Пояснительная записка к выпускной квалификационной работе по направлению подготовки «Технологические машины и оборудование»

Кипятильник («нулевая отгонная тарелка)
Состав колонны известен, поэтому рассчитываем состав паров, равновесных с остатком, поступающим из кипятильника на первую тарелку, по уравнению:




Проверка

Константа фазового равновесия эталонного компонента – нормального бутана равна:

Находим температуру в низу колонны (в кипятильнике):
Т₀=Т_R=385,75 К
Первая тарелка
Состав флегмы с первой тарелки рассчитываем по уравнению концентраций, зная состав паров из кипятильника:




Состав паров с первой тарелки:



Константа фазового равновесия бутана:

По номограмме [8] определяем T₁=379 К.
Расчет отгонной части следует прекратить на той очередной тарелке (в нашем случае пятой), которую покидают равновесные жидкая и паровая фазы, по составу практически одинаковые с равновесными жидкой и паровой фазами, полученными для очередной тарелки (в нашем случае – седьмой) укрепляющей части при расчете в ней элементов ректификации.

Таблица 3.11 – Расчет тарелок отгонной части ректификационной колонны

Компо-ненты сырья	Кипятильник T0=TR=385,75 К				Первая тарелка снизу Т1=378 К
					0,62*
СН4	30,21	-	-	-	-	-	-	-	-	-
С2Н6	7,87	-	-	-	-	-	-	-	-	-
С3Н8	2,7	0,020	0,054	0,0624	0,0387	0,0076	0,0463	0,1249	0,1303	-
С4Н10	1,00	0,663	0,663	0,7656	0,4847	0,2519	0,7266	0,7266	0,7583	1,0436
С5Н12	0,47	0,317	0,1490	0,1720	0,1067	0,1205	0,2271	0,1068	0,1114	-
Сумма		1,000	0,8660	1,0000			1,0000	0,9583	1,0000

Продолжение таблицы 3.11

Компо-ненты сырья	Вторая тарелка снизу Т2=372 К							Третья тарелка снизу Т3=367 К
		0,62*
СН4	30,21	0	0	0	0	0		0	0	0	0
С2Н6	7,87	0	0	0	0	0		0	0	0	0
С3Н8	2,7	0,0808	0,0076	0,0884	0,2034	0,2027		0,1257	0,0076	0,1333	0,3066	0,2855
С4Н10	1,00	0,4701	0,2519	0,7221	0,7221	0,7198	0,969	0,4463	0,2519	0,6982	0,6982	0,6502	0,9312
С5Н12	0,47	0,0691	0,1205	0,1895	0,0777	0,0777		0,0482	0,1205	0,1686	0,0691	0,0644
Сумма				1,0300		1,0002				1,0001	1,0739	1,0000

Продолжение таблицы 3.11

Компо-ненты сырья	Четвертая тарелка снизу Т4=363 К							Пятая тарелка снизу Т5=359 К
		0,62*
СН4	30,21	0	0	0	0	0		0	0	0	0	0
С2Н6	7,87	0	0	0	0	0		0	0	0	0	0,0012
С3Н8	2,7	0,1770	0,0076	0,1846	0,4245	0,3707		0,2298	0,0076	0,2374	0,5461	0,4488
С4Н10	1,00	0,4031	0,2519	0,6550	0,6550	0,5719	0,8731	0,3546	0,2519	0,6065	0,6065	0,4986	0,822
С5Н12	0,47	0,0399	0,1205	0,1604	0,0658	0,0574		0,0356	0,1205	0,1561	0,0640	0,0526
Сумма				1,000	1,1453	1,0000				1,0000	1,2165	0,0012

Продолжение таблицы 3.11

Компо-ненты сырья	Шестая тарелка снизу Т6=355 К							Седьмая тарелка снизу Т7=353 К
		0,62*
СН4	30,21	0	0	0	0	0,00015		0,0001	0	0,0001	0,0001	0,00001
С2Н6	7,87	0,0007	0	0,0007	0,0039	0,0031		0,0019	0	0,0019	0,0019	0,0014
С3Н8	2,7	0,2783	0,0076	0,2859	0,6575	0,5116		0,3172	0,0076	0,3248	0,7470	0,5602
С4Н10	1,00	0,3091	0,2519	0,5610	0,5610	0,4365	0,7780	0,2706	0,2519	0,5226	0,5226	0,3919	0,750
С5Н12	0,47	0,0326	0,1205	0,1531	0,0628	0,0488		0,0303	0,1205	0,1507	0,1507	0,0463
Сумма				1,0007	1,2853	1,0002				1,0009	1,3334	1,0000

3.10 Расчет основных размеров колонны

3.10.1 Расчет диаметра колонны

Внутренний диаметр колонны можно определить из формулы:

где
– наибольший секундный объем паров, проходящих через сечение колонны;
–допускаемая скорость паров в полном (свободном) сечении колонны.
а) определение наибольшего секундного объема паров
Наиболее нагруженным по парам является верхнее сечение колонны. Найдем объем паров на верху колонны по формуле:

где
– часовое количество паров на верху колонны, равное:

где
– производительность колонны по сырью, кг/час;
– средняя молекулярная масса сырья.
Определим коэффициент сжимаемости Z.
Так как на верху колонны пары практически полностью состоят из пропана, поэтому коэффициент сжимаемости определим для пропана. Критическая температура пропана Т_кр=369,8 К, критическое давление пропана Р_кр=4,21*10⁶ Па, температура паров Т₂=293 К [9].
Приведенная температура пропана:

Приведенное давление:

По графику Z=0,77.
Определяем :

б) определение допустимой скорости паров в полном (свободном) сечении колонны по формуле:



где
U – массовая скорость паров, кг/(м²*час);
и – плотность паров и жидкости на верху колонны, кг/м³;
С – коэффициент, зависящий от расстояния между тарелками.
Поскольку дистиллят практически состоит из пропана, найдем плотность пропана в жидком и парообразном состоянии при температуре на верху колонны:
= 0,0339 г/см³=34 кг/м³;
= 0,460 г/см³=460 кг/м³.
Принимая расстояние между тарелками 400 мм, определим значение с=540.

в) определение линейной скорости паров
линейная скорость паров может быть определена по формуле:

г) определение диаметра колонны

Принимаем ближайший диаметр

2. 
   Расчет толщины стенки цилиндрической части (корпуса) колонны
   

Толщина стенки цилиндрической части (корпуса) колонны ,мм:
= +с,
где
- давление в колонне, =1,5 МПа;
R - радиус цилиндрической части, R= 300 мм;
K - коэффициент запаса прочности конструкции
[ ] - допускаемое напряжение на растяжение для материала обечайки, [ ] =300 кг/см²;
- коэффициент прочности сварного шва, =0,85;
с - запас на коррозию металла, с = 3 мм.
= +3=9,17 мм
Принимаем толщину стенки цилиндрической части корпуса =10 мм.

2. 
   Расчет эллиптического днища
   

Наиболее распространенной формой днищ и крышек является эллиптическая форма с отбортовкой на цилиндр (рис. 3.1).

Рис. 3.1 - Днище эллиптическое с отбортовкой
Толщина стенки эллиптического днища s, мм:
_+с,
где - радиус днища, =300 мм.
= +3=9,2 мм.
Принимаем толщину стенки эллиптического днища =10 мм.
Глубина эллиптического днища Н, мм,


Высота h=25 мм по справочным данным [11].

2. 
   Определение количества тарелок
   

В результате расчетных данных было определено количество теоретических тарелок:

• 
  в укрепляющей части N_укр=10;
  
• 
  в отгонной части N_отг=7.
  

С учетом средней эффективности работы ситчатых тарелок 60%, количество практических тарелок ректификационной колонны будет равно:

С учетом того, что в аппарате будут установлены решетчато-ситчатые струйные трехслойные пакетные провальные тарелки, то количество таких тарелок будет равно 28/3≈10 тарелок.

2. 
   Определение расстояния между тарелками
   

В [3] проанализированы источники с информацией об оптимальном расстоянии тарелок в колонне. Рекомендованными оптимальными расстояниями считаются 250 ÷ 450 мм.
Принимаем для нашей колонны расстояние между решетчатыми тарелками 400 мм.

2. 
   Определение высоты колонны
   

Высота колонны рассчитывается по уравнению:
НК = H_в + Н_н + H_т + Н_п , м
где Н_в – высота от верхнего днища до верхней тарелки, м;
Н_н – высота от нижней тарелки до нижнего днища, м;
Н_т – высота тарельчатой части колонны, м;
Н_п – высота секции питания, м;
Значения Н_в и Н_н выбирают в соответствии с рекомендациями табл.3.12.

Табл. 3.12 - Значения Н_в и Н_н в зависимости от диаметра колонны [6]

Диаметр колонны, м	Значение Нв, м	Значение Нн, м
0,4 – 1,0	0,6	1,5
1,2 – 2,2	1,0	2,0

В нашем случае Н_в = 0,6 м, Н_н = 1,5 м.

Высоты H_т зависят от числа тарелок в колонне и расстояния между ними:
Н_т = (Nт – 1)·h = (10 – 1)·0,4 = 3,6 м.
где
h = 0,4 м – расстояние между тарелками.
Высота секции питания Н_п берётся из расчёта расстояния между тремя-
четырьмя тарелками. Принимаем это расстояние в три тарелки:
Н_п = (3 - 1)·h = (3 - 1)·0,4 =0,8 м
Полная высота колонны:
НК = 0,6 + 1,5 + 3,6 + 0,8 = 6,5 м

2. 
   Определение диаметров штуцеров [12]
   

Диаметры штуцеров определяют из уравнения расхода по допустимой
скорости потока:

где
V – объемный расход потока через штуцер, м³/с;
- допустимая скорость потока.
а) штуцер выхода паров продукта (штуцер А):
для этого штуцера:
V =0,08 м³/с;


Принимаем
б) штуцер входа питания (штуцер Б):
для этого штуцера:
V =0,01 м³/с;


Принимаем
в) штуцер выхода с глухой тарелки (штуцер В):
для этого штуцера:
V =0,02 м³/с;


Принимаем
г) штуцер входа паров (штуцер Г):
для этого штуцера:
V =0,28 м³/с;


Принимаем

10. 
    Расчёт необходимости укрепления вырезов в стенке колонны для установки штуцеров
    

В корпусе колонны и верхнем днище вырезаны отверстия под установку штуцеров. Они ослабляют стенки аппарата, поэтому, их надо укреплять. Вырезанное сечение металла компенсируется приваркой накладного укрепляющего кольца диаметром D_к по его наружному периметру к корпусу аппарата. Укрепление отверстий обязательно, если диаметр отверстия больше 50мм, где значение диаметра отверстия d₀,м,