Спроектировать ректификационную установка

Содержание
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ
2 УСТРОЙСТВО РЕКТИФИКАЦИОННЫХ АППАРАТОВ
3 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ
4 РАСЧЕТ ТАРЕЛЬЧАТОЙ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ
4.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
4.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЛЯРНЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ИСХОДНОЙ СМЕСИ, ДИСТИЛЛЯТА И КУБОВОГО ОСТАТКА
4.3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИНИМАЛЬНОГО ФЛЕГМОВОГО ЧИСЛА
4.4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТОВ ПАРА И ЖИДКОСТИ ПО КОЛОННЕ
4.5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИАМЕТРА КОЛОННЫ
4.6 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТАРЕЛКИ
4.7 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ КОНТАКТНОГО УСТРОЙСТВА
4.8 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ
4.9 ПОСТРОЕНИЕ КИНЕТИЧЕСКОЙ КРИВОЙ, ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛА ТАРЕЛОК И РАСЧЕТ ВЫСОТЫ КОЛОННЫ
5 РАСЧЕТ КОЖУХОТРУБЧАТОГО КОНДЕНСАТОРА (ДЕФЛЕГМАТОРА)
6 РАСЧЕТ И ВЫБОР ШТУЦЕРОВ
7 ВЫБОР ФЛАНЦЕВ
8 МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
8.1 РАСЧЕТ КОЛОННЫ И ЭЛЕМЕНТОВ ОПОРЫ ИЗ УСЛОВИЙ ПРОЧНОСТИ И УСТОЙЧИВОСТИ
8.1.1 Расчет обечайки, работающей под внутренним давлением
8.1.2 Расчет эллиптического днища, работающего под внутренним давлением
8.1.3 Расчет допускаемой внешней нагрузки
8.1.3.1 Расчет обечайки, нагруженной внешней осевой сжимающей силой
8.1.3.2 Расчет обечайки, работающей под действием изгибающего момента
8.2 РАСЧЕТ АППАРАТА НА ВЕТРОВУЮ НАГРУЗКУ
8.2.1 Определение периода собственных колебаний
8.2.2 Определяем нормативный скоростной напор ветра
8.2.3 Определение силы от ветровой нагрузки, действующей на каждом участке аппарата
8.2.4 Определение изгибающего момента от ветровой нагрузки на аппарат
9 РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ОПОРЫ
ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Принимаем, что (Вт/м2×К)
Определяем ориентировочное значение поверхности: (м2).
Наиболее близкую к ориентировочной поврхность теплопередачи имеет нормализованный аппарат с доиной труб по ГОСТ 15121-79 (м), (м2), (м2).
Определяем гидравлическое сопротивление ():
(Па)
Штуцер для подачи пара: (мм)
Штуцер для отвода конденсата: (мм)
Штуцер для охлаждения воды: (мм)
Штуцер для соединения с атмосферой: (мм)
По ГОСТ 1255-67 по диаметрам составных частей аппарата выбираем фланцы (исполнение 1):
Таблица 3
 150 260 225 202 161 13 18 М16 3 8 400 535 495 465 426 18 23 М20 5 16 20 90 65 50 26 10 12 М10 1 4
Теперь произведем расчет толщины стенки дефлегматора:
(м), (МПа), (м)
Коэффициент ослабления днища
(мм)
6 Расчет и выбор штуцеров
1) Расчет штуцера для подачи исходной смеси
(м/с)
ºС
(кг/м3)
(кг/м3)
(кг/м3)
(мм)
По ОСТ 26-1401-76 выбираем:
(мм)
(мм)
(мм)
(мм)
(МПа)
Штуцер 50-1-155-ВСт3сп4-10.
2) Расчет штуцера для подачи флегмы
(м/с)
ºС
(МПа)
(кг/м3)
(кг/м3)
(кг/м3)
(мм)
По ОСТ 26-1401-76 выбираем:
(мм)
(мм)
(мм)
(мм)
(МПа)
Штуцер 25-1-155-ВСт3сп4-10.
3) Расчет штуцера для подачи пара
(м/с)
(МПа)
(кг/м3)
(мм)
По ОСТ 26-1401-76 выбираем:
(мм)
(мм)
(мм)
(мм)
(МПа)
Штуцер 300-1-190-ВСт3сп4-10.
4) Расчет штуцера для отвода пара
(м/с)
(МПа)
(кг/м3)
(мм)
По ОСТ 26-1401-76 выбираем:
(мм)
(мм)
(мм)
(мм)
(МПа)
Штуцер 200-1-160-ВСт3сп4-10.
5) Расчет штуцера для отвода кубового остатка
(м/с)
(МПа)
ºС
(кг/м3)
(кг/м3)
(кг/м3)
(мм)
По ОСТ 26-1401-76 выбираем:
(мм)
(мм)
(мм)
(мм)
(МПа)
Штуцер 20-1-155-ВСт3сп4-10.
7 Выбор фланцев
По ГОСТ 1255-67 по диаметрам составных частей аппарата выбираем фланцы (исполнение 1)
Таблица 4
 50 140 110 90 59 10 14 М12 2 4 25 100 75 60 33 10 12 М10 2 4 300 435 395 365 325 18 23 М20 4 12 200 315 280 258 222 15 18 М16 3 8 20 90 65 50 26 10 12 М10 2 4
8 Механический расчет
8.1 Расчет колонны и элементов опоры из условий прочности и устойчивости
8.1.1 Расчет обечайки, работающей под внутренним давлением
Определяем расчетное давление в нижней части обечайки с учетом гидростатического давления столба жидкости:
(м)
Принимаем, что (МПа)
Номинальное допускаемое напряжение для Ст.3 (МН/м2)
(МН/м2)
Номинальная расчетная толщина обечайки: (мм)
(мм)
Рассчитываем толщину стенки обечайки из условия устойчивости:
(мм)
(мм).
Принимаем, что (мм)
Определяем допустимое давление в обечайке
(МН/м2)
8.1.2 Расчет эллиптического днища, работающего под внутренним давлением
Определяем коэффициент ослабления днища отверстиями
Определяем номинальную расчетную толщину стенки днища
(мм)
Определяем общую прибавку к номинальной расчетной толщине стенки
(мм)
Определяем толщину стенки днища с учетом прибавок
(мм)
Принимаем, что (мм)
Определяем допустимое давление в днище:
(МН/м2)
Выбираем стандартное днище: Днище 1600×10-40-Ст.3 ГОСТ 6533-68.
8.1.3 Расчет допускаемой внешней нагрузки
8.1.3.1 Расчет обечайки, нагруженной внешней осевой сжимающей силой
(МН/м2)
Определяем номинальную толщину стенки обечайки из условия прочности:
(мм)
С учетом прибавок принимаем толщину стенки (мм)
Определяем допустимое наружное давление ля аппарата при действии внешней осевой сжимающей силы из условий прочности и устойчивости:
(МН)
8.1.3.2 Расчет обечайки, работающей под действием изгибающего момента
Толщину стенки определяем из условий прочности и местной устойчивости в сжатой зоне.
Определяем допустимое напряжение на изгиб в обечайке
(МН/м2)
Определяем номинальную толщину стенки обечайки из условия прочности
(мм)
(МН/м2)
(МН/м2)
Определяем допустимый критический момент тз условий прочности и устойчивости:
(МН/м2)
8.2 Расчет аппарата на ветровую нагрузку
8.2.1 Определение периода собственных колебаний
Определяем вес аппарата:
(м)
(м3)
(кг)
Минимальный вес аппарата: (кг)
Максимальный вес аппарата: (кг)
Определяем полную высоту колонны:
(м)
(с)
(с)
8.2.2 Определяем нормативный скоростной напор ветра
Условно разбиваем аппарат на три участка. Силу тяжести каждого участка принимаем сосредоточенной в середине соответствующего участка. Ветровую нагрузку равномерно распределяемую по высоте аппарата, заменим сосредоточенными силами, приложенными в тех же местах, что и сила тяжести участков.
(м); (м)
(м); (м)
(м); (м)
(м).
С учетом изоляции (м)
Нормативный скоростной напор ветра (МН/м2)
Также учитываем динамическое воздействие на аппарат возможных порывов ветра, колебания аппарата и явле6ние резонанса, возникающее в том случае, когда при определенных скоростях ветра частота порывов совпадает с частотой собственных колебаний аппарата.
Определяем коэффициент скорости напора
;
;
8.2.3 Определение силы от ветровой нагрузки, действующей на каждом участке аппарата
Определяем силу от ветровой нагрузки:
При максимальной силе тяжести аппарата получим:
(МН)
(МН)
(МН)
При минимальной силе тяжести аппарата получаем:
(МН)
(МН)
(МН).
8.2.4 Определение изгибающего момента от ветровой нагрузки на аппарат
Определяем изгибающий момент от ветровой нагрузки на аппарат, относительно его основания:
При максимальной силе тяжести аппарата:
(МН×м)
(МН×м)
(МН×м)
(МН×м)
При минимальной силе тяжести аппарата:
(МН×м)
(МН×м)
(МН×м)
(МН×м).
Определяем изгибающий момент от ветровой нагрузки на площадки, относительно основания аппарата:
При максимальной силе тяжести аппарата:
(МН×м)
(МН×м)
(МН×м)
(МН×м)
При минимальной силе тяжести аппарата:
(МН×м)
(МН×м)
(МН×м)
(МН×м)
Определяем общий изгибающий момент от ветровой нагрузки:
При максимальной силе тяжести аппарата (МН×м)
При минимальной силе тяжести аппарата (МН×м)
(мН×м) (мН)
(мН×м) (мН).
9 Расчет элементов опоры
Выбираем опору типа 1. Из конструктивных соображений толщину стенки цилиндра опоры выбираем равной 8 (мм). Отверстие для лаза диаметром 0,5 (м).
Определяем напряжение сжатия в стенки опоры, с учетом наличия отверстия для лаза при максимальной нагрузке от силы тяжести аппарата:
(МН/м2)
Определяем напряжение на изгиб в той же стенке при тех же условиях:
(МН/м2)
Определяем допускаемое напряжение на сжатие в обечайке опоры:
(МН/м2)
Определяем допускаемое напряжение на изгиб в обечайке опоры:
(МН/м2)
Проверяем условие устойчивости цилиндрической обечайки:
устойчивость обеспечена.
Определяем максимальные напряжения на сжатие в сварном шве, соединяющем цилиндрическую опору с корпусом аппарата, при коэффициенте сварного шва
(МН/м2)
Определяем внутренний диаметр опорного кольца:
(м)
Определяем наружный диаметр опорного кольца:
(м)
Определяем опорную площадь кольца:
(м2)
Определяем момент сопротивления опорной площадки кольца:
(м3)
Определяем максимальное напряжение сжатия на опорной поверхности кольца:
(МН/м2)(МН/м2)
Определяем номинальную расчетную толщину опорного кольца при (м):
(мм)
С учетом прибавки на коррозию принимаем, округляя размер, (мм)
Определяем наименьшее напряжение на опорной поверхности кольца:
При максимальной силе тяжести аппарат
(МН/м2)
При минимальной силе тяжести аппарата
(МН/м2)
Расчетным является большее по абсолютной величине значение - при минимальной силе тяжести аппарата, а знак «-» показывает на необходимость установки фундаментных болтов.
Определяем общую условную расчетную нагрузку на фундаментные болты:
(МН)
Принимаем количество фундаментных болтов штук.
Определяем нагрузку на один болт (МН)
Определяем расчетный внутренний диаметр резьбы болтов:
(мм)
По ГОСТ 9150-59 принимаем (мм)
Принимаем болты фундаментные М30 ГОСТ 24379.1-80.
Определяем диаметр болтовой окружности:
(м)
Принимаем (мм)
Принимаем люк 1-1-500-Х8-10-3-1 ОСТ 26-2005-77 (таблица 5).
Таблица 5
500 1 640 8 26 300
Выводы
Как известно, ректификация – это массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаях в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными используемым в процессах абсорбции. Поэтому методы подхода к расчету и проектированию ректификационных и абсорбционных установок имеют много общего. Тем не менее ряд особенностей процесса ректификации (различное соотношение нагрузок по жидкости и пару в нижней и верхний частях колонны, переменный по высоте коэффициент распределения, совместное протекание процессов массо- и теплопереноса) осложняет его расчет.
Одна из сложностей, с которой встречаются проектировщики, заключается в том, что в литературе отсутствуют обобщенные закономерности для расчета кинетических коэффициентов процесса ректификации. В наибольшей степени это относится к колоннам диаметром более 800 (мм), с насадками и тарелками, широко применяемыми в химических производствах. Большинство рекомендаций сводится к использованию для расчетов ректификационных колонн кинетических зависимостей, полученных при исследовании абсорбционных процессов.
Большое разнообразие тарельчатых контактных устройств затрудняет выбор оптимальной конструкции тарелки. При этом наряду с общими требованиями (такими как высокая интенсивность единицы объема аппарата, его стоимость и др.) ряд требований может определятся спецификой производства: большим интервалом устойчивой работы при изменении нагрузок по фазам, способностью тарелок работать в среде загрязненных жидкостей, возможностью защиты от коррозии и т.п. Зачастую эти качества становятся превалирующими, определяющим пригодность той или иной конструкции для использования в каждом конкретном процессе.
Размеры тарельчатой колонны (диаметр и высота) определяются нагрузками по пару и жидкости, типом контактного устройства (тарелки), физическими свойствами взаимодействующих фаз.
Целью проектного расчета ректификационной колонны для разделения смеси ацетон-вода являлось определение диаметра колонны, числа контактных устройств в укрепляющей и исчерпывающей частях колонны, гидравлического сопротивления тарелки и колонны в целом, при заданных составах исходной смеси, дистиллята и кубового остатка, расходе исходной смеси и давлении в колонне.
Проведенные расчеты позволили установить:
диаметр колонны ;
число контактных устройств – ситчатых тарелок – в укрепляющей части колонны –6 (шт.);
число контактных устройств – ситчатых тарелок – исчерпывающей части колонны – 23 (шт.);
высота колонны .
При данных параметра разделение смеси ацетон-вода в спроектированной ректификационной установке будет происходить наиболее оптимально, и заданная производительности по исходной смеси будет достигнута.
Список литературы
Александров И.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. – М.: Химия, 1978.
Артамонов Д.С., Орлов В.Н. Расчет тарельчатой ректификационной колонны: Методические указания. – М.: МИХТ, 1981.
Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. – М.: Химия, 1991.
Коган В.Б., Фридман В.М., Кафаров В.В. рановесие между жидкостью и паром. – М.: Наук, 1966.
Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов: Справочник. – Л.: Машиностроение, 1981.
Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. – Л.: Машиностроение, 1970.
Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. – Л.: Химия, 1987.
Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1968.
Рудов Г.Я., Д. А. Баранов Д.А. Расчет тарельчато ректификационной колонны: Методические указания. – М.: МГУИЭ, 1998.
Стабников В.Н. Расчет и конструирование контактных устройств ректификационных и абсорбционных аппаратов. – Киев: Техника, 1970.
Тютюнников А.Б., Товажнянский Л.Л., Готлинская А.П. Основы расчета и конструирования массообменных колонн. – Киев: Высшая школа, 1989.
ГОСТ 9617-76. Сосуды и аппараты. Ряды диаметров. – М.: Издательство стандартов, 1977.
Каталог: Емкостная стальная сварная аппаратура. – М.: «ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ», 1969.
Каталог: Кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего и специального назначения. – М.: «ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ», 1991.
Краткий справочник физико-химических величин. – М.: Химия, 1967.
Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1968, 848 с.
3