сp = xp сА + (1 – xp ) сВ; (57)

сА – теплоемкость этилового спирта, кДж/(кг °C) (Приложение Г);

сВ – теплоемкость воды, кДж/(кг °C) (Приложение Г).

сp=0,82·0,71·4,19+0,18·4,19= 3,19 кДж/(кг×К).

Аналогично находим сF =3,27 кДж/(кг×К) и сw=4,16 кДж/(кг×К).

Qк=1,03(1116,92+ 0,34×3,19×77 + 1,05×4,16×99,1 – 1,39×3,27×68) = 1362,52 кВт

7.3 Расход греющего пара

Принимаем пар с давлением 0,3 МПа, для которого теплота конденсации

r = 2171 кДж/кг, тогда

Gп = Qк/r(58)

Gп = 1362,52 / 2171 = 0,63 кг/c

Средняя разность температур в кубе испарителе

Dtср = tп – tw (59)

Dtср = 167 – 99 = 68°C

Ориентировочное значение коэффициента теплопередачи

К = 300 Вт/(м2×К), тогда требуемая поверхность теплообмена.

F = Q / (KDtср) (60)

F= 1362,52×103/(300×68) = 66 м2

Принимаем стандартный кожухотрубчатый теплообменник с диаметром кожуха 600 мм и длиной труб 4 м, для которого поверхность теплообмена равна 75 м2 (Приложение Д).

8 Конструктивный расчет

Корпус колонны диаметром до 1000 мм изготовляют из отдельных царг (Приложение Б), соединяемых между собой с помощью фланцев.

· Толщина обечайки:

S > pD/(2[s]j – p) + c (61)

где [s] = 138 МПа – допускаемое напряжение для стали [3c394];

j = 0,8 – коэффициент ослабления сварного шва;

с = 0,001 мм – поправка на коррозию [3с394].

S > 0,1×0,8/(2×138×0,8 – 0,1) + 0,001 = 0,003 м

Принимаем толщину обечайки s=8мм

Наибольшее распространение в химическом машиностроении получили эллиптические отбортованные днища по ГОСТ 6533 – 78.

· Толщину стенки днища (рис 11) принимаем равной толщине стенки обечайки sд = s = 8 мм.

Рис 11 – Днище колонны

Характеристика днища:

h = 40 мм – высота борта днища;

Масса днища mд = 16,9 кг.

Объем днища Vд = 0,086 м3.

Соединение обечайки с днищами осуществляется с помощью плоских приварных фланцев по ОСТ 26–428–79 (рис 12).

Рис 12 – Фланец

Подсоединение трубопроводов к аппарату осуществляется с помощью штуцеров.

· Диаметр штуцеров

(62)

где wшт – скорость среды в штуцере.

Принимаем скорость жидкости wшт=1 м/с, газовой смеси wшт=25 м/с

Штуцер для входа исходной смеси

d1,2 = (1,39/0,785×1·903,34)0,5 = 0,044 м

принимаем d1 = d2 = 50 мм

Штуцер для входа флегмы

d3 = (1,8×0,34/0,785×1×772,20)0,5 = 0,033 м

принимаем d3 = 40 мм

Штуцер для выхода кубового остатка

d3 = (1,05/0,785×1×954,2)0,5 = 0,037 м

принимаем d4 = 40 мм

Штуцер для выхода паров

d3 = (0,72/0,785×25×1,037)0,5 = 0,188 м

принимаем d5 = 200 мм

Штуцер для входа паров

d6 = (0,5/0,785×25×0,983)0,5 = 0,17 м

принимаем d4 = 200 мм

Все штуцера должны быть снабжены плоскими приварными фланцами по ГОСТ 12820-80. Конструкция фланца приводится на рисунке 13, а размеры в таблице 4.

Рис 13 – Фланец штуцера

Таблица 4 – Размеры приварного фланца штуцера

dусл	D	D2	D1	h	n	d
40	130	100	80	13	4	14
50	140	110	90	13	4	14
200	315	280	258	18	8	18

· Расчет опоры

Аппараты вертикального типа с соотношением Н/D > 5, размещаемые на открытых площадках, оснащают так называемыми юбочными цилиндрическими опорами, конструкция которых приводится на рисунке 14.

Рис 14 – Опора юбочная

· Ориентировочная масса аппарата.

Масса обечайки

mоб = 0,785(Dн2-Dвн2)Нобρ (63)

где Dн = 0,616 м – наружный диаметр колонны;

Dвн = 0,6 м – внутренний диаметр колонны;

Ноб = 9,6 м – высота цилиндрической части колонны

ρ = 7900 кг/м3 – плотность стали

mоб = 0,785(0,6162-0,62)9,6·7900 = 952,55 кг

· Масса тарелок

mт = mn (64)

mт = 18·16,0 = 288,0 кг

m = 16,0 кг – масса одной тарелки

· Общая масса колонны

Принимаем, что масса вспомогательных устройств (штуцеров, измерительных приборов, люков и т.д.) составляет 10% от основной массы колонны, тогда

mк = mоб + mт + 2mд (65)

mк = 1,1(952,55 + 288,0 +2·16,9) = 1401,79 кг≈1402 кг

Масса колонны заполненной водой при гидроиспытании

Масса воды при гидроиспытании:

mв = 1000(0,785D2Hц.об + 2Vд) (66)

mв = 1000(0,785·0,62·9,6 + 2·0,086) = 2884,96 кг≈2885 кг

ректификационный колонна ситчатый этанол вода

Максимальный вес колонны

mmax = mк + mв (67)

mmax= 1402 + 2885 = 4280 кг = 0,042 МН

Принимаем внутренний диаметр опорного кольца D1 = 0,55 м, наружный диаметр опорного кольца D2 = 0,8 м.

· Площадь опорного кольца

А = 0,785(D22 – D12) (68)

А = 0,785(0,82 – 0,552) = 0,27 м2

· Удельная нагрузка опоры на фундамент

s = Q/A (69)

s= 0,042/0,27 = 0,16 МПа < [s] = 15 МПа – для бетонного фундамента.

Выводы

На основе материального расчета рассчитаны материальные потоки в колонне и определен диаметр ректификационной колонны – 600 мм. Найдено оптимальное флегмовое число R = 1,8. Рассчитано действительное число тарелок: 6 в верхней и 12 в нижней части колонны. На основе теплового расчета выбран дефлегматор (диаметр кожуха 600 мм, длина труб 4 м, поверхность теплообмена 75 м2) и испаритель (диаметр кожуха 600 мм, длина труб 4 м, поверхность теплообмена 63 м2) определен расход охлаждающей воды и греющего пара. Проведен конструктивный расчет и подобраны нормализованные конструктивные элементы.

Заключение

В данной курсовой работе рассмотрены основы процесса ректификации, классификация ректификационных колонн по конструкции внутреннего устройства, по периодичности действия и по способу организации движения потоков контактирующих фаз. Кроме того, представлены основные требования по выбору того или иного типа колонны. Согласно заданию на курсовую работу, в котором указаны компоненты бинарной смеси: этанол-вода, выбрана колонна с ситчатыми тарелками, и проведен её расчет по исходным данным, указанным в задании. Выполнен материальный и тепловой балансы, определены основные размеры аппарата и подобраны нормализованные конструктивные элементы.

Для расчетов была выбрана колонна с ситчатыми тарелками, так как они наилучшим образом подходят для проведения разделения незагрязненных жидкостей с постоянной нагрузкой.

Для повышения эффективности работы колонн с ситчатыми тарелками можно порекомендовать:

· соотношение между диаметром отверстий и шагом принять равным 3,6;

· толщину тарелок по возможности уменьшить;

· высота сливного порога при средних и больших скоростях пара в свободном сечении колонны (0.7-1,0 м/с) должна быть не менее 40-50 мм (до75); при малых скоростях пара высота сливного порога не оказывает влияния на эффективность работы тарелки;

· расстояние между тарелками более 150-200 мм не оказывает существенного влияния на эффективность массообмена при условии отсутствия пены; на участках колонны, где образуется большое количество пены, расстояние между тарелками следует увеличивать;

· в колоннах большого диаметра нужно устанавливать тарелки с наклоном в сторону слива, равным 1:45;

· свободное сечение тарелок брать в пределах 7-15%.

Список литературы

1 Краткий справочник физико-химических величин. М., «Химия», 1967 г.

2 Основные процессы и аппараты химической технологии, пособие по проектированию под ред. Ю.И. Дытнерского. М., «Химия» 1991 г.

3 Расчет и проектирование массообменных аппаратов. Учебное пособие. В.Я. Лебедев и др. – Иваново, 1994 г.

4 А.А. Лащинский, А.Р. Толчинский. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. М, 1968 г.

5 К.Ф. Павлов, П. Г. Романков, А. А. Носков. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л., «Химия», 1987 г.

6 П.Г. Романков, В.Ф. Фролов, О.М. Флисюк, М.И. Курочкина. Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии (примеры и задачи). Л., Химия, 1993 г.

7 Г.Я. Рудов, Д.А. Баранов. Расчет тарельчато ректификационной колонны, методические указания. М., МГУИЭ, 1998 г.

8 Каталог «Емскостная стальная сварная аппаратура». М., «ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ», 1969 г.

9 Каталог «Кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего и специального назначения». М., «ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ», 1991 г.

10 ГОСТ 12820-80 «Фланцы стальные плоские приварные на Ру от 0,1 до 2,5 Па (от 1 до25 кгс/см2). Конструкция и размеры».

11 ГОСТ 28759.4-90 «Фланцы сосудов и аппаратов стальные приварные встык под прокладку восьмиугольного сечения. Конструкция и размеры».

12 ОСТ 26-01-108-85 «Тарелки ситчато-клапанные колонных аппаратов. Параметры, конструкция и размеры».

Приложение А

Ситчатая тарелка диаметром 400-600 мм исполнения I

Приложение Б

Схема установки неразборных тарелок в царге

1 – кронштейн;

2 – кольцо упорное;

3 – болт М10х35 по ГОСТ 7798-70;

4 – гайка по ГОСТ5916-70.

Приложение В

Ориентировочные значения коэффициента теплопередачи К

Вид теплообмена	К,Вт/(м2·К)
Вид теплообмена	для вынужденного движения	для свободного движения
От газа к газу	10-40	4-12
От газа к жидкости	10-60	6-20
От конденсирующегося пара к газу	10-60	6-12
От жидкости к жидкости:– для воды– для углеводов и масел	800-1700120-270	140-43030-60
От конденсирующегося пара:– к воде– к кипящей жидкости– к органическим жидкостям	800-3500¾120-340	300-1200300-250060-170
От конденсирующегося пара органических жидкостей к воде	300-800	230-460

Приложение Г

Номограмма для определения теплоёмкости жидкостей

Пересчет в СИ:1 ккал/(кг·ºС) = 4,19·102 Дж/(кг·К)

Приложение Д

Параметры кожухотрубчатых теплообменников и холодильников (по ГОСТ 15118-79, ГОСТ 15120-79 и ГОСТ 15122-79)

Приложение Е

Значение коэффициентов сопротивления сухих тарелок различных конструкций

Тарелка	x
Колпачковая	4,0-5,0
Клапанная	3,6
Ситчатая	1,1-2,0
Провальная с щелевидными отверстиями	1,4-1,5

Расчет ректификационной установки для разделения бинарной смеси этиловый спирт-вода (стр. 6 из 6)

8 Конструктивный расчет