкости; плотности паровой и жидкой фаз; число теоретических тарелок; величина поверхностного натяжения для укрепляющей и исчерпывающей частей колонны; динамическая вязкость паров; среднее давление и температура в колонне; константа фазового равновесия.

2.2.2.2. Рекомендации к гидродинамическому расчету. Целью данного расчета является определение диаметра тарелки (колонны) (D), расстояния между тарелками (H), гидравлического сопротивления тарелки (Р), эффективности та­релки (). Результаты заносят в таблицу 2.4.

Расчет выполняется в соответствии с методикой, приве­денной в ОСТ 26-01-1488-83 [5], в оболочке Mathcad (версии 8 и выше) с использованием следующих программных файлов:

• ситчатаяОСТ.mcd;

• ситчатоклапаннаяОСТ.mcd;

• клапаннаяОСТ.mcd;

• жалюзийноклапаннаяОСТ.mcd;

• колпачковаяОСТ.mcd;

• решетчатаяОСТ. mcd.

Необходимый справочный материал содержится в файле приложение­ОСТ.doc.

В настоящем стандарте приняты следующие условные обозначения.

Ситчатая тарелка, тип 1 (ОСТ 26-01-125-81):

• исполнение 0 соответствует тарелке диаметром от 0,4 до 0,8 м включительно:

• исполнение 1 соответствует большему относительному свободному сечению тарелки диаметром 1,0 м и более;

• исполнение 2 соответствует меньшему относительному свободному сечению тарелки диаметром 1,2 м и более.

Ситчато-клапанная тарелка, тип 2 (ОСТ 26-01-125-81):

• исполнение 0 соответствует тарелке диаметром от 0,4 до 0,8 м включительно;

• исполнение 1 соответствует большему относительному свободному сечению тарелки диаметром 1,0 м и более;

• исполнение 2 соответствует меньшему относительному свободному сечению тарелки диаметром 1,2 м и более.

Клапанная тарелка, тип 3 (ОСТ 26-01-125-81):

• исполнение 0 соответствует большему относительному свободному сечению тарелки диаметром 1,0 м и более;

• исполнение 1 соответствует меньшему относительному свободному сечению тарелки диаметром 1,2 м и более.

Жалюзийно-клапанная, тип 4 (ОСТ 26-01-125-81):

• исполнение 0 соответствует тарелке диаметром 1,0 м;

• исполнение 1 соответствует большему относительному свободному сечению тарелки диаметром более 1,0 м;

• исполнение 2 соответствует меньшему относительному свободному сечению тарелки диаметром более 1,0 м.

Колпачковая тарелка, тип 5 (ОСТ 26-01-125-81):

• исполнение 0 соответствует тарелке диаметром от 0,4 до 0,8 м включительно;

• исполнение 1 соответствует тарелке диаметром более 0,8 м.

Ситчатая многосливная тарелка, тип 6 (ОСТ 26-01-125-81). Для этого типа методика расчета не стандартизована.

Решетчатая тарелка, тип 7 (под типом 7 приняты тарелки по ОСТ 26-675-78 и ОСТ 26-02-2055-79):

• исполнение 0 соответствует тарелке диаметром от 0,4 до 0,8 м включительно;

• исполнение 1 соответствует тарелке диаметром более 0,8 м.

Гидродинамический расчет ориентирован на стандартизованные тарелки. Исключением является выполнение на базе стандартных колпачковой, клапанной и жалюзийно-клапанной тарелок нестандартных конструкций с меньшим, чем в стандартных количеством колпачков, клапанов, жалюзийно-клапанных элемен­тов.

Диаметр тарелки необходимо выбирать из следующего стандартного ряда 0,4; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2,0; 2,2; 2,4; 2,6; 2,8; 3,0; 3,2; 3,4; 3,6; 3,8; 4,0; 4,5; 5,0; 5,5; 5,8; 6,0; 6,3; 6,5; 7,0; 7,5; 8,0; 8,5; 9,0; 10,0 м.

Расстояние между тарелками следует выбирать из следующего ряда 0,20; 0,30; 0,35; 0,40; 0,50; 0,60; 0,70; 0,80; 0,90; 1,00; 1,20 м.

Для тарелок каждого из перечисленных выше типов соответствующими стандартами определено максимальное значение расстояния между тарелками H = 0,60 м.

Применение больших расстояний между тарелками допускается в районах расположения люков колонного аппарата. В исключительных случаях, при необ­ходимости использования высот сливного порога более 0,10 м, в колонных аппа­ратах, работающих под глубоким вакуумом, при разделении сильнопенящихся систем допускается использование расстояний между тарелками более 0,50 м в соответствии с приведенным выше рядом расстояний.

Для цельносварных колонных аппаратов при необходимости частой чистки или ремонта тарелок расстояние между тарелками следует принимать не менее 0,60 м.

Прежде чем приступить к расчету необходимо подготовить следующие исходные данные (принимаются по результатам технологического расчета):

• нагрузки по пару и жидкости, кг/с;

• плотность жидкой фазы принимается в предположении, что жидкая фаза состоит в основном из тяжелолетучего компонента), кг/м³;

• плотность паровой фазы рассчитывается по уравнению Клапейрона [3] при средних температуре и давлении процесса в колонне, кг/м³;

• межфазное натяжение на границе пар-жидкость (мн/м) определяется по уравнению Этвеша [4]

где М - молекулярная масса жидкой фазы, кг/кмоль; _ж - плотность жидкой фазы, кг/м³; Т_с - критическая температура жидкой фазы, К; Т - средняя тем­пература в колонне, К;

• динамическая вязкость паровой фазы (Пас) определяется по уравнению [4]

где М - молекулярная масса паровой фазы (принимается равной массе лег­колетучего компонента), кг/кмоль; Т - средняя температура в колонне, К; S - диаметр молекулы, А (см. табл. 2.2);

• коэффициенты уменьшения и увеличения нагрузки по питанию задаются преподавателем;

• эффективность тарелки (к. п. д.) принимается по рекомендациям [5] (см. табл. 2.3).

Т а б л и ц а 2.3