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
ГОСТ 12011-76*
Группа Г47
МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ
КОЛОННЫ РЕКТИФИКАЦИОННЫЕ С КОЛПАЧКОВЫМИ ТАРЕЛКАМИ ИЗ МЕДИ
Типы, основные параметры и размеры
Rectifying column with copper cap trays. Types, main characteristics and dimensions
Дата введения 1977-07-01
Постановлением Государственного комитета стандартов Совета Министров СССР от 03.06.76* N 1873 дата введения установлена 01.07.77
_______________
* В издании ГОСТ 12011-76 (М.: Издательство стандартов, 1976) приведена следующая информация: "Постановлением Государственного комитета стандартов Совета Министров СССР от 3 августа 1976 г. N 1873 срок действия установлен с 01.07.1977 г. до 01.07.1982 г". - Примечание изготовителя базы данных.
Ограничение срока действия снято Постановлением Госстандарта СССР от 27.06.91 N 1125
ВЗАМЕН ГОСТ 12011-66
* ПЕРЕИЗДАНИЕ (декабрь 1998 г.) с Изменением N 1 , утвержденным в апреле 1982 г. (ИУС 7-82)
1. Настоящий стандарт распространяется на ректификационные колонны с колпачковыми тарелками из меди, предназначенные для разделения смесей жидких компонентов в пределах температур от 273 до 523 К (от 0 до 250 °С) и при условном давлении не более 0,07 МПа (0,7 кгс/см), применяемые в пищевой (спиртовой), лесохимической и других отраслях промышленности.
2. Колонны должны изготовляться следующих типов:
1
- с многоколпачковыми тарелками;
2
- с одноколпачковыми тарелками.
3. Основные параметры и размеры колонн должны соответствовать указанным на черт.1 и 2 и в табл.1 и 2.
Черт.1. Основные параметры и размеры колонн. Тип 1
Тип 1
1 - верхняя царга; 2 - тарелка; 3 - промежуточная царга; 4 - нижняя царга
Таблица 1
Высота при числе тарелок в промежуточной царге |
|||||||||
800; 900; 1000; 1200 | |||||||||
1400; 1500; 1600; 1800; 2000 | |||||||||
Пример условного обозначения колонны типа 1 диаметром 1000 мм, с 5 тарелками в промежуточной царге и расстоянием между тарелками 170 мм:
Колонна 1-1000-5-170 ТУ
...
Черт.2. Основные параметры и размеры колонн. Тип 2
Тип 2
1 - верхняя царга; 2 - промежуточная царга; 3 - тарелка; 4 - нижняя царга
Черт.2
Таблица 2
Число тарелок в промежуточной царге | |||
Пример условного обозначения колонны типа 2 диаметром 1000 мм, с 6 тарелками в промежуточной царге и расстоянием между тарелками 240 мм:
Колонна 2-1000-6-240 ТУ ...
(Измененная редакция, Изм. N 1).
Электронный текст документа
подготовлен АО "Кодекс" и сверен по:
официальное издание
М.: ИПК Издательство стандартов, 1999
Рассчитаем диаметры основных штуцеров, через которые проходят известные по величине материальные потоки, а именно: штуцер подачи исходной смеси, штуцеры выхода паров из колонны, штуцер выхода кубового остатка.
Независимо от назначения штуцера его диаметр рассчитывают из уравнения расхода:
где V - объёмный расход среды через штуцер, м 3 /с; - скорость движения среды в штуцере, м/с;
Штуцер подачи исходной смеси
Принимая XF =1,5м/с, получим:
Скорость движения питательной смеси в штуцере:
Штуцер подачи флегмы:
Принимаем XR =1,0м/с,
Стандартный размер трубы для изготовления штуцера по ГОСТ 9941-62, 70x3 (внутренний диаметр d вн =70-3·2=64мм).
Скорость движения флегмы в штуцере:
Штуцер выхода кубового остатка:
плотность воды.
Принимаем XW =0,5м/с,
Стандартный размер трубы для изготовления штуцера по ГОСТ 9941-62, 95x4 (внутренний диаметр d вн =95-4·2=87мм=0,087м)
Скорость движения кубового остатка в штуцере:
Штуцер выхода паров из колонны:
Определяем среднюю плотность пара для верхней и нижней части колонны:
Принимаем у =25 м/с.
Выбираем стальную электросварную прямошовную ГОСТ10704-81 630х16, внутренний диаметр которой равен d вн =630-16·2=598 мм. Следовательно, скорость паров в штуцере:
Для всех штуцеров выбираем стандартные фланцы тип 1. Для штуцера подачи исходной смеси и флегмы выбираем фланец (ГОСТ 1235-54) с основными размерами d в =72мм, D 1 =130мм, D=160мм, b=11мм, D 2 =110мм, h=3мм, d=12мм, n=8шт. Фланец штуцера кубового остатка d в =97мм, D 1 =160мм, D=195мм, b=22мм, D 2 =138мм, h=4мм, d=16мм, n=8шт. Фланец штуцера для выхода паров из колонны d в =634мм, D 1 =740мм, D=770мм, b=11мм, d=24мм, n=20шт, (ГОСТ1255-54). Уплотнительный материал принимаем паронит марки ПОН (ГОСТ481-80).
Гидравлический расчёт
Цель гидравлического расчёта - определение величины сопротивлений различных участков трубопроводов и теплообменника и подбор насоса, обеспечивающего заданную подачу и рассчитанный напор при перекачке этанола.
Различают два вида сопротивлений (потерь напора): сопротивления трения (по длине) h 1 и местные сопротивления h мс.
Для расчёта потерь напора по длине пользуются формулой Дарси-Вейсбаха.
где л - гидравлический коэффициент трения;
l - длина трубопровода или тракта по которому протекает теплоноситель, м;
d - диаметр трубопровода, м;
Скоростной коэффициент напора, м.
Для расчёта потерь напора в местных сопротивлениях применяется формула Вейсбаха:
где о - коэффициент местных сопротивлений;
Скоростной напор за местным сопротивлением, м.
Методика тепло – и массообменного расчета колонных аппаратов
Общая схема расчета колонных аппаратов
Целью расчета массообменного аппарата является определение конструктивных размеров, т.е. высоты и диаметра колонны, гидромеханических и экономических показателей ее работы.
Для расчета задано: 1) тип аппарата; 2) разделяемая смесь и поглотитель (абсорбент, экстрагент или растворитель, адсорбент); 3) производительность; 4) концентрации компонентов на входе и выходе из аппарата.
Требуется определить: 1) физические параметры смеси; 2) расход поглотителя или веса чистых компонентов (уравнение материального баланса); 3) движущую силу процесса; 4) коэффициенты массоотдачи и массопередачи; 5) построить кривую равновесия, рабочую линию и число ступеней изменения концентрации; 6) поверхность фазового контакта а конструктивные размеры; 7) количество подводимого или отводимого тепла (тепловой баланс); 8) гидродинамическое сопротивление аппарата; 9) механическую прочность и устойчивость; 10) экономические показатели работы колонны.
Основными конструктивными размерами являются ее диаметр и высота H . Эти величины взаимосвязаны, так как обе зависят от скорости пара в свободном сечении колонны.Диаметр колонны определяется в зависимости от скорости и количества поднимающихся в колонне паров
где – скорость пара, отнесенная к полному поперечному сечению колонны, м/с; – секундный объем поднимающихся паров, м 3 /с.
где – количество поднимающихся по колонне паров, кмоль/ч; средняя температура пара, град; – масса получаемого дистиллята из колонны; R– флегмовое число.
Если масса дистиллята выражена в кг/с, то объемный расход проходящего через колонну пара (м 3 /с)
Допустимая оптимальная скорость пара (м/с) в колонне
где G– коэффициент, зависящий от конструкции тарелок, расстояния между ними, давления и нагрузки колонны по жидкости (определяется по графику); – плотность жидкости, кг/м 3 ; – плотность пара, кг/м 3 .
Если ,то .
Скорость пара в колонне можно также определить по другим формулам, приведенным в литературе. Подсчитав диаметр колонны, подбирают по нормалям и определяют конструктивные размеры основных элементов колонны и тарелки, количество паровых патрубков, размеры колпачка, диаметр и количество сливных труб. Диаметр парового патрубка d = 50, 75, 100, 125, 150 мм. Задавшись диаметром d , определяют количество колпачков на тарелке. Сечение всех патрубков должно составлять 10 % сечения колонны. Тогда количество колпачков патрубков определяется из уравнения
Возвышение колпачка над паровым патрубком . Диаметр колпачка определяется из условия равенства скорости пара в паровом патрубке и кольцевом зазоре между колпачком и патрубком (м):
где d – толщина стенки патрубка, м. Возвышение уровня жидкости над верхним уровнем прорезей колпачков мм. Площадь сечения прорезей колпачка составляет 75 % площади сечения парового патрубка, т.е.
Принимают следующие размеры прямоугольных прорезей: ширина мм, высота мм, расстояние между прорезями мм. Минимальный зазор между колпачками равен 35 мм.
Диаметр сливного патрубка (м)
где – среднее количество стекающей жидкости, кг/с; – скорость жидкости в сливном патрубке, м/с; – плотность стекающей жидкости, кг/м 3 ; z = 1, 2, 4, 6, 8 – число сливных патрубков (зависит от и ).
Высота колонны зависит от скорости процесса массопередачи и определяется несколькими способами. Для барботажных колонн применяются в основном два способа.
Первый способ . Число тарелок определяется путем построения ступенчатой линии между кинетической кривой и рабочей линией.Высота тарельчатой колонны зависит от числа тарелок и расстояния между ними h , которое выбирается на основании опытных данных
Второй способ . Число действительных тарелок.
где – число ступеней изменения концентраций (теоретических тарелок, которое определяется графическим построением ломаной (ступенчатой) линии между кривой равновесия и рабочими линиями по диаграмме Y–X; - средний к.п.д. тарелки. Тогда
где h – расстояние между тарелками (в зависимости от скорости пара и давления в колонне принимается таким, чтобы свести к минимуму механический унос части жидкости парами), м.Для выбора h в зависимости от диаметра колонны можно использовать следующие данные: диаметр колонны, м – 0 - 0,6; 0,6 - 1,2; 1,2 - 1,8; 1,8 и более; расстояние между тарелками h, мм– 152, 305, 46О, 610. В ректификационных колоннах с круглыми колпачками, работающих под атмосферным давлением, расстояние между тарелками h = 250, 300, 350, 400, 450 мм. Обычно значение h находится в пределах 0,1 - 0,6 м.Для насадочных колонн высота насадки H также определяется двумя способами.
Первый способ . Требуемая высота слоя насадки
где , – число единиц переноса (определяется графическим построением ступеней, соответствующих единице переноса, если линия равновесия является прямой или близка к ней, то определяется аналитически:
где и – начальная и конечная концентрации низкокипящего компонента в паровой фазе; –равновесная концентрация низкокипящего компонента в паровой фазе (определяется по графику кривой равновесия).
Движущую силу можно выразить в единицах давления (упругости паров).
Высота единицы переноса (м)
где: – расход пара, кг/с; – средний коэффициент массопередачи, кг/(м 2 с); S – поперечное сечение колонны, м 2 ; s н – удельная смоченная поверхность насадки, м 2 /м 3 . Для определения коэффициента массопередачи используют диффузионный критерий Нуссельта– высота слоя насадки, эквивалентного одной ступени изменения концентрации или одной теоретической тарелке.Практически высота, эквивалентная одной теоретической тарелке, зависит от вида насадки и скорости пара (табл.1).
Таблица.1 - Зависимость высоты от вида насадки и скорости пара.
