Задачи:

9.1. Рассчитать толщину стенки двойника цилиндрической трубчатой печи по следующим данным: внутренний диаметр трубы двойника равен 50 см, прибавка на коррозию 2 мм., расчетное напряжение в стенке на изогнутом участке трубы отличается от напряжения на прямом участке трубы в 1,05 раза, коэффициент сварного шва – 0,95, давление 2 МПа.

9.2. Рассчитать толщину стенки двойника цилиндрической трубчатой печи по следующим данным: внутренний диаметр трубы двойника равен 0,04 м, прибавка на коррозию 1 мм., расчетное напряжение в стенке на изогнутом участке трубы отличается от напряжения на прямом участке трубы в 2 раза, коэффициент сварного шва – 0,85, давление 0,98 МПа.

Вопросы для самопроверки:

1. Каково назначение трубчатых печей?

2. Какие разновидности трубчатых печей вы знаете?

3. Назовите основные элементы печей.

4. По какой формуле можно вычислить толщину стенки двойника?

Практическое занятие № 10. Конструкции, типы и принцип работы ректификационных колонн. Особенности расчета ректификационной колонны.

Цель – Ознакомление с расчетом ректификационных колонн

В условиях химических производств при синтезе продуктов часто получают смеси жидких компонентов, из которых необходимо выделить затем тот или иной компонент в чистом виде. Это дости­гается ректификацией.

Ректификация — разделение жидкой смеси на компонент путем массообмена между встречными потоками пара и жидкости. Ректификацию широко применяют, так как при ее проведении получают из смеси компоненты необходимой чистоты, чего нельзя достичь другими способами разделения смесей.

Прежде чем рассмотреть сущность процесса ректификации отметим, что смеси жидких компонентов, встречающиеся на практике, могут быть трех видов:

1) смеси жидкостей, взаимно растворимых при любых соотношениях (например, этиловый спирт—вода, бензол—толуол и т. д.);

2) смеси жидкостей, нерастворимых одна в другой (например, бензол—вода, масло—вода и т. д.);

3) смеси частично растворимых жидкостей (например, ацетон-вода, фенол—вода и т. д.).

Ректификационные колонны представляют собой вертикальные цилиндрические аппараты, конструктивно состоящие из ранее изученных стандартных и нормализованных деталей и узлов: корпусов, крышек, днищ, штуцеров или бобышек, люков-лазов, смотровых люков, опор и т.д.), встроенной или вынесенной греющей камеры и внутреннего устройства.

Исходными данными обычно являются:

— количество поступающей на ректификацию исходной смеси (кг/ч) с указанием составляющие компонентов и их характеристики;

— содержание низкокипящего компонента соответственно в исходной смеси, дистилляте кубовом остатке в массовых процентах; физико-химические свойства смеси и компонентов (плотность, вязкость, температура кипения, теплоемкость).

Расчет выполняют по следующей методике.

1. Составление уравнений материального баланса: для всего количества смеси:

(10.1)

Далее определяют выход дистиллята и кубового остатка . По формуле вычисляют расход флегмы (кг/ч).

2. Составление уравнения теплового баланса. В общей форме оно имеет вид (10.2)

где Q — количество тепла, подводимого в кипятильнике куба, Дж/ч;

Q_F — количество тепла, вносимого исходной смесью, кг/ч; Q_ф — количество тепла, вносимого флегмой, Дж/ч; Q_п — количество тепла, уходящего из колонны с парами флегмы и дистиллята, Дж/ч; Q_w — количество тепла, уносимого кубовым остатком, Дж/ч; Q_пот— потери тепла в окружающую среду, Дж/ч.

3. Конструктивный расчет колонны. Высота тарельчатой колонны

(10.3)

h — расстояние между тарелками (принимают по соответствуощей нормали или ОСТу); п — число тарелок; h_w — высота кубо­вой части колонны, м; h_ф — высота колонны над верхней тарелкой, h₀ — высота опоры, м.

Значения h, h_w, h_ф принимают конструктивно с учетом высоты днища и крышки (обычно от 1 до 1,5 м).

Число тарелок п определяют чаще всего графическим способом.

Внутренний диаметр колонны D (м) определяют в зависимости от скорости и количества поднимающихся паров:

(10.4)

где – объем поднимающихся паров, м³/с; скорость пара, отнесенная к живому сечению колонны, м/с.

(10.5)

Здесь V - количество поднимающихся по колонне паров, м³/ч, t – средняя температура пара, ˚С, р – рабочее давление в колонне, мм. рт. ст.

(10.6)

- среднее количество поднимающихся паров, кг/ч;

- количество паров, поднимающихся через нижнюю тарелку; - количество паров, уходящих с верхней тарелки, кг/ч.

Вычисленный по формуле диаметр округляют до значения из стандартного ряда. Затем по D из таблиц соответствующих нормалей или ОСТов выбирают размеры таре- лок. При этом необходимо руководствоваться тем, что площадь сечения для прохода пара должна составлять не менее 10—15 площади сечения колонны.

7.1. Рассчитать ректификационную колонну непрерывного действия с ситчатыми тарелками, с отбойными элементами для разделения G_F = 8000 кг/ч жидкой смеси бензола с толуолом, содержащей a_F = 40% масс. бензола при рабочем давлении р = 760 мм рт. ст. Содержание бензола в дистилляте a_д = 96% масс., в кубовом остатке а_w = 4% масс. Исходную смесь перед подачей в колонну подогревают до температуры кипения t_F = 94°С. Греющий пар имеет избыточное давление р_п = 0,3 МПа. Флегмовое рабочее число R = 1,4 R_min.

Технологический расчет.

По формулам определяем расходы дистиллята и кубового остатка:

;

G_w = G_F – G_Д = 8000 – 3130 = 4870 кг/ч.

Тепловой расчет. Из уравнения теплового баланса определяем расход греющего пара, подаваемого в кипятильник куба колонны. Для этого находим:

а) количество тепла, вносимого в колонну исходной смесью,

Q_F = 8000·1,91·10³·94 = 1,436·10⁹ Дж/ч,

где с_F = 1,91·10³ – удельная теплоёмкость смеси, Дж/(кг· °С);

б) количество тепла, вносимого флегмой,

Q_Ф = 6100·1,93·10³·80,2 = 0,944·10⁹ Дж/ч,

где G_Ф = RG_Д = 1,95·3130 = 6100 кг/ч; с_Д = 1,93·10³ – удельная теплоёмкость флегмы (или дистиллята), Дж/(кг· °С); t_Д = 80,2 °С – температура флегмы (или дистиллята);

в) количество тепла, уносимого уходящими из колонны парами,

Q_П = G_ПI_П = 9230·5,49·10⁵ = 5,07·10⁹ Дж/ч,

где

G_П = G_Ф + G_Д = G_Д (R +1) ≈ 3130(1,95 + 1) = 9230 кг/ч;

I_П = 5,49·10⁵ Дж/кг — теплосодержание пара [33];

г) количество тепла, уносимого кубовым остатком,

Q_w = 4870·1,89·10³·110,4 = 1,016·10⁹ Дж/ч,

д) потери тепла, из-за малости, принимаем Q_П = 0; следовательно,

Q = 5,07·10⁹ + 1,016·10⁹ – 1,436·10⁹ 0,994·10⁹ = 3,656·10⁹Дж/ч.

По значениям Q, Q_F, Q_Ф рассчитываем и подбираем соответственно кипятильник, подогреватель исходной смеси и дефлегматор.

Конструктивный расчет. 1. Высоту колонны определяем по уравнению. Для этого строим график процесса ректификации. Для принятых по данным работы значений упругости паров чистых компонентов по формулам вычисляем состав жидкости и пара, находящихся в состоянии равновесия для ряда температурных точек. По значениям x и y в соответствующем масштабе строим равновесную кривую 1.

Для построения рабочих линий выражаем рабочий состав в молярных долях: М_б = 78 кг/моль; М_т = 92 кг/моль; тогда

в исходной смеси в дистилляте в кубовом остатке

;

Флегмовое число определяем по формуле, т. е. сначала определяем минимальное флегмовое число

,

где y_F^* = 0,66 – содержание пара, равновесного с жидкостью питания, в молярных долях (определяем по диаграмме y – x).

Таблица 8 - Результаты расчёта

Точка	t, °С	Pнк, мм. рт. ст.	Pвк, мм. рт. ст.	x	y
1 2 3 4 5 6 7 8 9	80,2 84 88 92 96 100 104 108 110,4	760 852 957 1078 1204 1344 1495 1659 1748	300 333 380 432 493 559 626 705 760

Рабочее флегмовое число

R = 1,4 R_min = 1,4·1,39 = 1,95.

Уравнение рабочей линии для укрепляющей части колонны имеет вид:

;

y = 0,661 х + 0,327.

Уравнение рабочей линии для исчерпывающей части колонны имеет вид формулу

,

y = 1,45х – 0,0212 ;

здесь

где

кмоль

кмоль

Далее по значениям х_Д, х_F, х_W и b строим график процесса ректификации, из которого по числу «ступенек» определяем теоретическое число тарелок: для укрепляющей части n_Т1 = 7, для исчерпывающей — n_Т2 = 6.

Приняв общий к. п. д. тарелки η = 0,5, определяем действительное число тарелок соответственно:

;

Тогда общая высота колонны

Н = 0,6 (26 – 1) + 2 + 1,5 = 20 м,

где h = 0,6 м - принятое по ГОСТ 16453—70 расстояние между тарелками;

h_w = 2 м - принятая высота кубовой части h_ф = 1,5 м - принятая высота части

колонны над верхней тарелкой; h_о = 1,5 м — высота опоры.

По ГОСТ 1645З—70 выбираем «Тарелку I—1400—600 12Х18Н10Т Гост 16453-70»

2. Внутренний диаметр колонны определяем по формуле, для чего находим следующие величины.

На выходе из колонны пар считаем чистым бензолом; его плотность

кг/м³.

Пар, выходящий из куба-испарителя, условно считаем чистым толуолом; его плотность

кг/м³.

Содержание пара на тарелке ввода исходной смеси определяем из графика: у_F = 0,618, а плотность пара

ρ_Fy = ρ_бy у_F + ρ_Тy (1 – у_F) = 2,69·0,618 + 2,93(1 — 0,618) = 2,78 кг/м³.

Средняя плотность пара в колонне

кг/м³.

Объемный расход пара через сечение колонны

м³/с.

Скорость пара в живом сечении колонны на основании рекомендаций принимаем w = 0,75 м/с.

Внутренний диаметр колонны

м;

По ГОСТ 16453-70 выбираем D = 1,4 м.

Прочностные расчеты. 1. Толщину стенки корпуса колонны определяем по формуле, причем выбираем в качество конструкционного материала двухслойную сталь; основной слой — сталь ВСт3сп4, плакирующий – сталь 12Х18Н10Т. Расчет ведем по основному слою:

м.

С учетом возможного заполнения колонны водой для проверки на герметичность принимаем р_р = 0,2 МПа; С = О (по характеру среды). На основании рекомендаций с учетом условий работы колонны на ветровую нагрузку принимаем по табличным данным толщину основного слоя 6 мм, плакирующего – 2 мм.

2. Определяем вес колонны при заполнении ее водой.

Вес обечайки

G₁ = 80,2 · 850 = 68170 Н,

где 80,2 м² площадь поверхности обечайки; 850 Н — вес 1 м² двухслойной стали толщиной 8 мм.

Вес днища и крышки (приняли по ГОСТ 6533—68)

G₂ = 1060 · 2 = 2120 Н.

Вес тарелок (приняли по ГОСТ 16453—70)

G₃ = 26 · 900 = 23400 Н.

Вес люков-лазов и штуцеров (приняли по ОН 26-01-10—65)

G₄ = 560 · 5= 2800 Н.

Следовательно,

N₁ = G₁ + G₂ + G₃ + G₄ = 68170 + 2120 + 23400 + 2800 =96490 Н.

Вес воды в колонне при испытаниях на герметичность N₀ = 288760 Н.

Тогда

N₂ = N₁ + N₀ = 96490 + 288760 = 385250 Н.

По N₂ из ОСТ 26-467—72 выбираем стандартную конструкцию — «Опора I—1400—0,5—0,39—1,5» (см. рис. 34) — с размерами: D = 1400 мм; D₁ = 1300 мм; D₂ = 1560 мм; D₃ = 1680 мм; d = 60 мм; d₁ = 90 мм; d₂ = 35 мм; h = 6 мм; s₁ = 8 мм; s₂ = 20 мм; ‚ d_б = М30; z = 8 шт.; s₃ = 20 мм.

3. Рассчитаем колонну на ветровую нагрузку.

Так как Н/D = 20/1,412 = 14,16, то принимаем расчетную схему в виде консольного упругозащемленного стержня.

Колонный аппарат по высоте условно разбиваем на n =2 участка высотой по h_i =10м.

Сосредоточенные горизонтальные силы от распределенной ветровой нагрузки на участках 1 и 2 (рис. 141) определяем по формуле:

Р₁ = 0,6 · 1,525 · 0,06075 · 10^-2 · 1,412 · 10 = 0,00787 МН;

Р₂ = 0,6 · 1,525 · 0,045 · 10^-2 · 1,412 · 10 = 0,0058 МН.

В этой формуле

β₁ = 1 + 1,5 · 0,35= 1,525,

где ε = 1,5 — определяем по графику; в зависимости от периода собственных колебаний Т = 0,52 с m = 0,35 — определяем по графику;

q₁ = q·θ₂ = 0,045 · 10^-2 · 1,35 = 0,06075 · 10^-2 МПа;

q₂ = q·θ₁ = 0,045 · 10^-2 · 1 = 0,045 · 10^-2 МПа,

где q = 0,045 · 10^-2 — принимаем по табл. 29.14; θ₂ = 1,35 и θ₁ = 1 – принимаем по графику.

Ветровой момент, действующий в сечении на высоте х₀ = 1,5 и х₀ = 0 – определяем по формуле:

М_В = 0,0058 (5—1,5) + 0,00787 (15—1,5) = 0,126 МН·м;

М_В^’ = 0,0058 (5—0) + 0,00787 (15—0) = 0,147 МН·м.

Максимальное напряжение сжатия на опорной поверхности кольца определяем по формуле.

МПа,

где W = 0,2984 м³ — момент сопротивления опорного кольца; F = 0,888 м³ – площадь опорного кольца.

6. Толщину опорного кольца определяем по формуле:

м,

где b = 0,082 м — расстояние от выступающей части кольца до наружного диаметра опорной обечайки; σ_доп = σ_{и доп} = 140 МПа — допускаемое напряжение на изгиб выбираем для материала опоры (для стали ВСт3сп4 — из табл. 1 - ГОСТ 14249-73)

Для выбранной опоры s₂ = 0,02 м; следовательно условие прочности соблюдается.

Проверку на устойчивость корпуса выполняем по формуле, для чего значения N_Доп , M_Доп определяем по формулам:

N_Доп = 3,14 · 1,412 · 0,006 · 0,867 · 130 = 2,973 МН·м,

где φ_с = 0,867 — определяем по формуле (II-14);

M_Доп = 0,785 · 0,907 · 130 · 1,412² · 0,006 = 1,0885 МН·м;

где φ_и = 0,907 — определяем по формуле.

Значения р_р = 0 и р_доп= 0.

Следовательно,

;

0,245 < 1.

Условие устойчивости соблюдается.

Задача 2. Рассчитать отбензинивающую колонну непрерывного действия установки ЭЛОУ-АВТ для разделения G_F = 85000 кг/ч жидкой смеси нефти и бензина, содержащей a_F = 40% масс. бензина при рабочем давлении р = 760 мм рт. ст. Содержание бензина в дистилляте a_д = 90% масс., в кубовом остатке а_w = 10 % масс. Исходную смесь перед подачей в колонну подогревают до температуры кипения t_F = 104 °С. Греющий пар имеет избыточное давление р_п = МПа. Флегмовое рабочее число R = 1,4 R_min.

Задачи:

1. Рассчитать ректификационную колонну непрерывного действия с решетчатыми тарелками G_F = 8000 кг/ч для разделения газообразной смеси этана с пропаном, содержащей a_F = 40% масс. Этана при рабочем давлении р = 760 мм рт. ст. Содержание этана в дистилляте a_д = 86% масс., в кубовом остатке а_w = 4% масс. Исходную смесь перед подачей в колонну подогревают до температуры кипения t_F = 94 °С. Греющий пар имеет избыточное давление р_п = 2,5 МПа. Флегмовое рабочее число R = 0,7 R_min.

10.2. Рассчитать ректификационную колонну непрерывного действия с провальными тарелками G_F = 10000 кг/ч для разделения смеси бензола с ксилолом, содержащей a_F = 40% масс. Бензола при рабочем давлении р = 760 мм рт. ст. Содержание бензола в дистилляте a_д = 96% масс., в кубовом остатке а_w = 4% масс. Исходную смесь перед подачей в колонну подогревают до температуры кипения t_F = 45 °С. Греющий пар имеет избыточное давление р_п = 6,5 МПа. Флегмовое рабочее число R = 0,5 R_min.