Вопрос №1. Расчет толщины стенки цилиндрической обечайки, работающей под внутренним давлением.

Производить расчет на прочность для условий испытания не требуется, если расчетное давление в условиях испытания будет меньше, чем расчетное давление в рабочих условиях, умноженное на 1,35[ 20 ]/[].

Вопрос №2. Расчет толщины крышек и днищ. Их виды.

Днища, как и обечайки, являются одним из основных элементов технологических аппаратов. Цилиндрические цельносварные корпусы как горизонтальных, так и вертикальных аппаратов с обеих сторон ограничиваются днищами. Днище неразъемно соединено с обечайкой.

Форма днищ бывает эллиптическая, полусферическая, в виде сферического сегмента, коническая, плоская и торосферическая. Конические и плоские днища бывают с отбортовкой на цилиндр и без отбортовки, а эллиптические – только с отбортовкой.

Наиболее распространенной формой днищ в сварных технологических аппаратах является эллиптическая с отбортовкой на цилиндр.

Днища с наружными базовыми диаметрами применяются для корпусов из труб, а с внутренними базовыми диаметрами – для корпусов, свальцованных из листов.

Расчет эллиптических днищ, работающих под внутренним давлением, заключается в определении расчетной толщины стенки S.

Расчет выполняется в зависимости от величины отношения определяющих параметров: где допускаемое напряжение на растяжение для материала днища,,внутренне избыточное давление,коэффициент ослабления днища сварочным швом или неукрепленными отверстиями.

Расчет днища возможен как по внутреннему базовому диаметру , так и по наружному. При расчете по диаметруноминальная толщина стенкиопределяется по формуле, мм:

При этом отношение определяющих параметров должно составлять:

Если отношение больше или равно 25, толщину стенки получают по формуле: гдевнутренний радиус кривизны в вершине днища, м.

Здесь глубины выпуклости, м.

При расчете по диаметру , вне зависимости от отношения определяющих параметровгденаружный радиус кривизны в вершине днища, м. Здесьглубины выпуклости, м.

Для стандартных днищ ии поэтомуи.

Толщина стенки определяется по формуле: где суммарная прибавка к расчетной толщине обечайки, мм,

Величина в общем виде определяется по формулегдеприбавка на коррозию или другой вид химического воздействия рабочей среды на материал, мм,прибавка на эрозию или другой вид механического воздействия среды на материал, мм,дополнительная прибавка по технологическим и монтажным соображениям, мм,прибавка на окружение размера до ближайшего по сортаменту размера, мм.

В отличие от днищ, неразъемно соединяемых с обечайкой корпуса, крышки являются отъемными узлами или деталями аппаратов, герметично закрывающими корпус. Крышки в аппарате служат для удобства сборки, осмотра и ремонта узлов аппарата.

Расположение крышек в аппарате может быть сверху, снизу и с боков. По форме крышки бывают круглые, прямоугольные и фасонные. Наибольшее распространение имеют круглые крышки, как более технологичные в изготовлении.

Круглые крышки представляют собой, в основном, полусферическое или эллиптическое днище с приваренным к нему фланцем. Такой же фланец приваривается к корпусу аппарата. Для крепления крышки к корпусу используются болты или шпильки, размеры и количество которых должно быть достаточным, чтобы обеспечить необходимое прижимное усилие и герметичность аппарата при работе и испытаниях.

Толщина стенки крышки рассчитывается аналогично толщине стенки днища.

Вопрос №3. Расчет толщин стенок обечаек, работающих под наружным давлением.

Толщина стенки определяется по формуле:

где с - прибавка состоящая из: с 1 - прибавка на коррозию; с 2 - прибавка на минусовой допуск; с 3 - технологическая прибавка.

Коэффициент K 2 = f (K 1 ;K 3) определяется по расчетной номограмме в зависимости от значений коэффициентов К 1 и К 3:

Допускаемое наружное давление определяется по формуле:

где допускаемое давление из условия прочности определяется по формуле:

Допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости определяются по формуле:

Расчетная длина обечайки выбирается в зависимости от ее конфигурации.

С помощью расчетной номограммы можно определять s R ,[p] и l.

Полученное значение толщины стенки должно быть проверено по формуле [p].

Вопрос №4. Параметры расчета фланцевых соединений.

Фланец – соединительная часть труб, резервуаров, валов и др., выполняемая, как правило, заодно с основной деталью; обычно плоское кольцо или диск с отверстиями под болты или шпильки. Обеспечивает герметичность и (или) прочность соединения.

С помощью фланцев присоединяются к аппаратам всевозможные крышки, трубы, соединяются между собой составные корпуса.

Фланцы бывают цельными и свободными.

Цельные фланцы представляют собой одно целое с соединяемыми частями (приварные, литые), используются при низких и средних давлениях среды в аппарате. Свободные фланцы целесообразно применять при требовании независимой координации (в плоскости фланцев) соединяемых частей по отверстиям для болтов, а также когда необходимо иметь фланцы из более прочного материала, чем соединяемые части.

При конструировании и расчете фланцевого соединения задаются:

1 конструкционный материал фланцев и болтов (шпилек),

2 давление ,

3 внутренний диаметр соединения ,

4 толщина стенки аппарата .

Выбирают конструкцию и материал прокладки, определяют ширину прокладки . Выбирают тип фланцевого соединения в зависимости от давления и температурысреды в аппарате.

Если возможно, то подбирают стандартный фланец, стандартного фланца с необходимыми параметрами нет, то производят расчет фланцевого соединения.

1 Находят расчетные величины:

1.1 меньшая толщина конической втулки фланца ,

1.2 отношения большей толщины втулки фланца к меньшей ,

1.3 большая толщина втулки фланца ,

1.4 длина приварного встык фланца .

2 Выбирают диаметр болтов (шпилек).

3 Находят диаметр болтовой окружности.

4 Находят наружный диаметр фланца.

5 Находят наружный диаметр прокладки.

6 Находят средний диаметр прокладки.

7 Находят эффективную ширину прокладки.

8 Находят ориентировочное число болтов (шпилек).

Вопрос №5. Определение геометрических параметров фланцевых соединений.

В химической промышленности применяют в ос­новном следующие типы фланцев для труб, трубной арматуры и аппаратов: стальные плоские приварные к корпусу и стальные приварные встык (рис. 1.2).

При конструировании аппарата следует применять стандарт­ные и нормализованные фланцы. Такие фланцы выпускают от­дельно для арматуры и трубопроводов на D y до 800 мм и для ап­паратов на D y от 400 мм и более. Расчет фланцевых соединений проводят в тех случаях, когда не представляется возможным при­менение нормализованных фланцев ввиду отсутствия фланцев требуемых параметров.

Расчет фланцевого соединения требует вычисления следующих расчетных величин:

Меньшей толщины конической втулки фланца

Отношения большей толщины втулки фланца к меньшей для приварных встык фланцев и болтов выбирают по графику, для плоских приварных фланцев;

Большей толщины втулки фланца ,для плоских приварных фланцев принимают;

Высоты втулки приварного встык фланца .

Кроме того, определяют:

Эквивалентную толщину втулки фланца

для плоского приварного фланца ;

Диаметр болтовой окружности ,м:

а) для приварных встык фланцев

б) для приварных плоских фланцев

Наружный диаметр фланца , гдеа – величина, зависящая от типа и размера гайки, м; - диаметр болта, м; размерпринимают кратным 10 или 5 мм;

Наружный диаметр прокладки , где значениевыбираем в зависимости от диаметра болтов и вида прокладки;

Средний диаметр прокладки , где- ширина прокладки;

Эффективную ширину прокладки ,м:

а) для плоских прокладок:

При ,,при;

б) для прокладок восьмиугольного и овального сечений:

Ориентировочное число болтов (шпилек)

Где - шаг болтов, м. Окончательное число болтов определяется как ближайшее большее кратное четырем;

Ориентировочную толщину фланца

Где определяется по графику.

Вопрос №6. Укрепление отверстий в стенках аппарата. Расчет укрепления отверстий.

Необходимые отверстия для штуцеров и люков в стенках корпуса, крышки, днища сварного аппарата ослабляют стенки, поэтому большинство из них укрепляют. На рис. 1.7 показаны типовые конструкции укреплений отвер­стий в стенках сварных аппаратов. Наиболее рациональным и по­этому предпочтительным является укрепление патрубком штуце­ра (рис. 1.7, типы а и б). Изложенная ниже методика укрепления одиночных отверстий в стенках аппаратов из пластичных материалов, работающих при статических нагрузках, применяется при следующих условиях:

1 для круглых отверстий в стенках цилиндрических обечаек и сферических и эллиптических днищ

2 для круглых отверстий в стенках конических обечаек и днищ , где α - половина угла при вершине конуса; остальные параметры на рис. 1.7;

3 для овальных отверстий где- длины меньшей и большей осей овального отверстия. При расчете укрепления овальных отверстий используют параметрd - длину большей оси овального отверстия, т.е. d =

Отверстие считается одиночным, если ближайшее к нему отверстие не оказывает на него влияние, что возможно, когда рас стояние между центральными осями соответствующих штуцер удовлетворяет условию где А Д - расстояние между осями штуцеров, м; d 1, d 2 - внутренние диаметры первого и второго штуцеров, м; S ш1 , S ш2 - толщина стен­ки первого и второго штуцеров, м.

Рис. 1.7. Расчетные схемы для различных конструкций укрепления отверстий в стенках аппаратов, работающих при статических нагрузках: а - укрепление односторонним штуцером; б- двусторонним штуцером; в- одно­сторонним штуцером и накладкой; г- двусторонним штуцером и двумя накладка­ми; д- отбортовкой и штуцером; е - бобышкой

Если расстояние А между двумя смежными отверстиями будет меньше А Д , то расчет укреплений можно производить так же, как для одиночного отверстия с условным диаметром , где С - конструктивная прибавка, м.

Наибольший допустимый диаметр d Д , м, одиночного отверстия в стенке, не требующего дополнительного укрепления, определяется по формуле гдеS " - номинальная расчетная толщина стенки корпуса аппарата без конструктивной прибавки и при ϕ ш = 1, м; ϕ - коэффициент прочности сварного шва.

Если диаметр отверстия , то укрепления отверстия (и со­ответственно дальнейшего расчета) не требуется. Если , то необходимо выбрать тип укрепления и для него выполнить изло­женные ниже условия.

В случае приварки штуцера или трубы к стенке аппарата по схемам а и б на рис. 1.7 (наиболее часто встречающийся случай при конструировании) укрепление отверстия этим штуцером яв­ляется достаточным, если соблюдаются условия:

при одностороннем штуцере (схема а)

при двустороннем штуцере (схема б)

где- номинальная расчетная толщина стенки штуцера (без прибавок и при ϕ = 1), м.

При несоблюдении условий (1), (2) в соединение необ­ходимо вводить дополнительные укрепления в виде местного утолщения стенки штуцера, местного утолщения укрепляемой стенки или накладки. Толщину стенки штуцера, участвующей в Укреплении, исходя из рациональной сварки, не рекомендуется увеличивать более чем до 2 S .

При укреплении отверстия штуцером и накладкой первона- ча; 1ьная толщина стенки не увеличивается, а толщину укрепляющей накладки S Н принимают равной толщине стенки S .

Укрепление в этом случае обеспечивается при условиях:

Для схемы в (рис. 1.7)

для схемы г (4)

Если условия (3) или (4) не будут выполнены, то необхо­димо увеличить толщину стенки штуцера S Ш (до S Ш < 2S), либо тол­щину накладки S H (в тех же пределах), либо то и другое до соблю­дения указанных условий.

При приварке штуцера или трубы к отбортованной стенке по схеме д (рис. 1.7) укрепление отверстий отбортовкой и штуцером является достаточным, если соблюдено условие

Следует иметь в виду, что толщина отбортовки S 6 из техноло­гических соображений может быть не более 0,85, чем и ограничи­вается применение таких укреплений.

Укрепление отверстий бобышкой по схеме е (рис. 1.7) являет­ся достаточным, если соблюдено условие

Ширина накладки b H (или бобышки) рассчитывается по фор­муле

Вопрос №7. Типы опор аппаратов. Особенности расчета опор аппаратов.

Установка аппаратов на фундамент осуществля­ется преимущественно с помощью опор. Непосредственно на фундаменты устанавливаются лишь аппараты с плоским днищем, предназначенные главным образом для работы под налив.

В зависимости от рабочего положения аппарата различают опоры для вертикальных аппаратов и опоры для горизонтальных аппаратов.

При установке вертикальных аппаратов на открытой площадке, когда отношение высоты опоры к диаметру аппарата , Рекомендуется применять цилиндрические или конические опо­ры (рис. 1, а, б) высотой Н" не менее 600 мм. Для аппаратов с эллиптическими днищами, устанавливаемых на фундамент внутри помещения, а также при H / D <5 рекомендуется применять опоры, изображенные на рис. 1.11, в. При подвеске аппаратов между перекрытиями или при установке их на специальные опорные конст­рукции применяют лапы (рис. 1, г). Опоры для горизонтальных цилиндрических аппаратов могут быть съемными (рис. 1, д, сле­ва) или жестко соединенными с аппаратом (рис. 1,5, справа).

Рис. 1 Типы опор аппаратов:

а - цилиндрическая опора; б- коническая опора; в - стойки; г- лапы;

д - седловая опора

Число седловых опор (рис. 1, д) должно быть не менее 2. При этом одна опора должна быть неподвижной, остальные - подвижными. Расстояние между неподвижной опорой и подвижной выбирается так, чтобы температурные удлинения аппарата между смежными опорами не превышали 35 мм.

При расчете лап определяют размеры ребер. Отношение выле­та ребра к его высоте l / h (рис. 1, г) рекомендуется принимать равным 0,5. Толщину ребра определяют по формуле ,где G max - максимальный вес аппарата, МН (обычно бывает при гидроиспытаниях); n - число лап; Z - число ребер в одной лапе (одно или два); l - вылет опоры, м; [σ] - допускаемое напряжение на сжатие (можно принимать равным 100 МПа); коэффициент K вначале принимают равным 0,6, а затем его уточняют по графику.

Прочность сварных швов должно отвечать условию , гдеL ш - общая длина сварных швов, м; h щ - катет сварного шва, м (обычно h ш = 0,008 м); [τ] ш - допускаемое напряжение материала шва на срез, МПа ([τ] ш ≈ 80 МПа).

Расчет седловых опор (рис. 1,5) сводится в основном к выбо­ру числа опор и проверке необходимости установки (приварки) накладки к аппарату под опорную поверхность опоры. В химиче­ской промышленности обычно устанавливают 2-3 опоры. Рас­смотрим расчет аппаратов с двумя седловыми опорами:

Рис. 1.2. Расчетные нагрузки в горизонтальных аппаратах, установленных на двух седловых опорах

изгибающий момент в сечении над приварной седловой опорой в случае ее скольжения по опорной плите , где- наибольшая и наименьшая высоты ребер опоры.

Прочность стенки аппарата от совместного действия внутренне­го давления Р и изгиба от реакции опор проверяется в двух сечениях:

посередине пролета

над опорой

где коэффициент для обечаек, не укрепленных кольцами жесткости в опорном сечении, определяемый по графику в зависи­мости от угла обхвата аппарата седловой опорой б ; при установке в обечайки колец жесткости в опорном сечении аппарата ;S - толщина стенки аппарата, м; С- конструктивная прибавка, м; [б] -допускаемое напряжение для материала корпуса аппарата, МПа

В случае невыполнения условия прочности посередине пролета и над опорой необходима соответственно установка трех опор или установка (приварка) на­кладки к аппарату под опорную поверхность опоры. Толщина на­кладки обычно принимается равной толщине стенки корпуса ап­парата.

Расчет цилиндрических и конических опорных обечаек для аппара­тов, устанавливаемых вне помещения, ведут с учетом совместного действия осевой нагрузки (силы тяжести аппарата, его среды и опирающихся на него внешних устройств - трубопроводов, пло­щадок, лестниц, изоляции и др.), изгибающих моментов от ветро­вых и эксцентрических нагрузок, а также с учетом сейсмического воздействия для районов с сейсмичностью более 7 баллов (по 12-балльной шкале). Расчетам на ветровую нагрузку подлежат все колонные аппараты, устанавливаемые на открытой площадке, если их высота Н> 10 м и , а такжеН< 10 м, но Н> D min , где D min - наименьший из наружных диаметров аппарата.

Рис. 1.17. Расчетная схема аппарата

При расчете изгибающих моментов от ветровых нагрузок используют расчетную схему аппарата в виде консольного упругого защемленного стержня (рис. 1.17). Аппарат по высоте разбивают на участков и во всех случаях высота участкаh z < 10 м. Вес каж­дого участка G, принимают сосредоточенным в середине участка. Ветровую нагрузку заменяют сосредоточенными силами P i дей­ствующими в горизонтальном направлении и приложенными в серединах участков. Сейсмические силы прикладываются также горизонтально в серединах участков.

Расчет опор горизонтальных аппаратов колонного типа выполняют в следующей последовательности.

Определение периода собственных колебаний аппарата.

Определение изгибающего момента от ветровой нагрузки.

Расчет на сейсмические воздействия. Расчету подлежат все вертикальные аппараты, устанавливаемые в районах с сейсмичностью не менее 7 баллов (по 12-бальной шкале) независимо от того, где они находятся: в помещении или на открытой площадке.

Расчет цилиндрических и конических опор для колонных аппаратов, подверженных ветровой и сейсмической нагрузке.

Вопрос №8. Определение типов прокладок во фланцевых соединениях

Прокладки для герметизации фланцевых соединений.

Для уплотнения во фланцевых соединениях применяются прокладки:

неметаллические, асбометаллические и комбинированные на соединительном выступе фланцев;

неметаллические и асбометаллические в уплотнении выступ-впадина;

неметаллические и асбометаллические в уплот­нении шип-паз для сред с высокой проникаю­щей способностью (водород, гелий, легкие неф­тепродукты, сжиженные газы);

металлические плоские в уплотнении шип-паз;

металлические овального и восьмиугольного се­чений.

Все прокладки стандартизированы, поэтому их подбор осуществляется методом подбора из перечня прокладок в таблице ГОСТ 15180-70.

Выбор прокладок

Обтюрация (уплотнение неподвижных разъемных соединений) дас-тагается сжатием с определенной силой, обеспечивающей герметичность уплотняемых поверхностей непосредственно друг с другом или посредством расположенных между ними прокладок из более мягкого мате­риала.

Наибольшее распространение имеет прокладочная обтюрация, при­меняемая в соединениях низкого, среднего н высокого давлений, а также вакууме:

Беспрокладочная обтюрация применяется при малых диаметрах соединяемых элементов и высоких давлениях.

Прокладочная обтюрация при необходимости многократной разборки соединения (без смены про­кладок) требует прокладок нз высокоэластичных материалов: резины, кожи.

Несколько разборок допускают прокладки из паронита, фторопласта, комбинированные металлические с мягким наполнителем.

Разового дейст­вия являются прокладки из картона, асбестового картона.

Форма уплотне­ния во всех типах обтюрации кольцевая, но иногда - прямоугольная и фасонная.

Вопрос №9. Последовательность расчета абсорбционной колонны.

Абсорбцией называют процесс поглощения газа жидким поглотителем, в котором газ растворим в той или иной степени. Обратный процесс - выделение растворенного газа из раствора - носит название десорбции.

В качестве исходных данных задаются следующие величины:

1. Объемный расход поступающей газовой фазы в колонну: Vг Нм 3 /ч

3. Степень извлечения: α %

4. Начальное содержание поглощаемого компонента в абсорбенте массовая доля: x вн %

5. Конечное содержание поглощаемого компонента в абсорбенте массовая доля x вк %

6. Температура поступающей газовой смеси в колонну t С

7. Давление в колонне Р Па

В результате расчета определяются: La, Dk, Noбщ, ΔРт, Нмт.

Расчет абсорбционных колонн проводят в следующей последовательности:

1. Начальная относительная мольная концентрация поглощаемого компонента газовой фазы при входе в абсорбер

2. Конечная относительная мольная концентрация поглощаемого компонента газовой фазы при выходе из абсорбера

Для расчета материального баланса необходимо перейти от мольных долей к массовым:

где х W , x F , x P – мольные концентрации низкокипящего компонента в кубовом остатке, питании, дистилляте соответственно; М – молекулярные массы.

1. Материальный баланс колонны.

Расчет материальных потоков в колонне проводится на основании уравнений материального баланса. Уравнения материального баланса колонны:

F – расход исходной смеси 5 кг/c;

W – расход кубового остатка кг/c;

P – расход дистиллята кг/c;

х F – концентрация легколетучего компонента в исходной смеси;

x W – концентрация легколетучего компонента в кубовом остатке;

x P – концентрация легколетучего компонента в дистилляте;

Решая систему этих уравнений, находим расход кубового остатка и дистиллята:

1. Расчет минимального флегмового числа

Определяем по диаграмме Х–Y состав пара, равновесного к составу жидкости в исходной смеси:

Рассчитываем R min в соответствии с формулой:

1. Расчет условно–оптимального флегмового числа

Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости (и основные геометрические размеры) определяются рабочим флегмовым числом, найдем условно–оптимальное флегмовое число исходя из минимального объема ректификационной колонны по минимальному значению произведения N(R+1), путем построения графика N(R+1) от R.

Для этого:

Задаемся ординатой В верх

Строим на диаграмме Х–Y рабочие линии соответствующие выбранным В верх, вырисовываем ступени между рабочей и равновесной линиями. Считаем теоретические ступени и результаты расчетов сводим в таблицу:

Далее строим график зависимости N(R+1) от R из которого определяем условно–оптимальное флегмовое число: R opt = 2,76

Расчет на компьютере дал флегмовое число R opt = 2,742 будем использовать его в дальнейших расчетах, т.к. расчет на компьютере более точный.

1. Расчет мольной массы жидкости в верхней и нижней частях колонны.

Мольная масса исходной смеси:

Мольная масса дистиллята:

1. Расчет скорости пара и диаметра колонны

Диаметр колонны находим из уравнения расхода:

G – массовый расход пара в колонне, кг/с;

d – диаметр колонны, м;

 – скорость пара в сечении колонны, м/с;

 y – плотность пара, кг/м 3 .

Свойства пара в верхней и в нижней части колонны будут различны, для учета этого факта расчет свойств жидкости и пара, а также основных геометрических размеров колонны будем проводить отдельно для обеих частей колонны.

Средние массовые расходы жидкости в верхней и нижней частях колонны:

Средний мольный состав пара в верхней и нижней части колонны:

Средние мольные массы пара в верхней и нижней частях колонны:

Средние массовые потоки пара в верхней и нижней частях колонны:

Скорость пара в интервале устойчивой работы ситчатых тарелок ректификационной колонны, можно определить из уравнения:

Расчет скорости пара в верхней и нижней частях колонны:

Плотности паров:

Плотности жидкостей:

Скорость пара:

Из уравнения расхода определяем диаметры верхней и нижней частей колонны:

В соответствии с действующими стандартами выбираем стандартный диаметр колонны: d в = 1,8 м.

Пересчитаем скорость в верхней и нижней частях колонны на реальный диаметр:

Техническая характеристика ситчатой тарелки типа ТР (ОСТ 26-666–72)

Скорость пара в рабочем сечении тарелки:

Рано или поздно почти каждый любитель самодельного алкоголя задумывается о приобретении или изготовлении ректификационной колонны (РК) – устройства для получения чистого спирта. Начинать нужно с комплексного расчета базовых параметров: мощности, высоты, диаметра царги, объема куба и т.д. Эта информация будет полезна как желающим сделать все элементы своими руками, так и собравшимся купить готовую ректификационную колонну (поможет определиться с выбором и проверить продавца). Не затрагивая конструктивных особенностей отдельных узлов, мы рассмотрим общие принципы построения сбалансированной системы для ректификации в домашних условиях.

Схема работы колонны

Характеристики трубы (царги) и насадки

Материал. Труба во многом определяет параметры ректификационной колонны и требования ко всем узлам аппарата. Материалом для изготовления царги является хромоникелевая нержавеющая сталь – «пищевая» нержавейка.

Благодаря химической нейтральности пищевая нержавеющая сталь не оказывает воздействия на состав продукта, что и требуется. На спирт перегоняют сырец из сахарной браги или отходы дистилляции («головы» и «хвосты»), поэтому главной целью ректификации является максимальная очистка выхода от примесей, а не изменение органолептических свойств спирта в ту или иную сторону. Использовать медь в классических ректификационных колоннах неуместно, поскольку этот материал слегка изменяет химический состав напитка и подходит для производства дистиллятора (обычного самогонного аппарата) или бражной колонны (частный случай ректификации).

Разобранная труба колонны с установленной насадкой в одной из царг

Толщина. Царгу делают из нержавеющей трубы с толщиной стенки 1-1,5 мм. Более толстая стенка не нужна, так как это приведет к удорожанию и утяжелению конструкции без получения каких-либо преимуществ.

Параметры насадки. Говорить о характеристиках колонны без привязки к насадке не корректно. При ректификации в домашних условиях используют насадки с площадью контактной поверхности от 1,5 до 4 кв. м/литр. С увеличением площади контактной поверхности возрастает и разделяющая способность, но падает производительность. Уменьшение площади приводит к снижению разделяющей и укрепляющей способности.

Производительность колонны вначале растет, но потом для поддержания крепости выхода оператор вынужден понижать скорость отбора. Это значит, что существует некий оптимальный размер насадки, который зависит от диаметра колонны и позволят достичь наилучшего сочетания параметров.

Размеры спирально-призматической насадки (СПН) должны быть меньше внутреннего диаметра колонны примерно в 12-15 раз. Для диаметра трубы 50 мм – 3.5х3.5х0.25 мм, для 40 – 3х3х0.25 мм, а для 32 и 28 – 2х2х0.25 мм.

В зависимости от поставленных задач целесообразно использовать разные насадки. Например, при получении укрепленных дистиллятов часто применяют медные кольца диаметром и высотой 10 мм. Понятно, что в этом случае целью является не разделяющая и укрепляющая возможность системы, а совершенно другой критерий – каталитическая способность меди устранять из спирта сернистые соединения.

Варианты спирально-призматических насадок

Не стоит ограничивать арсенал одной, пусть даже самой лучшей насадкой, таких просто нет. Есть наиболее подходящие для решения каждой конкретной задачи.

Даже небольшое изменение диаметра колонны серьезно влияет на параметры. Для оценки достаточно помнить, что номинальные мощность (Вт) и производительность (мл/час) численно равны площади поперечного сечения колонны (кв. мм), а значит, пропорциональны квадрату диаметра. Обращайте на это внимание при выборе царги, всегда считайте внутренний диаметр и по нему сравнивайте варианты.

Зависимость мощности от диаметра трубы

Высота трубы. Для обеспечения хорошей удерживающей и разделительной способности, не зависимо от диаметра, высота ректификационной колонны должна быть от 1 до 1,5 м. Если меньше – не хватит места для накопленных в ходе работы сивушных масел, в результате сивуха начнет прорываться в отбор. Еще один недостаток – головы будут нечетко разделяться на фракции. Если высота трубы больше – это не приведет к существенному улучшению разделяющей и сдерживающей способности системы, но увеличит время перегона, а также количество «голов» и «подголовников».Другими словами, с увеличением высоты трубы прибавка к разделяющей способности ректификационной колонны на каждый дополнительный сантиметр снижается. Эффект от увеличения трубы с 50 см до 60 см на порядок выше, чем со 140 см до 150 см.

Объем куба для ректификационной колонны

Чтобы повысить выход качественного спирта, но не допустить переполнения сивухой колонны, навалку (наполнение) спирта-сырца в кубе ограничивают в диапазоне 10-20 объемов насадки. Для колонн высотой в 1,5 м и диаметром 50 мм – 30-60 л, 40 мм – 17-34 л, 32 мм – 10-20 л, 28 мм – 7-14 л.

С учетом заполнения куба на 2/3 объема, для колонны внутренним диаметром царги 50 мм подойдет 40-80 литровая емкость, для 40 мм – 30-50 литровая, для 32 мм – 20-30 литровый куб, а для 28 мм – скороварка.

При использовании куба объемом ближе к нижней границе рекомендованного диапазона можно смело убрать одну царгу и уменьшить высоту до 1-1,2 метра. В результате сивухи будет относительно мало для прорыва в отбор, а вот объем «подголовников» заметно уменьшится.

Источник и мощность нагрева колонны

Тип плиты. Самогонное прошлое не дает покоя многим новичкам, которые считают, что если раньше использовали для нагрева самогонного аппарата газовую, индукционную или обычную электрическую плиту, то можно оставить этот источник и для колонны.

Процесс ректификации существенно отличается от дистилляции, всё намного сложнее и костер не подойдет. Нужно обеспечить плавную регулировку и стабильность подаваемой мощности нагрева.

Электроплитки, работающие по терморегулятору в режиме старт-стоп, не используются, потому что как только произойдет кратковременное отключение питания, пар перестанет идти в колонну, а флегма рухнет в куб. В таком случае придется начать ректификацию заново – с работы колонны на себя и отбора «голов».

Индукционная плита – крайне грубый аппарат со ступенчатым изменением мощности по 100 -200 Вт, а при ректификации нужно менять мощность плавно, буквально по 5-10 Вт. Да и стабилизировать нагрев независимо от колебания напряжения на входе вряд ли получится.

Газовая плита при залитом в куб 40-процентном спирте-сырце и 96-градусоном продукте на выходе представляет смертельную опасность, не говоря уже о колебании температуры нагрева.

Оптимальное решение – врезать в куб колонны тэн нужной мощности, а для регулировки использовать реле со стабилизацией выходного напряжения, например, РМ-2 16А. Можно взять и аналоги. Главное получить на выходе стабилизированное напряжение и возможность плавно менять температуру нагрева по 5-10 Вт.

Подаваемая мощность. Чтобы нагреть куб за приемлемое время, нужно исходить из мощности 1 кВт на 10 литров спирта-сырца. Значит, для 50 л куба, заполненного на 40 литров, требуется минимум 4 кВт, 40 л – 3 Квт, 30 л – 2-2.5 кВт, 20 л – 1.5 кВт.

При одном и том же объеме кубы могут быть низкими и широкими, узкими и высокими. Выбирая подходящую емкость, нужно учитывать, что зачастую куб используется не только для ректификации, но и при дистилляции, поэтому исходят из самых жестких условий, чтобы подводимая мощность не приводила к бурному пенообразованию с выбросами брызг из куба в паропровод.

Опытным путем установлено, что при глубине размещения тэна около 40-50 см нормальное кипение происходит в случае, если на 1 кв. см зеркала навалки приходится не более 4-5 Вт мощности. При уменьшении глубины допустимая мощность увеличивается, а при увеличении – уменьшается.

Есть и другие факторы, влияющие на характер кипения: плотность, вязкость и поверхностное натяжение жидкости. Бывает, что выбросы происходят в конце перегонки браги, когда увеличивается плотность. Поэтому вести процесс ректификации на границе дозволенного диапазона всегда чревато неприятностями.

Распространенные цилиндрические кубы имеют диаметр 26, 32, 40 см. Исходя и допустимой мощности на площадь поверхности зеркала кубовой навалки 26 см куб, будет нормально работать при мощности нагрева до 2,5 кВт, для 30 см – 3.5 кВт, 40 см – 5 кВт.

Третьим фактором, определяющим мощность нагрева, является использование одной из царг колонны без насадки в качестве сухопарника для борьбы с брызгоуносом. Для этого нужно, чтобы скорость пара в трубе не превышала 1 м/с, при 2-3 м/с защитный эффект ослабевает, а при больших значениях пар будет гнать флегму вверх по трубе и забрасывать в отбор.

Формула для расчета скорости пара:

V = N * 750 / S (м/сек),

• N – мощность, кВт;
• 750 – парообразование (куб. см/сек кВт);
• S – площадь поперечного сечения колонны (кв. мм).

Труба диаметром 50 мм справится с брызгоуносом при нагреве до 4 кВт, 40-42 мм – до 3 кВт, 38 – до 2 кВт, 32 – до 1,5 кВт.

Исходя из вышеперечисленных соображений, выбираем объем, размеры куба, мощность нагрева и дистилляции. Все эти параметры согласованы с диаметром и высотой колонны.

Расчет параметров дефлегматора ректификационной колонны

Мощность дефлегматора определяется в зависимости от типа ректификационной колонны. Если строим колонну с жидкостным отбором или паровым ниже дефлегматора, то необходимая мощность должна быть не меньше номинальной мощности колонны. Обычно в этих случаях в качестве конденсатора применяют холодильник Димрота с утилизационной мощностью 4-5 Ватт на 1 кв. см поверхности.

Если колонна с отбором по пару выше дефлегматора, то расчетная мощность составляет 2/3 от номинальной. В этом случае можно применить Димрот или «рубашечник». Утилизационная мощность рубашечника ниже, чем у димрота и составляет около 2 Ватт на квадратный сантиметр.

Пример холодильника Димрота для колонны

Далее все просто: номинальную мощность делим на утилизационную. Например, для колонны с внутренним диаметром 50 мм: 1950 / 5= 390 кв. см площади Димрота или 975 кв. см «рубашечника». Значит, холодильник Димрот можно сделать из трубки 6х1 мм длинной 487 / (0.6 * 3.14) = 2.58 см для первого варианта, с учетом коэффициента запаса 3 метра. Для второго варианта умножаем на две трети: 258 * 2 / 3 = 172 см, с учетом коэффициента запаса 2 метра.

Рубашечник для колонны 52 х 1 – 975 / 5.2 / 3.14 = 59 см * 2/3 = 39 см. Но это для помещений с высокими потолками.

«Рубашечник»

Расчет прямоточного холодильника

Если прямоточник применяется как доохладитель в ректификационной колонне с жидкостным отбором, то выбирают самый маленький и компактный вариант. Достаточно мощности в 30-40% от номинальной мощности колонны.

Изготавливают прямоточный холодильник без спирали в зазоре между рубашкой и внутренней трубой, потом запускают отбор в рубашку, а охлаждающую воду подают по центральной трубе. В этом случае рубашку наваривают на трубу подачи воды в дефлегматор. Это мелкий «карандашик» длинной около 30 см.

Но если один и тот же прямоточник используется как при дистилляции, так и при ректификации, являясь универсальным узлом, исходят не из потребности РК, а из максимальной мощности нагрева при дистилляции.

Для создания турбулентного потока пара в холодильнике, позволяющего обеспечить интенсивность теплопередачи не меньше 10 Ватт/кв. см, необходимо обеспечить скорость пара около 10-20 м/с.

Диапазон возможных диаметров достаточно широк. Минимальный диаметр определяется из условий не создания большого избыточного давления в кубе (не более 50 мм вод столба), а максимальный расчетом числа Рейнольдса, исходя из минимальной скорости и максимального коэффициента кинематической вязкости паров.

Возможная конструкция прямоточного холодильника

Чтобы не вдаваться в ненужные подробности, приведем самое распространенное определение: «Для того, чтобы в трубе поддерживался турбулентный режим движения пара, достаточно, чтобы внутренний диаметр (в миллиметрах) был не больше 6-кратной мощности нагрева (в киловаттах)».

Для предотвращения завоздушивания водяной рубашки необходимо поддерживать линейную скорость воды не ниже 11 см/с, но чрезмерное увеличение скорости потребует большого давления в водопроводе. Поэтому оптимальным считается диапазон от 12 до 20 см/с.

Чтобы сконденсировать пар и охладить конденсат до приемлемой температуры, нужно подавать воду при 20°C в объеме около 4.8 куб см/с (17 литров в час) на каждый киловатт подводимой мощности. При этом вода нагреется на 50 градусов – до 70°C. Естественно, зимой воды понадобится меньше, а при использовании автономных систем охлаждения, примерно в полтора раза больше.

На основании предыдущих данных можно рассчитать площадь поперечного сечения кольцевого зазора и внутренний диаметр рубашки. Нужно учитывать и доступный сортамент труб. Расчеты и практика показали, что зазор в 1-1.5 мм вполне достаточен для соблюдения всех необходимых условий. Этому соответствуют пары труб: 10х1 – 14х1, 12х1 – 16х1, 14х1 – 18х1, 16х1 – 20х1 и 20х1 – 25х1.5, которые перекрывают весь диапазон мощностей, применяемых в домашних условиях.

Есть еще одна немаловажная деталь прямоточника – спираль, навитая на паровую трубу. Делается такая спираль из проволоки диаметром, обеспечивающим зазор в 0.2-0.3 мм до внутренней поверхности рубашки. Навивается с шагом равным 2-3 диаметрам паровой трубы. Основное предназначение – центрирование паровой трубы, в которой при работе температура выше, чем в трубе рубашки. Это значит, что в следствии теплового расширения паровая труба удлиняется и изгибается, прислоняясь к рубашке, возникают мертвые зоны, не омываемые водой охлаждения, в результате эффективность холодильника резко падает. Дополнительными плюсами навивки спирали являются удлинение пути и создание турбулентности охлаждающего потока воды.

Грамотно выполненный прямоточник может утилизировать до 15 Ватт /кв. см площади теплообмена, что подтверждено опытным путем. Для определения длины охлаждаемой части прямоточника воспользуемся номинальной мощностью в 10 Вт /кв. см (100 кв. см/кВт).

Необходимая площадь теплообмена равна мощности нагрева в киловаттах, умноженной на 100:

S = P * 100 (кв. см).

Длина внешней окружности паровой трубы:

Lокр = 3.14 * D.

Высота рубашки охлаждения:

H = S / Lокр.

Общая формула расчета:

H = 3183 * P / D (мощность в кВт, высота и внешний диаметр паровой трубы в миллиметрах).

Пример расчета прямоточника

Мощность нагрева – 2 кВт.

Возможно применение труб 12х1 и 14х1.

Площади сечения – 78,5 и 113 кв. мм.

Объем пара – 750 * 2=1500 куб. см /с.

Скорости пара в трубах: 19,1 и 13,2 м/с.

Труба 14х1 выглядит предпочтительней, так как позволяет иметь запас по мощности, оставаясь в рекомендованном диапазоне скорости пара.

Парная труба для рубашки – 18х1, кольцевой зазор составит 1 мм.

Скорость подачи воды: 4,8 * 2= 9.6 см3/с.

Площадь кольцевого зазора – 3.14 / 4 * (16 * 16 – 14 * 14) = 47.1 кв. мм = 0,471 кв. см.

Линейная скорость – 9.6 / 0.471 = 20 см/с – значение остается в рекомендованных пределах.

Если бы кольцевой зазор был 1,5 мм – 13 см/с. Если 2 мм, то линейная скорость упала бы до 9.6 см/с и пришлось бы подавать воду выше номинального объема, исключительно для того, чтобы не завоздушивался холодильник, – бессмысленная трата денег.

Высота рубашки – 3183 * 2 / 14 = 454 мм или 45 см. Коэффициент запаса не нужен, все учтено.

Итог: 14х1-18х1 с высотой охлаждаемой части 45 см, номинальный расход воды – 9.6 куб. см/с или 34.5 литра в час.

При номинальной мощности 2 кВт нагрева холодильник будет выдавать 4 литра спирта в час с хорошим запасом.

Эффективный и сбалансированный прямоточник при дистилляции должен иметь соотношения скорости отбора к мощности нагрева и расходу воды на охлаждение 1 литр/час – 0,5 кВт – 10 литров/час. Если мощность выше, будут большие теплопотери, малая – полезная мощность нагрева снизится. Если расход воды выше, прямоточник имеет неэффективную конструкцию.

Ректификационную колонну можно использовать в качестве бражной. Оборудование для бражных колонн имеет свои особенности, но вторая перегонка отличается в основном технологией. Для первой перегонки особенностей больше и отдельные узлы могут оказаться не применимыми, но это тема для отдельного разговора.

Исходя из реальных домашних потребностей и существующего асортимента труб, рассчитаем по приведенной методике типовые варианты ректификационной колонны.

P.S. Выражаем благодарность за систематизацию материала и помощь в подготовке статьи пользователю нашего форума .

1. Задание на проектирование

2. Теоретическая часть

3. Схема ректификационной колонны

4. Расчет ректификационной колонны

4.1 Материальный баланс. Уравнения рабочих линий

4.5 Тепловой расчет установки

Список использованных источников

1. Задание на проектирование

Рассчитать и спроектировать колонну ректификации (тарельчатую) для разделения смеси уксусной кислоты – вода поступающей в количестве 10 тонн в час. Состав исходной смеси 10% (масс.) уксусной кислоты и 90% (масс.) воды. Требуемое содержание уксусной кислоты в дистилляте 0,5% (масс.), а в кубовом остатке 70% (масс.). Ректификация производится под атмосферном давлении. Греющий пар имеет давление Р изб =3 атм.

Техническая характеристика

1. Аппарат предназначен для разделения смеси уксусная кислота – вода концентрацией 10% (масс).

2. Греющий пар имеет давление Р=3атм.

3. Температура среды в кубе до 105°С.

4. Среда в аппарате не токсичная.

5. Тип тарелок - ситчатые.

6. Число тарелок - 33.

Технические требования

1. При изготовлении, испытания и поставки аппарата должны выполняться требования:

А) ГОСТ 12.2.003-74 "Оборудование производственное. Общие требования безопасности"

Б) ГОСТ 26-291-79 "Сосуды и аппараты стальные сварные. Технические требования"

2. Материал тарелок или частей колонны, соприкасающимися с разделяемыми жидкостями или их парами, из стали Х18НЮТ ГОСТ 5949-75, остальные элементы колонны из стали ВСт Зсп. ГОСТ 380-71.

3. Аппарат испытать на прочность и плотность гидравлически:

А) в горизонтальном положении - давлением 0,2 Мпа;

Б) в вертикальном положении - наливом.

4. Сварные соединения должны соответствовать требованиям ОН 26-01-71-68 "Сварка в химическом машиностроении." Сварку В Ст Зсп. Произвести электродом марки АНО-5-4,5-2 по ГОСТ 9467-75.

5. Сварные швы в объеме 100% контролировать рентгенопросвечиванием.

6. Прокладки из паронита ПОН-1 ГОСТ 481-71.

7. Неуказанный вылет штуцеров 150мм.

8. Размеры для справок.

2. Теоретическая часть

Ректификация представляет собой процесс многократного частичного испарения жидкости конденсации паров. Процесс осуществляется путем контакта потоков пара и жидкости, имеющих различную температуру, и проводятся обычно в колонных аппаратах. При каждом контакте и жидкости испаряется преимущественно низкокипящий компонент, которым обогащаются пары из паров конденсируется преимущественно высококипящий компонент, переходящий в жидкости. Такой двусторонний обмен компонентами, повторяемый многократно, позволяет получить, в конечном счете, пары, представляющие собой почти чистый низкокипящий компонент. Эти пары после конденсации в отдельном аппарате дают дистиллят (ректификат) и флегму – жидкость, возвращаемую для орошения колонны и взаимодействия с поднимающимися нарами. Пар получают путем частичного испарения снизу колонны остатка, являющегося почти чистым высококипящим компонентом.

Ректификация известна с начала XIX века как один из важнейших технологически процессов главным образом спиртовой и нефтяной промышленности. В настоящее время ректификацию все шире применяют в самых различных областях химической технологии, где выделение компонентов в чистом виде имеет весьма важное значение (в производства органического синтеза, изотопов, полимеров, полупроводников и различных других веществ высокой чистоты).

Процесс ректификации осуществляется путем многократного контакта между неравновесными жидкой и паровой фазами, движущимися относительно друг друга.

При взаимодействии фаз между ними происходит массо- и теплообмен обусловлены стремлением системы к состоянию равновесия. В результате каждого контакта компонент перераспределяются между фазами: пар несколько обогащается низкокипящим компонентом, жидкость - высококипящим. Многократное контактирование приводит к практически полном разделению исходной смеси.

Устройство ректификационных аппаратов.

Рис. 1 Ректификационная колонна непрерывного действия.

1 – колонна; 2 – кипятильник; 3 – дефлегматор

Таким образом, отсутствие равновесия (и соответственно наличие разности температур фаз при движении фаз с определенной относительной скоростью и многократном их контактированиии являются необходимыми условиями проведения ректификации.

Процессы ректификации осуществляются периодически или непрерывно при различны давлениях: при атмосферном давлении, под вакуумом (для разделения смесей высококипящих веществ), а также под давлением больше атмосферного (для разделения смесей, являющихся газообразными при нормальных температурах).

Для проведения процессов ректификации применяют аппараты разнообразных конструкций основные типы которых не отличаются от соответствующих типов абсорберов.

В ректификационных установках используют главным образом аппараты двух типов:

насадочные и тарельчатые ректификационные колонны. Кроме того, для ректификации.

вакуумом применяют пленочные и роторные колонны различных конструкций

Насадочные, барботажные, а также некоторые пленочные колонны по конструкции внутренних устройств (тарелок, насадочных тел и т. д.) аналогичны абсорбционным колоннам. Однако в отличие от абсорберов ректификационные колонны снабжен теплообменными устройствами - кипятильником (кубом) и дефлегматором (рис. 1). Кроме того, для уменьшения потерь тепла в окружающую среду ректификационные аппараты покрывают тепловой изоляцией.

Рис- 2. Варианты установки дефлегматоров

а - на колонне: б - ниже верха колонны;

1 -дефлегматоры; 2 - колонны: 3 - насос.

Кипятильник или куб, предназначен для превращения в пар части жидкости, стекающей из колонны, и подвода пара в ее нижнюю часть (под насадки или нижнюю тарелку). Кипятильники имеют поверхность нагрева в виде змеевика или представляют собой кожухотрубчатый теплообменник, встроенный в нижнюю часть колонны. Более удобны для ремонта и замены выносные кипятильники, которые устанавливают ниже колонны с тем, чтобы обеспечить естественную циркуляцию жидкости.

Дефлегматор, предназначенный для конденсация паров и подачи орошения (флегмы) колонну, представляет собой кожухотрубчатый теплообменник, в межтрубном пространстве которого обычно конденсируются пары, а в трубах движется охлаждающий агент (вода).

Рис. 3. Сетчатая колонна.

а - схема устройства колонны; б – схема устройства тарелки; 1 - корпус; 2 - тарелка; 3 - переливная труба; 4 - стакан.

В случае частичной конденсации паров дефлегматоре его располагают непосредственно над, колонной, чтобы обеспечить большую компактность установки, либо вне колонны (рис 2). При этом конденсат (флегму) из нижней части дефлегматор подают непосредственно через гидравлический затвор на верх колонны, так как в данном случае отпадав необходимость в делителе флегмы.

В случае полной конденсации паров в дефлегматоре его устанавливают выше колонны, непосредственно на колонне или ниже верха колонны для того, чтобы уменьшить общую высоту установки. В последнем случае флегму из дефлегматора 1 подают в колонну 2 насосом. Такое размещение дефлегматора часто применяют при установке ректификационных колонн вне зданий, что более экономично в условиях умеренного климата.

Барботажные (тарельчатые) колонны. (Рис 3). Эти аппараты в процессах ректификации наиболее широко распространены. Они применимы для больших производительностей, широкого диапазона изменения нагрузок по пару и жидкости могут обеспечить весьма четкое разделение смесей Недостаток барботажных аппаратов – относительное высокое гидравлическое сопротивление - в условия ректификации не имеет существенного значения. При ректификации повышение гидравлического сопротивления приводит лишь к некотором увеличению давления и соответственно повышению температуры кипения жидкости кипятильнике колонны. Однако тот же недостаток сохраняет свое значение для процессов ректификации под вакуумом.

Ситчатые тарелки. (Рис. 3) . Колонна с ситчатыми тарелками представляет собой вертикальный цилиндрический корпус с горизонтальными тарелками, в которых равномерно по всей поверхности просверлено значительное число отверстий диаметром 1-5 мм. Газ проходи сквозь отверстия тарелки и распределяется в жидкости в виде мелких струек и пузырьков. Ситчатые тарелки отличаются простотой устройства, легкостью монтажа, осмотра и ремонт. Гидравлическое сопротивление этих тарелок невелико. Ситчатые тарелки устойчиво работают довольно широком интервале скоростей газа, причем в определенном нагрузок по газу и жидкость эти тарелки обладают высокой эффективностью. Вместе с тем ситчатые тарелки чувствительны загрязнителям и осадкам, которые забивают отверстия тарелок.

Колпачковые тарелки .

Менее чувствительны к загрязнениям, чем ситчатые, и отличаются более высоким интервалом устойчивой работы колонны с колпачковыми тарелками. Газ на тарелку поступает по патрубкам, разбиваясь затем прорезями колпачка на большое число отдельных струй. Далее газ проходит через слой жидкости, перетекающей по тарелки от одного сливного устройства к другому.

Рис. 4. Схема работы колпачковой тарелки

При движении через слой значительная часть мелких струй распадается и газ распределяется в жидкости в виде пузырьков. Интенсивность образования пены непосредственно на колонне или ниже верха колонны для того, чтобы уменьшить общую высоту установки. В последнем случае флегму из дефлегматора 1 подают в колонну 2 насосом. Такое размещение дефлегматора часто применяют при установке ректификационных колонн вне зданий, что более экономично в условиях умеренного климата.

Барботажные (тарельчатые) колонны. (Рис 3). Эти аппараты в процессах ректификации наиболее широко распространены. Они применимы для больших производительностей, широкого диапазона изменения нагрузок по пару и жидкости и могут обеспечить весьма четкое разделение смесей. Недостаток барботажных аппаратов – относительно – высокое гидравлическое сопротивление - в условия, ректификации не имеет существенного значения. При ректификации повышение гидравлического сопротивления приводит лишь к некоторому, повышению температуры кипения жидкости в кипятильнике колонны. Однако тот же недостаток сохраняет свое значение для процессов ректификации под вакуумом.

В таких колоннах используют различные виды тарелок: ситчатые, колпачковые, провальные, клапанные, пластинчатые и др.

Ситчатые тарелки. (Рис. 3). Колонна с ситчатыми тарелками представляет собой вертикальный цилиндрический корпус с горизонтальными тарелками, в которых равномерно по всей поверхности просверлено значительное число отверстий диаметром 1-5 мм. Газ проходи сквозь отверстия тарелки и распределяется в жидкости в виде мелких струек и пузырьков ситчатые тарелки отличаются простотой устройства, легкостью монтажа, осмотра и ремонта. Гидравлическое сопротивление этих тарелок невелико. Ситчатые тарелки устойчиво работают в довольно широком интервале скоростей газа, причем в определенном нагрузок по газу и жидкости эти тарелки обладают высокой эффективностью. Вместе с тем ситчатые тарелки чувствительны к загрязнителям и осадкам, которые забивают отверстия тарелок.

Колпачковые тарелки. Менее чувствительны к загрязнениям, чем ситчатые, и отличаются более высоким интервалом устойчивой работы колонны с колпачковыми тарелками. Газ на тарелку поступает по патрубкам, разбиваясь затем прорезями колпачка на большое число отдельных струй. Далее газ проходит через слой жидкости, перетекающей по тарелке от одного сливного устройства к другому. При движении через слой значительная часть мелких струй распадается и газ распределяется в жидкости в виде пузырьков. Интенсивность образования пены и брызг на колпачковых тарелках зависит от скорости движения газа и глубины погружения колпачка в жидкость. Колпачковые тарелки изготовляют с радиальным или диаметральным переливами жидкости. Колпачковые тарелки устойчиво работают при значительных изменениях нагрузок по газу и жидкости. К их недостаткам следует отнести сложность устройства и высокую стоимость, низки предельные нагрузки ею газу, относительно высоко гидравлическое сопротивление, трудность очистки.

Клапанные тарелки. (рис. 5). Принцип действия клапанных тарелок состоят в том, что свободно лежащий что свободно лежащий над отверстием в тарелке круглый клапан с изменением расхода газа своим весом автоматически регулирует величину площади зазора между клапаном и плоскостью тарелки для прохода газа и тем самым поддерживает постоянной скорость газа при его истечении в барботажный слой.

Рас. 5. Клапанные тарелки.

а, б - с круглыми колпачками; в, с пластинчатым клапаном; г - балластная; 1 - клапан; 2 - кронштейн- ограничитель; 3 - балласт.

При этом с увеличением скорости газа в колонне гидравлическое сопротивление клапанной тарелки увеличивается незначительно. Высота подъема клапана ограничивается высотой кронштейна ограничителя и обычно не превышает 8 мм.

Достоинства клапанных тарелок: сравнительно высокая пропускная способность по газу и гидродинамическая устойчивость, постоянная высокая эффективность в широком интервале нагрузок по газу.

Насадочные колонны . В этих колоннах используются насадки различных типов, но в промышленности наиболее распространены колонны с насадкой из колец Рашига. Меньшее гидравлическое сопротивление насадочных колонн по сравнению с барботажными особенно важно при ректификации под вакуумом. Даже при значительном вакууме в верхней части колонны вследствие большого гидравлического сопротивления ее разрежение в кипятильнике может оказаться недостаточным для требуемого снижения температуры кипения исходной смеси.

Для уменьшения гидравлического сопротивления вакуумных колонн в них применяю насадки с возможно большим свободным объемом.

В самой ректификационной колонне не требуется отводить тепло. Поэтому трудность отвода тепла из насадочных колонн является скорее достоинством, чем недостатком насадочных колонн в условиях процесса ректификации.

Пленочные аппараты . Эти аппараты применяется для ректификации под вакуумом смесей обладающих малой термической стойкостью при нагревании (например, различные мономеры полимеры, а также другие продукты органического синтеза).

В ректификационных аппаратах пленочного типа достигается низкое гидравлического сопротивление. Кроме того, задержка жидкости в единице объема работающего аппарата мала. К числу пленочных ректификационных аппаратов относятся колонны с регулярной насадкой в виде пакетов вертикальных трубок диаметром 6-20 мм (многотрубчатые колонны), а также пакетов плоскопараллельной или сотовой насадки с каналами различной формы, изготовленной и перфорированных металлических листов или металлической сетки.

Недостатки роторных колонн: ограниченность их высоты и диаметра (из-за сложности изготовления и требований, предъявляемых к прочности и жесткости ротора), а также высоки эксплуатационные расходы.

3. Схема ректификационной установки

Принципиальная схема ректификационной установки

Описание ректификационной установки

Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рис. Исходная смесь из промежуточной емкости 9 центробежным насосом 10 подается в теплообменник 5, где подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну / на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси ХF .

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 2. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка Xw , т.е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состав ХР, которая получается в дефлегматоре 3 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Затем жидкость направляется в делитель флегмы 4. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 6, и направляется в сборник дистиллята 11 при помощи насоса 10.

Из кубовой части колонны насосом 10 непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в холодильнике остатка 7 и направляется в емкость 8. Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравномерный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят с высоким содержанием легколетучего компонента и кубовой остаток, обогащенный труднолетучим компонентом.

4. Расчет ректификационной колонны

4.1 Расчет материального баланса

Уравнения материального баланса ректификационной колонны непрерывного действия, учитывающее количество поступающих и уходящих потоков, имеет следующий вид:

G F = G D +G W (1)

где G F – количество поступающей на разделение смеси, кг/с;

G D – массовый расход дистиллята, кг/с;

G W – массовый расход кубового остатка, кг/с;

G F ∙Х F = G D ∙Х D +G W ∙Х W (2)

где Х D – концентрация низкокипящего компонента в дистилляте, массовые доли;

Х W – концентрация низкокипящего компонента в кубовом остатке, массовые доли;

Х F – концентрация низкокипящего компонента в исходной смеси, массовые доли.

Для того, чтобы найти массовый расход дистиллята Х D и массовый расход кубового остатка Х W подставим исходные данные в уравнение (1) и в уравнение (2). Затем решим эти уравнения совместно.

G D +G W = 10000

G D ∙ 0,995 + G W ∙ 0,3 = 10000 ∙ 0,9

G D ∙ 0,995 + (1000-G D ) ∙ 0,3 = 9000

0,695 ∙ G D = 9000 − 3000

0,695 ∙ G W = 6000

G D =8633 кг/ч

G D = 10000 − 8633 = 1367 кг/ч

Массовый расход дистиллята: G D = 8633 кг/ч

Массовый расход кубового остатка: G W =1367 кг/ч

Для дальнейших расчетов выразим концентрации питания, дистиллята и кубового остатка в мольных долях.

(3)

где Х F – концентрация низкокипящего компонента в питании, мольные доли;

М в – мольная масса низкокипящего компонента, кг/моль;

М укс – мольная масса высококипящего компонента, кг/моль;

М укс = 60 кг/кмоль;

М в = 18 кг/кмоль;

(4)

где Х D - концентрация низкокипящего компонента в дистилляте, мольные доли

(5)

где Х W - концентрация низкокипящего компонента в кубовом остатке, мольные доли.

Подставим в формулу(3), в формулу (4) и в формулу (5) исходные данные и найдем содержание уксусной кислоты в смеси (питании), в дистилляте и в кубовом остатке.

Х F =

Х D =

Х W =

Относительный мольный расход питания определяется по уравнению:

(6)

Для проведения дальнейших расчетов нам необходимо построить кривую равновесия в координатах
для системы этиловый спирт-вода при атмосферном давлении.

Здесь
- мольные доли воды в жидкости и в равновесном с ним паре.

РБ и РТ – давление насыщенного пара воды и уксусной кислоты соответственно П- общее давление

Все необходимые данные для построения кривой равновесия приведены в таблице 1.

Таблица 1. Равновесные составы жидкости и пара для системы Уксусная кислота - вода

По данным таблицы 1 построим кривую равновесия

Рис.2. Кривая равновесия в координатах для системы уксусная кислота – вода.

Минимальное число флегмы
определяется по уравнению:

(7)

где у F * - концентрация низкокипящего компонента в паре, равновесном с жидкостью питания.

У F *=0.977

Подставим в уравнение (7) все необходимые данные и найдем минимальное число флегмы R min

Рабочее число флегмы R определяется по уравнению:

Подставим числовое значение минимального числа флегмы R min в уравнение (8) и определим рабочее число флегмы R .

Коэффициент избытка флегмы равен:

Уравнения рабочих линий

А) в верхней (укрепляющей) части колонны

где R – флегмовое число

Б) в нижней (исчерпывающей) части колонны

Xw

где R – флегмовое число

F – относительный мольный расход питания

Определяем по соотношению:

+

Где Md и Mf -мольные массы дистилята и исходной смеси;

M верх и M н- средние мольные массы жидкости в верхней и нижней части колоны.

Мольные массы в верхней и нижних частях колоны соответственно равны:

Где X срн и X срв – средний мольный состав жидкости в нижней и верхней частях колонны.

M cp в = кг/кмоль

M cp н = кг/кмоль

Мольная масса исходной смеси:

M F = кг/кмоль

Мольная масса дистиллята:

M D = кг/кмоль

Подставив, получим:

кг/ч

+
кг/ч

Средние массовые потоки пара в верхней G в и G н частях колонны соответственно равны:

Здесь M ’ в и M ’ н – средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны:

M ’ верх = М в y срв + М укс (1-y срв)

M ’ н = М в y срн + М укс (1-y срн)

y срн и y срв – средний мольный состав пара в нижней и верхней частях колонны.

Значение y D , y F и y W получаем из уравнений рабочей линии. Тогда:

M ’ cp в = кг/кмоль

M ’ cp н = кг/кмоль

кг/ч

кг/ч

тарельчатый колонна ректификация дефлегматор

4.2 Определение скорости пара и диаметра колонны

По данным таблицы 1строим диаграмму t -x ,y .

Рисунок 2 Диаграмма t -x ,y для определения состава равновесия пара в зависимости от температуры

По диаграмме, представленной на рисунке 2, определяем средние температуры:

А) y cp в = 0.9397 t cp = 100.1 o C

Б) y cp н = 0.7346 t cp = 102.3 o C

Зная средние мольные, определяем массы и плотности пара:

M ’ cp в =
кг/кмоль

M ’ cp н =
кг/кмоль

M ’ в и M ’ н средние мольные массы пара в верхней и нижней части колонны соответственно;

ρ ув и ρ ун плотности пара в в верхней и нижней части колонны соответственно.

Температура в верхней части колонны при Х срв =0.9831 равна 100.01°С, а в нижней при X срн = 0.77795 равна 101.5°С. Отсюда t ср = 100.9755°С. Эти данные определены по диаграмме t -х,у, представленной на рисунке 2.

Плотность воды при t = 100 °С ρ в =958 кг/м 3 , а уксусной кислоты при ρ укс =958 кг/м 3 .

Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне:

Определяем скорость пара в колонне по уравнению:

Диаметр ректификационной колонны рассчитываем по формуле:

м

м

Берем диаметр колонны D = 3600 мм.

Тогда скорость пара в колонне будет равна:

м/с

4.3 Гидравлический расчет тарелок

Выбираем тарелку типа ТС - Р [приложение 2, стр. 118].

Принимаем следующие размеры ситчатой тарелки:

Диаметр отверстий d o = 4 мм

Высота сливной перегородки h П = 40 мм

Свободное сечение тарелки (суммарная площадь отверстий) 8% от общей площади тарелки.

Площадь, занимаемая двумя сегментными переливными стаканами, составляет 20% от общей площади тарелки.

Периметр слива П = 3.1 м.

Рассчитаем гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части и в нижней части колонны по уравнению:

где Δp сух - сопротивление сухой тарелки;

Δp б - сопротивление, вызываемое силами поверхностного натяжения;

Δp гж - сопротивление газожидкостного слоя на тарелке.

А) в верхней (укрепляющей) части колонны:

где
- коэффициент сопротивления неорошаемых ситчатых тарелок со свободным сечением 7-10%;

Скорость пара в отверстиях тарелки.

где - поверхностное натяжение жидкости при средней температуре в верхней части колонны 100 °С; d 0 = 0-004 м - диаметр отверстий тарелки.

где
отношение плотности парожидкостного слоя (пены) к плотности жидкости, принимаемое приближенно равным 0.5.

h пж - высота парожидкостного слоя (пены) вычисляется по формуле:

где Δh высота слоя над сливной перегородкой рассчитывается по формуле:

где объемный расход жидкости,

П - периметр сливной перегородки.

Объемный расход жидкости в верхней части колонны:

где М ср средняя мольная масса жидкости, кг/кмоль;

М D мольная масса дистиллята, кг/кмоль.

Ширину переливного порога находим, решая систему уравнений:

где R =1.8 м радиус тарелки; П=3.1 м - периметр сливной перегородки.

Найдем ширину переливного порога b :

Находим Δh:

Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части колонны:

Б) в нижней (исчерпывающей) части колонны:

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

где
поверхностное натяжение жидкости при =100°С.

Объемный расход жидкости в нижней части колонны, рассчитывается по формуле:

где М F мольная масса жидкости питания, кг/кмоль

М ср средняя мольная масса жидкости, кг/кмоль

Высота слоя над сливной перегородкой:

Высота парожидкостного слоя на тарелке:

Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в нижней части колонны:

Проверим, соблюдается ли при расстоянии между тарелками h = 0.5 м необходимое условие для нормальной работы тарелок:

>

Для тарелок нижней части, у которых общее гидравлическое сопротивление больше, чем у тарелок верхней части:

<

Следовательно, вышеуказанное условие соблюдается.

Проверим равномерность работы тарелок - рассчитаем минимальную скорость пара в отверстиях , достаточную для того, чтобы ситчатая тарелка работала всеми отверстиями:

Рассчитанная скоростьменьше рассчитанной ранее скорости
, следовательно, тарелка будет работать всеми отверстиями.

4.4 Определение числа тарелок и высоты колонны

Число тарелок рассчитывается по уравнению:

где η =средний К.П.Д. тарелок

Для определения среднего К.П.Д. тарелок находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов:

и коэффициент динамической вязкости исходной смеси ц при средней температуре в колонне, равной

При этой температуре давление насыщенного пара воды Рв = 867.88 мм.рт.ст., уксусной кислоты Рук = 474.15 мм.рт.ст, откуда

Динамический коэффициент вязкости воды при 101°С равен 0.2838 мПа*с, уксусной кислоты 0.4916 мПа*с. Принимаем динамический коэффициент вязкости исходной смеси

V , стр556].

По графику [Рис. 7.4, стр. 323] находим значение
.Длина пути жидкости на тарелке:

По графику [рис. 7.5, стр. 324] находим значение поправки на длину пути Δ=0.2375 Средний К.П.Д. тарелок находим по уравнению:

Число тарелок определяем аналитическим методом, используя табличный процессор Excel . Система уравнений позволяющая определить число тарелок, а также составы пара и жидкости, покидающих каждую из тарелок, включает в себя уравнение равновесия

где α коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов:

уравнения рабочих линий

для верхней части колонны

для нижней части колонны

выражение для коэффициента обогащения
.

Расчет состоит в последовательном определении в сечении колонны между тарелками составов пара и жидкости (y i , x i ).

Нижние индексы у составов пара и жидкости отвечают номеру сечения. Номер тарелки совпадает с номером расположенного под нею сечения.

Примем, что коэффициент летучести постоянен, коэффициент обогащения постоянен, куб-испаритель не обладает разделяющим действием, выходящий из него пар имеет тот же состав, что и кубовый остаток.

Блок схема расчета

Результат расчета

					нижняя часть
					нижняя часть
					нижняя часть
					нижняя часть
					нижняя часть
					нижняя часть
					нижняя часть
					нижняя часть
					нижняя часть
					нижняя часть
					нижняя часть
					нижняя часть
					нижняя часть
					нижняя часть
					верхняя часть
					верхняя часть
					верхняя часть
					верхняя часть
					верхняя часть
					верхняя часть
					верхняя часть
					верхняя часть
					верхняя часть
					верхняя часть
					верхняя часть
					верхняя часть
					верхняя часть
					верхняя часть
					верхняя часть Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в дефлегматоре-конденсаторе, находим по уравнению: Ректификация это процесс, который осуществляется в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами в виде тарелок. Процесс ректификации обладает рядом особенностей. Различное соотношение нагрузок по жидкости и пару в нижней и верхней части колонны. Совместное протекание процессов массо и теплопереноса. Всё это осложняет расчет тарельчатых ректификационных колонн. Большое разнообразие тарельчатых контактных устройств затрудняет выбор колонны. В данном случае мы выбираем колонну с тарелками типа ТС-Р, потому что она соответствует общим требованиям таким как: высокая интенсивность единицы объема аппарата, его стоимость. Диаметр и высота колонны определяются нагрузками по пару и жидкости и физическими свойствами взаимодействующих фаз. Список литературы 1. Дытнерский Ю.И. " Основные процессы и аппараты химической технологии. Курсовое проектирование" : расчет ректификационной колонны ; подробный тепловой расчет дефлегматора; ориентировочный расчет теплообменников. Перечень... данной курсовой работе мы произвели расчет ректификационной колонны для разделения смеси: ацетон- ... Расчет насадочной ректификационной колонны непрерывного действия по разделению смеси хлороформ-бензол Курсовая работа >> Химия Рекомендаций сводится к использованию для расчета ректификационных колонн кинетических зависимостей, полученных при... жидкости. 2. Расчет насадочной ректификационной колонны непрерывного действия 2.1 Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое... Расчет ректификационной установки для разделения бинарной смеси этиловый спирт-вода Курсовая работа >> Химия В данной курсовой работе проведен расчет ректификационной колонны непрерывного действия с ситчатыми тарелками для... Л., Химия, 1993 г. Г.Я. Рудов, Д.А. Баранов. Расчет тарельчато ректификационной колонны , методические указания. М., МГУИЭ, 1998 г. Каталог... Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол Курсовая работа >> Химия 2. Теоретические основы расчета тарельчатых ректификационных колонн Известно два основных метода анализа работы и расчета ректификационных колонн : графоаналитический...