Расчет ректификационной колонны

Гидравлическому расчёту  подлежит схема на рис 1. Диаметр  всасывающего и напорного трубопроводов  определим из уравнения расхода, принимая скорость во всасывающем трубопроводе вс =1,0÷1,5м/с, в напорном 1,5÷2,0м/с.

.                                                         (3.3)

Рисунок 1—  Расчетная схема

В выражении (3.3)  - объёмный расход питательной смеси  (этанол)

,

,

по ГОСТ 9941-62 выбираем трубу 95х4 (внутренний диаметр 87).

Скорость движения этанола  на всасывающем участке трубы

,                              (3.4)

,

Определяем режим движения на всасывающем участке трубопровода

,                                                (3.5)

где   - кинематический коэффициент вязкости при t=19°С.

,

—режим движения турбулентный.

Определяем трубу для  напорного участка  н=1,5м/с

.

По ГОСТ выбираем трубу  напорного трубопровода диаметром 70х3 (внутренний диаметр 64мм).

Скорость движения этанола  на напорном участке трубы:

.

Режим движения на напорном участке трубопровода:

                                                   (3.7)

.

При данном числе Рейнольдса режим движения турбулентный.

Режим движения этанола на напорном участке трубопровода от теплообменника до ректификационной колонны:

                                                      (3.8)

где  - коэффициент вязкости при t=85°С

  

.

Следовательно, режим движения турбулентный.

Скорость движения этанола  в трубках аппарата:

,                                                               (3.9)

.

,                                                         (3.10)

.

Режим движения турбулентный.

Расчёт сопротивлений  на всасывающем участке трубопровода.

При турбулентном режиме движения гидравлический коэффициент трения λ может зависеть и от числа  Рейнольдса, и от шероховатости трубы.

Рассчитаем гидравлический коэффициент трения λ для гидравлически  гладких труб по формуле Блазиуса.,

.                                                (3.11)

Проверим трубу на шероховатость, рассчитав толщину вязкого подслоя  δ и сравнив её с величиной  абсолютной шероховатости.

,                            (3.12)

где  - для стальных бесшовных туб.

,

,                                      (3.13)

 м.

Т.к. δ>∆, следовательно  труба гидравлически гладкая  λ=λгл =0,0276 на всех остальных участках трубопровода будем считать трубу  так же гидравлически гладкой.

В соответствии с заданным вариантом Н=14м – максимальная высота подъёма, hвс=1,0м-высота всасывания, lвс=2,8 – длина всасывающего трубопровода, l΄н=12м – длина трубопровода от теплообменника до ректификационной колонны, lн=25м – длина нагнетательного трубопровода. Смесь подаётся по трубопроводу длиной l= lвс+ lн =1,0+2,8=3,8 м.

По формуле (3.1) определяем потери напора по длине

.

Согласно схеме насосной установки на всасывающей линии  имеются следующие местные сопротивления: главный поворот на 90°, вход в  трубу. Коэффициент местного сопротивления  ξвх=1,0; ξпов=0,5,   следовательно ∑ξ=0,5+1=1,5 по формуле Вейсбаха потери напора в местных сопротивлениях определяются как

,                           (3.14)

где ξ – коэффициент  местных сопротивлений;  - скоростной напор за местным сопротивлением, м.

.

Суммарные потери напора на всасывающем участке трубопровода:

,                                                   (3.15)

.

Расчёт сопротивлений  на напорном участке трубопровода от насоса до теплообменника. Т.к. труба  гидравлически гладкая, то гидравлический коэффициент трения λ рассчитываем по формуле Блазиуса (3.11):

,

.

Потери напора по длине:

,                                                 (3.16)

.

Согласно расчётной схеме  на напорном участке трубопровода от насоса до теплообменника имеется один вид местного сопротивления –  главный поворот ξ=0,5

.

Суммарные потери напора на участке напорного трубопровода от насоса до теплообменника:

.

Расчёт сопротивления  теплообменника

Определим напор теряемый в местных сопротивлениях теплообменника ( рис 1)

,

.

Предварительно вычисляем  площади на различных участках.

Рисунок 2—  Коэффициенты местных сопротивлений  теплообменника

Площадь поперечного сечения  штуцера

,                                                                   (3.18)

Площадь поперечного сечения  крышки (свободного сечения аппарата)

,                                              (3.19)

.

Площадь поперечного сечения 28-и труб одного хода теплообменника:

,                              (3.20)

.

Скорость и скоростной напор в соответствующих сечениях:

,

 

,

.

Коэффициент местных сопротивлений:

а) при входе через штуцер в крышку (внезапное расширение):

,                    (3.21)

;

б) при входе потока из крышки в трубы (внезапное сужение):

,                              (3.22)

.

в) при входе потока из труб в крышку (внезапное расширение):

,                                                             (3.23)

.

г) при входе потока из крышки в штуцер (внезапное сужение):

,                                                           (3.24)

Вычислим потери напора в  местных сопротивлениях:

а) при входе потока через  штуцер:

,

б) при входе потока в  трубы:

,

в) при  выходе потока из труб:

,

г) при выходе потока из крышки через штуцер:

,

д) при повороте из одного хода в другой на 180° (ξ=2,5):

.

Суммарные потери напора в  местных сопротивлениях теплообменника:

              (3.25)

.

Общее потери потока (по длине  и в местных сопротивлениях теплообменника):

,                                                         (3.26)

.

Расчёт сопротивления  участка напорного трубопровода от теплообменника до колонны:

,

,

,

.

Участок напорного трубопровода включает два плавных поворота трубопровода ξпов=0,5:

,

,

.

Суммарные потери напора в  насосной установке (сети):

,                              (3.27)

.

3.1 Подбор насоса

Определение требуемого напора.

Требуемый напор насоса определим  по формуле:

,                               (3.28)

где Н=14м – высота подъёма  жидкости в насосной установке;

hвс=1,0м – высота всасывания  насоса;

Рр=9,81·104 Па – давление в  колонне;

Ратм=9,81·104 Па – атмосферное  давление;

∑hn=0,992 м – суммарные  потери напора в сети.

.

Выбор типа и марки  насоса

Выбираем для перекачки  метанола насос по рассчитанному  требуемому напору  и заданной подаче:

.

Выбираем насос марки 2К-9 со следующими параметрами:

Подача – 20м3/час, полный напор – 18,5м, число оборотов – 2900об/мин, внутренний диаметр патрубков: входного – 50мм., напорного – 40мм., количество колёс – 1, марка насоса 2К-9, габаритные размеры: длина – 438мм, ширина – 206мм, высота – 247мм, вес – 31кг, КПД – 68%, допустимая максимальная высота всасывания , диаметр рабочего колеса – Д=129мм.

,(3.29)

где  ,                      (3.30)

.

Так как трубопровод эксплуатируется  в квадратичной зоне сопротивлений (Re>105), то зависимость потерь напора в трубопроводе от изменения скоростей  носит квадратичный характер, т.е.

,                            (3.31)

где b – коэффициент пропорциональности, определяемый по координатам т. D, лежащей  на этой кривой. Этой точке соответствуют:

,

,

Отсюда

,                              (3.32)

.

Уравнение кривой сопротивления  трубопровода, выражающее собой потребные  напоры насоса при различных расходах (подачах) по заданному трубопроводу:

                             (3.33)

Задаваясь различными значениями Q, рассчитываем соответствующие им значения Нтр. Результаты расчёта заносим  в таблицы 5.

По данным таблицы 5 строим характеристику трубопровода Нтр=f(Q),  отложив на оси ординат величину Нст=15м.

Таблица 5— Характеристики трубопровода

№ п/п	Q		Нтр, м	∑hп, м	Нтр=Нст+b·Q2, м
	м3/с	м3/ч
1	0	0	15	0	15
2	1,39·10-3	5,0	15	0,112	15,112
3	2,78·10-3	10	15	0,45	15,45
4	4,17·10-3	15	15	1,012	16,012
5	5,56·10-3	20	15	1,8	16,8
6	6,94·10-3	25	15	2,8	17,8
7	8,33·10-3	30	15	4,04	19,04

Точка пересечения характеристик  насоса и трубопровода определяет рабочую  точку А, координаты которой: , , NA=1,51 кВт, =68% (см приложение).

 

4. Описание технологической  схемы

Этан-этиленовая фракция 4.6.1 подается в абсорбционную колонну  КА, где абсорбируется под воздействием серной концентрированной кислоты 6.1.1. Затем этановая фракция 4.6.2 через  дроссель ДР подается в скруббер С1, после чего отводится через брызгоуловитель  Б. В свою очередь раствор этилсульфатов 6.1.2 направляется в холодильник Х1, который охлаждает посредствам  оборотной воды  1.6.1. Охлажденный раствор этилсульфатов 6.1.2 подается в гидролизер Г, откуда гидролизат 6.1.3 попадает в отпарную колонну КО. Под воздействием давления выше атмосферного и насыщенного пара 2.2 из гидролизат 6.1.3 образуются пары этанола загрязненные 4.9.1 и серная кислота концентрированная 6.1.1. Поступающие в конденсатор К пары этанола загрязненные 4.9.1 конденсируются и в виде раствора попадают в сепаратор СП, где отделяются от раствора газовые примеси 5.2, далее направляются в скруббер С3, затем раствор спирта-сырца 8.9.2 направляется в емкость1, откуда с помощью центробежного насоса Н2 перекачивается в подогреватель П. Разогретый до температуры 83ْ С раствор этанола—сырца 8.9.2  подается в ректификационную колонну КР, откуда пар этанола обогащенный 4.9.3 поступает в дефлегматор Д, откуда с помощью распределителя Р часть в виде флегмы возвращается обратно в ректификационную колонну КР, другая часть охлаждается в холодильнике Х3. Дистиллят этанола 8.9.3 направляется в емкость Е3, откуда перекачивается центробежным насосом Н4 на последующие технологические операции. Часть кубового остатка 1.9 из ректификационной колонны КР попадет в кипятильник КП, из которого конденсат 1.8 отводится конденсатоотводчиком КО2, а часть в виде пара кубового остатка 2.9 подается на дальнейшую ректификацию в колонну.

Кубовый остаток 1.9 также  из ректификационной колонны КР направляется в холодильник Х2. охлаждающий  за счет оборотной воды 1.6.1. Охлажденный кубовый остаток подается в емкость Е2 и насосом Н3 перекачивается на последующие технологические операции.

 

Список используемой литературы

1. Иоффе И.Л. Проектирование  процессов и аппаратов химической  технологии: Учебник для техникумов. –Л.: Химия, 1991.-352 с.

2. Дытнерский Ю.И. Процессы  и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1995.-Ч. 1,2.- 766с.

3. Красовицкий Ю.В. Процессы  и аппараты пищевых производств  (теория и расчеты) [Текст]:учебное  пособие / Ю.В. Красовицкий, Н.С.  Родионова, А.В. Логинов; Воронеж.  гос. технолог. акад. Воронеж, 2004, 304 с.

4. Павлов К.Ф. Примеры  и задачи по курсу процессов  и аппаратов химической технологии: Учеб. пособие для студ. хим-технолог. спец. вузов/  К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков; Под. ред. П.Г. Романкова. – 10-е изд. перераб. и доп.- Л.: Химия, 1987. – 676 с.

5. Чернобыльский И.И. Машины  и аппараты химических производств./ И.И. Чернобыльский, А.Г. Бондарь,  Б.А. Гаевский и др.; Под ред.  И.И. Чернобыльского.-3-е изд. перераб.  и доп. – М.: Машиностроение, 1974. – 456с.

6. Плановский А.Н. Процессы  и аппараты химической технологии / А.Н. Плановский, В.М. Рамм, С.З.  Каган. - 5-е изд., стереотип. – М.: Химия, 1983.-783 с.

7. Колонные аппараты: Каталог.  М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1978. 31 с.

8. Логинов А.В. Процессы  и аппараты химических и пищевых  производств (пособие по проектированию) / А.В. Логинов, Н.М. Подгорнова, И.Н. Болгова;Воронеж. гос. технолог. акад. Воронеж, 2003. 264 с.

9. Лащинский А.А. Основы  расчета и конструирования химической  аппаратуры: Справочник. / А.А. Лащинский,  А.Р. Толчинский; Под. ред. Н.Н.  Логинова. 2-е изд. перераб. и  доп. – Л.: Машиностроение, 1970.-753 с.