Проект ректификационной установки с тарельчатой колонной непрерывного действия производительностью 6 кг/с для разделения исходной смеси

 

 

4.6. Расчёт ёмкости для исходной смеси и продуктов

 разделения

 

,

где

G - расход жидкости, кг / с.

t = 2 часа = 2´3600 = 7200 сек - время.

r - плотность жидкости, кг / м³.

j = 0.8 - коэффициент заполнения.

 

1. Ёмкость для исходной смеси:

 

2. Ёмкость для сбора дистиллята:

3. Ёмкость для кубовой жидкости:

 

 

7. Выбор трубопровода

 

Внутренний диаметр трубопровода круглого сечения определяем по формуле:

где - расход воды, м³/с; - скорость воды в трубопроводе, м/с.

Следует учитывать, что  с увеличением скорости диаметр трубопровода, необходимый при данном расходе, уменьшается и, следовательно, снижаются стоимость трубопровода, затраты на его монтаж и ремонт. Однако с увеличением скорости возрастают потери напора и, как следствие этого, затраты энергии на перемещение жидкости и газа. Оптимальный диаметр трубопровода, при котором суммарные затраты на перемещение жидкости и газа минимальны, находится с помощью технико-экономических расчетов. Диаметр трубопровода, близкий к оптимальному, определяется при выборе скоростей для жидкостей, паров и газов, установленных практикой.

Выбираем трубу из нержавеющей стали наружным диаметром 0,077 мм, толщиной стенки 4 мм. Внутренний диаметр трубы d = 0,073 м. Тогда фактическая скорость воды  в трубе равна:

Примем, что коррозия трубопровода незначительна.

 

1. Расчет гидравлического сопротивления трубопровода

 

Расчет гидравлического  сопротивления проводится для определения  затрат энергии на перемещение жидкостей  и газов и выбора насосов и  компрессорных машин.

При движении потока по трубопроводу гидравлическое сопротивление складывается из сопротивления трения о стенки и местных сопротивлений, возникающих при изменении направления или скорости потока.

Сначала определим критерий Рейнольдса по формуле:

 

Подставим числа и получим:

т. е. режим течения  турбулентный. Примем абсолютную шероховатость  равной . Тогда:

Далее получим:

    

   

  

 

Таким образом, в трубопроводе имеет место турбулентный режим  течения и смешанное трение, то расчет следует проводить по формуле:

 

Определим сумму коэффициентов  местных сопротивлений.

Для всасывающей линии [11]:

1. вход в трубу (принимаем с острыми краями):
2. прямоточный вентиль: для для  интерполяцией находим, что для умножая на  поправочный коэффициент получим
3. колено с углом 90°:

Сумма  коэффициентов   местных   сопротивлений   во   всасывающей линии:

Потерянный напор во всасывающей линии находим по формуле:

где - коэффициент трения; и - соответственно длина и эквивалентный диаметр трубопровода.

Отсюда

Для нагнетательной линии [11]:

1)         колено с углом 90°:  ;

2)         нормальный вентиль: для  для  для

3)         выход из трубы  

Сумма коэффициентов  местных сопротивлений в нагнетательной линии:

Потерянный напор в  нагнетательной линии определим  по формуле:

Общие потери напора:

 

4.8. Расчёт и выбор насоса

 

Основными типами насосов, применяемых в химической технологии, являются центробежные, поршневые и  осевые насосы.

Для того чтобы выбрать  соответствующий насос, необходимо найти напор, развиваемый насосом, а также мощность насоса. Выбор насоса по каталогам или ГОСТам с учетом свойств перемещаемой жидкости [1].

Напор насоса – энергия, сообщаемая насосом единице веса перемещаемой жидкости. Находим потребный напор насоса по формуле:

где: P₁- давление в аппарате из которого перекачивается жидкость

       P₂- давление в аппарате , в который перекачивается жидкость, P₁= P₂ ,

       Н_г – геометрическая высота подъема жидкости;

       h_п – суммарные потери напора во всасывающей и нагнетальных линиях.

 

H

м.

 

     Подобрать насос для перекачивания исходной смеси сероуглерод-четырёххлористый углерод при температуре 30 °С из открытой ёмкости в аппарат, работающий под избыточным давлением 0.25 Мпа. Расход жидкости 6 кг/с. Геометрическая высота подъёма жидкости 7 м. Длина трубопровода на линии всасывания 5 м, на линии нагнетания 10 м.

 

1) Выберем диаметр  трубопровода (скорость смеси примем  равной 2м/с):

 

м

 

2)Рассчитаем потери  на трение и сопротивление:

 

Режим турбулентный.

мм (среднее значение абсолютной шероховатости)

 

 

Относительное значение шероховатости рассчитываем по формуле:

 

;

(определяем по графику)

3) Сумма коэффициентов местных  сопротивлений всасывающей линии:

(вход в трубу с острыми  краями); (задвижка):

 

;

Па

 

4) Потери напора на  всасывающей линии:

 

м

 

5) Местные сопротивления  на нагнетательной линии:

           (выход из трубы); (2 задвижки):

 

Па

 

6) Потери напора на  нагнетательной линии:

 

м

 

7) Общие потери напора:

 

м

 

8) Полный напор:

 

м

 

Такой напор при заданной производительности обеспечивается одноступенчатыми центробежными насосами. Учитывая широкое  распространение этих насосов в  промышленности ввиду достаточно высокого к.п.д., компактности и удобства комбинирования с электродвигателями, выбираем для последующего рассмотрения именно эти насосы.

 

9) Полезная мощность  насоса:

 

Вт

 

10) Для центробежного  насоса средней производительности  примем 

 

кВт

 

 

По таблице устанавливаем, что заданной подаче и напору более  всего соответствует центробежный насос марки Х8/30, для которого при оптимальных условиях работы Q=2.4´10^-3 м³/с, Н=30.0 м, h_н=0.5. Насос обеспечен электродвигателем ВА 0-31-2 номинальной мощностью N_н=3кВт, h_дв=0.87. Частота вращения вала n = 48.3 с^-1.

 

5. Прочностной расчет
1. Выбор конструкционных материалов

Выбор конструкционного материала производится исходя из необходимой  химической стойкости, требований прочности при заданных рабочих условиях (давлении и температуры). При выборе конструкционных материалов для аппаратов, работающих под давлением при высоких и низких температурах, необходимо учитывать, что механические свойства материалов существенно изменяются в зависимости от температуры. Как правило, прочностные свойства металлов и сплавов повышаются при низких температурах и понижаются при высоких. В расчетах на прочность технологической аппаратуры часто необходимо учитывать химическую стойкость, а так же общую равномерную коррозию металлов и сплавов. Основным материалом для химического машиностроения являются, коррозионно-стойкие стали различных марок, чугун, бронза и неметаллические материалы.

Смесь сероуглерода и четыреххлористого углерода проявляет агрессивные свойства по отношению к сталям. Выберем материал основного корпуса монолитную толстолистовую нержавеющую сталь , которая может работать в агрессивной среде до температуры . Срок службы аппарата примерно лет. Корпус ректификационной колонны - вертикальный сварной аппарат - находится под давлением , температура среды в аппарате . Внутренний диаметр аппарата . Высота цилиндрической части аппарата .

Определение расчетных  параметров [5]:

-   расчетная температура  стенки аппарата:  .

-   расчетное давление  принимаем равное рабочему: .

- допускаемое напряжение  для стали при температуре : . Допускаемое напряжение при гидравлических испытаниях:

                              ,         

где - предел текучести стали [5] при температуре :  ; - коэффициент запаса прочности при гидравлических испытаний:  .

Коэффициент прочности  сварных швов (принимаем, что сварка выполнена встык; способ сварки - автоматическая дуговая электросварка) [6]. Прибавка к расчетным толщинам:

- для компенсации коррозии [6]:  .

Примем что .

2. Расчет аппарата на ветровую нагрузку

 

Расчетом проверяется  прочность и устойчивость аппарата, устанавливаемого на открытой площадке при действии на него ветра. В частности, определяются размеры наиболее ответственного узла аппарата - опоры и фундаментных болтов, которыми крепится опора к фундаменту.

Минимальный вес аппарата определяется по формуле:

 

;

,

где – толщина стенки обечайки, – диаметр колонны, – высота колонны, - плотность материала стали, 

Тогда

Минимальный вес аппарата равен:

Аналогичным способом определим  максимальный вес аппарата, т.е. при  гидравлических испытаниях:

,

Расчет производится исходя из следующих положений ОН 26-01-13–85/Н 1039–85. При отношении высоты аппарата Н/D ³ 15 к его диаметру принимается в виде консольного стержня с жесткой заделкой в фундаменте. При отношении Н/D < 15 — в виде упруго защемленного стержня.

Проверим выполнение данного условия:

Так как данное условие выполняется, произведем расчет колонны на ветровую нагрузку в виде упруго защемленного стержня.

 

Найдем момент инерции поперечных сечений корпуса:

 

Период собственных  колебаний аппарата определяем по формуле:

Где: Н – высота аппарата, м; G – максимальный вес аппарата, МН; g – ускорение силы тяжести,  м/с ; J – момент инерции площади поперечного сечения верхней части корпуса аппарата относительно центральной оси, – модуль упругости материала корпуса, j₀ – угол поворота опорного кольца;

где - коэффициент неравномерного сжатия грунта [6], при отсутствии данных для грунтов средней плотности принимается - момент инерции подошвы фундамента относительно центральной оси,  .

,

,

где  , - диаметры колонны соответственно внутренний и наружный.

 

Период собственных колебаний аппарата равен:

 

Силы ветрового напора определим по формуле [5]:

,

где – коэффициент увеличения скоростного напора; - нормативный