Расчёт коэффициентов массопередачи и высоты колонны.

Определим коэффициент диффузии газа для нижней и верней части колонны при средней температуре t (в ˚С) по формуле:

[1,с.234]

Коэффициенты диффузии в жидкости D_xпри 20˚С можно вычислить по приближённой формуле:

,

где А, В – коэффициенты, зависящие от свойств растворённого вещества и растворителя;

- мольные объемы компонентов в жидком состоянии при температуре кипения, см³/моль;

μ_х – вязкость жидкости при 20˚С, мПа·с.

А= В = 1

= 92,3 см³/моль =96 см³/моль

Тогда коэффициент диффузии в жидкости при 20˚С равен:

Температурный коэффициент b определяют по формуле

[1,с.234]

Здесь μ_хи ρ_хпринимаются при температуре 20˚С. Тогда

Отсюда

м²/с

 

м²/с

Определим коэффициент диффузии газа для нижней и верней части колонны по формуле:

 

где T – средняя температура в соответствующей части колонны,

p- давления газа, Па;

 

Рассчитав коэффициенты молекулярной диффузии в жидкой D_xи паровойD_y фазах, вычисляем коэффициенты массоотдачи, отнесённые к единице рабочей поверхности тарелки для жидкой и паровой фаз:

Вязкость паров для верхней части колонны:

[1,с.234]

где μ_х и μ_уб – вязкость паров хлороформа и бензола при средней температуре верхней части колонны, мПа·с;

у – средняя концентрация паров:

Подставив, получим:

 

Аналогичным расчётом для нижней части колонны находим:

 

Для верхней части колонны:

коэффициент массоотдачи в жидкой фазе

коэффициент массоотдачи в паровой фазе

 

Для нижней части колонны:

коэффициент массоотдачи в жидкой фазе

 

коэффициент массоотдачи в паровой фазе

Пересчитаем коэффициенты массоотдачи на кмоль/(м²·с):

кмоль/(м²·с)

кмоль/(м²·с)

кмоль/(м²·с)

кмоль/(м²·с)

Коэффициенты массоотдачи, рассчитанные по средним значениям скоростей и физических свойств паровой и жидкой фаз, постоянны для верхней и нижней частей колонны. В то же время коэффициент массопередачи – величина переменная, зависящая от кривизны линии равновесия, т.е. от коэффициента распределения. Поэтому для определения данных, по которым строится кинетическая линия необходимо вычислить несколько значений коэффициентов массопередачи в интервале изменения состава жидкости x_W и x_D.

Приведем пример расчета для одной точки в верхней и нижней частях колонны при

Коэффициент распределения компонента по фазам (тангенс угла наклона равновесной линии в этой точке):

Коэффициент массопередачи: [1,с.239]

 

Общее число единиц переноса на тарелку n_oy находим по уравнению:

[1,с.239]

 

Локальная эффективность:

[1,с.239]

Для определения эффективности по Мерфи Е_Му необходимо рассчитать также фактор массопередачи λ, долю байпасирующей жидкости θ, число ячеек полного перемешивания S и межтарельчатый унос e.

Фактор массопередачи:

[1,с.238]

 

 

Фактор скорости:

Доля байпасирующей жидкости для ситчатых тарелок при факторе скорости 1,572 и 1,41 принимают θ = 0,1.

Для ситчатых тарелок в колоннах диаметром более 600 мм с достаточной степенью приближения можно считать, что одна ячейка перемешивания соответствует длине пути жидкости l = 300–400мм.

Примем l = 350мм и определим число ячеек полного перемешивания S как отношение длины пути жидкости на тарелке l_T к длине l. Определим l_T как расстояние между переливными устройствами:

Тогда число ячеек полного перемешивания на тарелке

Относительный унос жидкости e в тарельчатых колоннах определяется в основном скоростью пара, высотой сепарационного пространства и физическими свойствами жидкости и пара. Унос на тарелках различной конструкции является функцией комплекса Коэффициент m, учитывающий влияние на унос физических свойств пара и жидкости:

;

. [1,с.242]

Высота сепарационного пространства H_c равна расстоянию между верхним уровнем барботажного слоя и плоскостью тарелки, расположенной выше: где H–межтарельчатое расстояние, м; h_П = высота барботажного слоя, м. [1,с.242]

 

 

[1,с.242]

Подставляя вычисленные ранее значения, определяем КПД по Мерфи E_My:

[1,с.238,243]

 

[1,с.238]

[1,с.238]

[1,с.238]

 

Аналогичным образом подсчитаны все величины для других составов жидкости. Результаты расчета параметров, необходимых для построения кинетической линии, приведены в таблице ниже.

Зная эффективность по Мерфи, можно определить концентрацию легколетучего компонента в паре на выходе из тарелке:

[1,с.243]

 

 

Результаты расчета параметров, необходимых для построения кинетической линии, приведены в таблице 1:

Таблица 1. Результаты расчёта величин, необходимых для построения кинетической линии

Параметр	Нижняя часть	Верхняя часть
x	0,15	0,3	0,45	0,6	0,75	0,9
m	1,26	1,38	0,84	0,82	0,77	0,67
Kyf	0,0062	0,061	0,065	0,056	0,056	0,057
noy	2,256	2,226	2,37	2,01	2,01	2,046
Ey	0,895	0,89	0,91	0,87	0,87	0,87
B	1,496	1,615	1,064	1,002	0,95	0,85
	1,677	1,75	1,422	1,32	1,296	1,24
	1,29	1,31	1,221	1,148	1,14	1,115
EMy	1,17	1,26	0,79	0,74	0,698	0,61
yk	0,2	0,43	0,59	0,727	0,84	0,94

Взяв отсюда значения х и у_к, наносим на диаграмму х – у точки, по которым проводим кинетическую линию. Построением ступеней между рабочей и кинетической линиями в интервалах концентраций от х_D до x_F определяем число действительных тарелок N_В для верхней (укрепляющей) части и в интервалах от x_F до x_W - число действительных тарелок N_H для нижней (исчерпывающей) части колонны. Общее число действительных тарелок N равно:

N = N_B + N_H = 12 + 32 = 44 тарелок [1,с.243]

Высоту тарельчатой ректификационной колонны определим по формуле

[1,с.238]

где Н - расстояние между тарелками, м;

z_B, z_H - расстояние соответственно между верхней тарелкой и крышкой колонны и между днищем колонны и нижней тарелкой, м.

H_k=(44-1)·0.5+1+2=24,5 м

 

Конструктивный расчет

Диаметры штуцеров определим по формуле:

[1,с.16]

где Q– расход;

v - скорость (определяем исходя из справочных данных [1]);

r - плотность жидкости (пара).

 

Диаметр штуцера исходной смеси:

[1,с.16]

v=1,5 м/с – скорость потока жидкости при подачи насосом.

 

Диметр штуцера для выхода пара равен:

[1,с.16]

где v = 20 м/с - скорость потока насыщенных паров;

r_y = 3,6 кг/м³;

G_п= P (R+1) = 3,6 (4,1+1)=18,36 кг/с - расход паров

 

Диметр штуцера для входа паров из кипятильника равен:

[1,с.16]

где v = 40 м/с; r_y =0,792 кг/м³.

 

Диметр штуцера для входа флегмы равен:

[1,с.16]

где v = 0,6 м/с;

Ф = P R=3,6 4,1=14,76 кг/с – расход флегмы

 

Диметр штуцера для выхода кубового остатка и жидкости из куба равен:

[1,с.16]

где, – скорость потока при движении самотеком.

 

Гидравлический расчет

 

Гидравлическое сопротивление тарелок колонны D Р_К определяют по формуле:

[1,с.244]

где D Р_В и D Р_Н - гидравлическое сопротивление одной тарелки соответственно верхней и нижней части колонны, Па.

Полное гидравлическое сопротивление одной тарелки складывается из трёх слагаемых.

[1,с.244]

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки рассчитаем по уравнению:

[1,с.209]

;

Коэффициент сопротивления x сухих ситчатых тарелок равен 1,1 –2,0. Примем x = 1,8. [1,с.210]

Гидравлическое сопротивление газо-жидкостного слоя (пены) на тарелках будет различным в верхней и нижней частях колонны:

[1,с.244]

Гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения, равно:

[1,с.244]

Тогда полное сопротивление одной тарелки равно:

Тогда полное сопротивление ректификационной колонны:

 

Механический расчет

 

Расчёт толщины обечайки

Главным составным элементом корпуса большинства химических аппаратов является обечайка. В химическом аппаратостроении наиболее распространены цилиндрические обечайки, отличающиеся простотой изготовления, рациональным расходом материала и достаточной прочностью.

Для ректификационной колонны, диаметром 2400 мм, примем стандартную минимальную толщину стенки корпуса δ = 12 мм и проверим, выполняется ли условие

 

где С_к - прибавка к номинальной толщине детали, учитывающая разрушающее действие среды на материал:

[1,с.394]

- амортизационный срок службы аппарата (принимаем = 10 лет);

П – коррозионная проницаемость, мм/год (принимаем П = 0,1 мм/год).

Тогда

мм

Проверяем выполнение условия

(12-1)/2400 ≤ 0,1

0,0046 < 0,1

Поскольку условие выполняется, принимаем толщину обечайки δ = 12 мм.

 

Расчёт толщины днища

Составными элементами корпусов химических аппаратов являются днища, которые обычно изготовляются из того же материала, что и обечайки, и привариваются к ней. Днище неразъёмное ограничивает корпус вертикального аппарата снизу и сверху. Форма днища может быть эллиптической, сферической, конической и плоской. Наиболее рациональной формой днищ для цилиндрических аппаратов является эллиптической. Эллиптические днища изготавливаются из листового проката штамповкой.

Толщину днища принимаем равной толщине обечайки и проверяем выполнение условие

 

0,0046<0,125

Следовательно, условие выполняется.

 

Dф

S

D

DБ

dБ

h

D1

4.3 Расчёт фланцевых соединений и крышки

Соединение состоит из двух фланцев, прокладки, которую размещают между уплотнительными поверхностями фланцев, болтов, гаек и шайб. Т.к. давление в аппарате P=1 МПа < 2,5 МПа, то выбирается фланец с гладкой поверхностью.

Прокладка – фторопласт:

D_п =1680 мм; d_п = 1638 мм.

При конструировании аппаратов выполняют проверочный расчет болтов в соответствии с ОСТ 26–373–82:

1. Нагрузка, действующая на фланцевое соединение от внутреннего давления где средний диаметр прокладки

[4,с.17]

2. Реакция прокладки

[4,с.17]

где ширина прокладки

b₀–эффективная ширина прокладки: при

 

3. Болтовая нагрузка при сборке:

[4,с.18]

где q = 10 МПа;

[4,с.18]

где – допускаемое напряжение для материала болта при 20⁰С; ВСт3, – площадь поперечного сечения болта.

Наибольшее значение

4. Проверка прочности болтов при монтаже

[4,с.18]

5. Проверка прочности болтов в период эксплуатации

[4,с.18]

где – допускаемое напряжение для болта при рабочей температуре,

 

 

Выполняются оба условия, следовательно, нет необходимости увеличивать число болтов, z = 92.

 

D мм	P, МПА	Размеры, мм	Число отверстий
		Dф	Dб	D1	h	S	d	dб
						М 27

[4,с.68, таблица 4]

 

 

Расчёт опор аппаратов

Выбор типа опоры зависит от ряда условий: места установки аппарата, соотношения высоты и диаметра аппарата, его массы и т.д. Аппараты вертикального типа с соотношением ≥5, размещаемые на открытых площадках, оснащают так называемыми юбочными опорами, цилиндрическими или коническими. В нашем случае берем цилиндрические опоры. [2,с.672]

Вес аппарата при гидроиспытании:

G_max= g (M_об+M_ж)

M_об =

M_ж = 0,785 кг

G_max=9,81

с запасом 0,9 мН

Толщина стенки цилиндрической опоры S=18 мм. Напряжение сжатия в этой стенке с учетом наличия в ней отверстия для лаза d = 0,5 м при максимальной нагрузке от силы тяжести аппарата:

[2,с.691]

 

Отношение:

70,59 [2,с.692]

 

K_c =0,065; K_u =0,086; [2,с.418]

[2,с.692]

[2,с.692]

 

Допускаемое напряжение на сжатие в обечайке опоры:

140,7 Мн/м² [2,с.692]

Допускаемое напряжение на изгиб в обечайке опоры:

Мн/м² [2,с.692]

Условие выполняется.

Максимальные напряжения на сжатие в сварном шве, соединяющем цилиндрическую опору с корпусом аппарата, при коэффициенте сварного шва = 0,7:

[2,с.692]

Внутренний диаметр опорного кольца:

D₂ = D — 0,06 =2,4-0,06=2,34 м [2,с.692]

Наружный диаметр опорного кольца:

D₁ = D + 2 S+0,2 = 2,4 + 2 0,018 + 0,2 = 2,636 м [2,с.692]

Опорная площадь кольца:

[2,с.692]

Максимальное напряжение сжатия на опорной поверхности кольца:

[2,с.692]

Номинальная расчетная толщина опорного кольца при l= 0,1 м:

[2,с.692]

с учетом прибавки на коррозию принимаем, округляя размер S_к = 44 мм.

Расчетная нагрузка на один болт:

[2,с.692]

Расчетный внутренний диаметр резьбы болтов:

[2,с.692]

Принимаем болты М14 (d₁=11,402). [2,с.538]

Заключение

 

В данном курсовом проекте в результате проведённых инженерных расчетов была подобрана ректификационная установка для разделения бинарной смеси хлороформ - бензол, с ректификационной колонной диаметром D = 2,4 (м), высотой H = 19 (м), в которой применяются ситчатые тарелки типа ТС-Р, расстояние между которыми h = 0,5 (м). Колонна работает в нормальном режиме.

 

 

Список использованной литературы

 

1. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Г.С. Борисов, В.П.Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И.Дытнерского, 3-е изд., стереотипное. М.: ООО ИД «Альянс», 2007-496 с.

2. Основы конструирования и расчёта химической аппаратуры: Справочник, А.А. Лащинский, А.Р. Толчинский; под редакцией инж. Н.Н. Логинова.- 4-е изд., стереотипное. ООО «Торгово- Издательский Дом «Арис», 2010.-753 с., илл.

3. Варгафтик Н.Б. - Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. Изд.2, доп. и перераб. М.: 1972 г., 720 с., ил.

4. Расчет и конструирование химических аппаратов с мешалками: учебное пособие/ Островская Э.Н., Полякова Т.В.- Казань:Изд-во Казан.гос.технол.ун-та,2006.- 120с.