Задачи:
7.1. Рассчитать ректификационную колонну непрерывного действия с ситчатыми тарелками, с отбойными элементами для разделения GF = 8000 кг/ч жидкой смеси бензола с толуолом, содержащей aF = 40% масс. бензола при рабочем давлении р = 760 мм рт. ст. Содержание бензола в дистилляте aд = 96% масс., в кубовом остатке аw = 4% масс. Исходную смесь перед подачей в колонну подогревают до температуры кипения tF = 94°С. Греющий пар имеет избыточное давление рп = 0,3 МПа. Флегмовое рабочее число R = 1,4 Rmin.
Технологический расчет.
По формулам определяем расходы дистиллята и кубового остатка:
;
Gw = GF – GД = 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,
QF = 8000·1,91·103·94 = 1,436·109 Дж/ч,
где сF = 1,91·103 – удельная теплоёмкость смеси, Дж/(кг· °С);
б) количество тепла, вносимого флегмой,
QФ = 6100·1,93·103·80,2 = 0,944·109 Дж/ч,
где GФ = RGД = 1,95·3130 = 6100 кг/ч; сД = 1,93·103 – удельная теплоёмкость флегмы (или дистиллята), Дж/(кг· °С); tД = 80,2 °С – температура флегмы (или дистиллята);
в) количество тепла, уносимого уходящими из колонны парами,
QП = GПIП = 9230·5,49·105 = 5,07·109 Дж/ч,
где
GП = GФ + GД = GД (R +1) ≈ 3130(1,95 + 1) = 9230 кг/ч;
IП = 5,49·105 Дж/кг — теплосодержание пара [33];
г) количество тепла, уносимого кубовым остатком,
Qw = 4870·1,89·103·110,4 = 1,016·109 Дж/ч,
д) потери тепла, из-за малости, принимаем QП = 0; следовательно,
Q = 5,07·109 + 1,016·109 – 1,436·109 0,994·109 = 3,656·109Дж/ч.
По значениям Q, QF, QФ 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: Мб = 78 кг/моль; Мт = 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 yF* = 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 Rmin = 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 хД, хF, хW и b строим график процесса ректификации, из которого по числу «ступенек» определяем теоретическое число тарелок: для укрепляющей части nТ1 = 7, для исчерпывающей — nТ2 = 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;
hw = 2 м - принятая высота кубовой части hф = 1,5 м - принятая высота части
колонны над верхней тарелкой; hо = 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: уF = 0,618, а плотность пара
ρFy = ρбy уF + ρТy (1 – уF) = 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 рр = 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; ‚ dб = 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 hi =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:
МВ = 0,0058 (5—1,5) + 0,00787 (15—1,5) = 0,126 МН·м;
МВ’ = 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; σдоп = σи 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 NДоп , MДоп определяем по формулам:
NДоп = 3,14 · 1,412 · 0,006 · 0,867 · 130 = 2,973 МН·м,
где φс = 0,867 — определяем по формуле (II-14);
MДоп = 0,785 · 0,907 · 130 · 1,4122 · 0,006 = 1,0885 МН·м;
где φи = 0,907 — определяем по формуле.
Значения рр = 0 и рдоп= 0.
Следовательно,
;
0,245 < 1.
Условие устойчивости соблюдается.
Задача 7.2. Рассчитать отбензинивающую колонну непрерывного действия установки ЭЛОУ-АВТ для разделения GF = 85000 кг/ч жидкой смеси нефти и бензина, содержащей aF = 40% масс. бензина при рабочем давлении р = 760 мм рт. ст. Содержание бензина в дистилляте aд = 90% масс., в кубовом остатке аw = 10 % масс. Исходную смесь перед подачей в колонну подогревают до температуры кипения tF = 104 °С. Греющий пар имеет избыточное давление рп = МПа. Флегмовое рабочее число R = 1,4 Rmin.