Технико-экономическое обоснование проекта промышленной установки для производства пропиленгликоля методом гидратации окиси пропилена мощностью 10000 тонн/год

При возникновении взрыва или пожара немедленно сообщить в пожарную часть по пожароизвещателю, остановить приточно-вытяжную вентиляцию, прекратить ведение технологического процесса и немедленно приступить к тушению пожара имеющимися средствами пожаротушения.

Производство по пожаровзрывоопасности относится к категории А. По пожароопасности производственные помещения относятся к зоне класса П-1а. По взрывоопасности производственные помещения относятся к зоне класса В-1 [13]. Молниезащита производства относится к I категории. Производственные помещения выполняются согласно СНиП II-90-81 [13]. Степень огнестойкости зданий II.

Средства пожаротушения согласно закону Кемеровской области "Об обеспечении пожарной безопасности":

- система автоматического пожаротушения. Дренчерные устройства ОПДР (ороситель пенный дренчерный розеточный) включающиеся с подачи сигнала с комбинированного извещателя (КИ-1), реагирующего на дым и тепло (72С), установленные на всех этажах производственного здания [14].

- Размещение пожарных кранов от противопожарного водопровода на каждом этаже.

- Использование пенных огнетушителей ОВП-5, ОВП-10, ОП-14; углекислотных ОУ-4, ОУ-8 согласно НПБ 155-2002 Пожарная техника. Огнетушители. Порядок постановки огнетушителей на производство и проведение сертификационных испытаний (взамен НПБ 155-96 и НПБ 156-96).

- Ящики с песком и асбестовое полотно установлены на каждом этаже.

2.3.6 Меры по предупреждению аварийной разгерметизации технологичесткого процесса

- материалы, конструкции емкостей и трубопроводов рассчитаны на обеспечение точности и надёжности в рабочем диапазоне давлений и температрур;

- проведение наружного и внутреннего осмотров и гидравлических испытаний емкостного оборудования и трубопроводов до пуска их в работу после ремонта, связанного с разборкой и сваркой после реконструкции, при длительной остановке, при установке оборудования на новом месте, при периодическом осмотре;

- проведение контроля за состояние металла и сварных соединений элементов оборудования и трубопроводов с устранением выявленных неисправностей, а так же осмотр оборудования и трубопроводов в процессе эксплуатации с периодичностью, установленной нормативной документацией;

соответствие требованиям «Правил устройства и безопасной эксплуатации технологических трубопроводов» ПБ 10-573-03;

- проведение испытания аппаратов, работающих под давлением, превышающем 0,07 МПа на соответствие требованиям «Правил устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» ПБ 03-576-03;

- возможность использования в качестве резервной любой из емкостей, что обеспечивает эвакуацию окиси пропилена из аварийной емкости;

- при разгерметизации емкостного оборудования полуфабрикаты, товарный пропиленгликоль и полигликоли перекачиваются в другие емкости или ж.д.ц.;

- заполнение емкостей и кубов ректификационных колонн проводят не более чем на 80% от их вместимости;

- проведение систематического контроля за основными технологическими параметрами (давления, температура, уровень, расход). При приближении значения опасных параметров к предельно допустимому срабатывает световая и звуковая сигнализация;

- установка отсечных клапанов на трубопроводах окиси пропилена в емкости Е1,Е2, на трубопроводе нагнетания насосов Н6,Н7, автоматически прекращающих подачу сырья, полуфабрикатов;

- все производственные помещения оборудованы приточно-вытяжной вентиляцией, а осуществляющей постоянное удаление из помещений вредных газов и паров и предотвращающей образование взрывоопасных смесей;

- для обнаружения паров окиси пропилена в воздушной среде производственные помещения оснащены автоматическими газоанализаторами-сигнализаторами.

Таблица № 2.3.6.1

Возможные неполадки и способы их устранения

неполадки	возможные причины неполадок	способ устранения неполадок
1	2	3
Прекращение подачи окиси пропилена в смеситель (поз. С)	сработал отсечной клапан на трубопроводе подачи окиси пропилена в смеситель	сообщить мастеру смены. Выяснить причину прекращения подачи конденсата и устранить её
прекращение подачи рабочей смеси в реактор (поз. Р1,Р2)	падение давления в трубопроводе компремированного воздуха	сообщить мастеру смены. Выяснить причину падения давления воздуха, остановить реактор (поз. Р1,Р2), перевести работу насоса (поз Н1,Н2,Н3) на пар или наоборот
	образование ледяной пробки в трубопроводе подачи компремированного воздуха	сообщить мастеру смены. Остановить реактор (поз. Р1,Р2) перевести работу насоса с воздуха на пар. Трубопровод подачи компремированного воздуха пропарить.
	разгерметизация трубопровода подачи компремированного воздуха на насос (Н1,Н2,Н3)	сообщить мастеру смены. Остановить реактор (поз. Р1,Р2) перевести работу насоса с воздуха на пар. Повреждённый участок трубопровода перекрыть запорной арматурой, устранить пропуск.
	остановка насоса (поз. Р1,Р2)	сообщить мастеру смены. Включить в работу резервный насос (поз. Н1,Н2,Н3) вызвать слесаря для устранения неполадки
повышение давления в реакторе (поз. Р1,Р2)	выход из строя клапана регулятора давления	сообщить мастеру смены. Вызвать слесаря КиП для устранения неполадки
повышение температуры дистиллята после дефлегматора (поз. Т1)	недостаточное количество промышленной воды подаваемой на охлаждение дистиллята	сообщить мастеру смены. Увеличить расход промышленной воды
снижение температуры в кубе (поз. К1,К2,К3,К4)	неисправен прибор замера температуры	сообщить мастеру смены. Вызвать слесаря КиП для устранения неполадки
	засорение трубной части решефёра куба ректификационной колонны	сообщить мастеру смены. Ректификационную колонну остановить, опорожнить.трубную часть решефёра промыть
	недостаточная подача греющего пара	сообщить мастеру смены. Увеличить расход пара
	неисправность в конденсатоотводчике	сообщить мастеру смены. Отключить канденсатоотводчик посредством запорной арматуры, отрегулировать выход конденсата по по байпасному трубопроводу. Вызвать слесаря-ремонтника для устранения неполадки.

2.4 Природоохранные мероприятия

Азот после передавливания окиси пропилена, продувок оборудования и трубопроводов направляется на поглощение в скруббер (Л). Вода с органическими примесями после скруббера направляется в канализацию органических стоков. На стадии ректификации вредных выбросов в атмосферу нет. В связи с малой летучестью пропиленгликоля и полигликолей выделения их паров в помещение отделения розлива нет.

Таблица № 2.4.1

Отходы производства

наименование	источник	кол-во, кг/т продукта	содержание ВВ, %	ПДК, %
1. газообразные от ходы
азот	после передавливания окиси пропилена и продувок оборудования и трубопроводов	-	Следы окиси пропилена	0,08
2. жидкие отходы
полигликоли	кубовый остаток на стадии ректификации	72,42	100	-
вода	с конденсаторов, холодильников, дефлегматоров	12	0,001	0,6

Таблица № 2.4.2

Отходы производства

наименование выброса, место выброса	количество источников выброса	сумарный объём отходов, м3	периодичность выброса	характеристика выброса	допустимое количество вредных веществ, кг/ч
				температура, С	сотав выброса, мг/м3	ПДК
выбросы в атмосферу
воздушная линия после ловушки окиси пропилена	1	10	при приёме окиси пропилена	20	следы окиси пропилена	0,08	-
общеобменная вентиляционная система	3	15950	непрерывно	20	окись пропилена 0,9	0,08	0,015
сточные воды
вода после вакуум-насоса (стадия розлива), канализация органических стоков	2	12	постоянно	20	вода со следами проиленгликоля	0,6	-

3. Конструкторская часть

3.1 Техническое задание

Рассчитать ректификационную колонну для разделения реакционной смеси, состоящей из воды и пропиленгликоля. По следующим данным:

- количество исходной смеси: F= 50 000 т/год или 1,5854 кг/с;

- содержание легколетучего компонента:

в исходной смеси: XF= 80 %;

в дистиллате XD= 99,8 %;

в кубовом остатке: XWк= 0,2 %;

- давление в паровом пространстве дефлегматора P= 0,0981 МПа;

Процесс происходит при постоянном флегмовом числе:

- R=const;

Расчёт ректификационной колонны сводится к определению её основных геометрических размеров - диаметра и высоты, зависящих от физических свойств фаз, типа и размеров контактных устройств, гидродинамических режимов работы колонн. При этих условиях образуется раствор гликолей с массовой долей пропиленгликоля (C3H8O2) до 20 %.

Полученный раствор гликолей подвергают ректификации.

3.2 Литературно-патентный поиск

3.2.1 Ректификационные колонны

В ряде производств химической, нефтяной, пищевой и других отраслей промышленности в результате различных технологических процессов получают смеси жидкостей, которые необходимо разделить на составные части.

Процесс ректификации осуществляют в ректификационной установке, включающей ректификационную колонну, дефлегматор, холодильник-конденсатор, подогреватель исходной смеси, сборники дистиллята и кубового остатка. Дефлегматор, холодильник-конденсатор и подогреватель представляют собой обычные теплообменники. Основным аппаратом установки является ректификационная колонна, в которой пары перегоняемой жидкости поднимаются снизу, а навстречу парам сверху стекает жидкость, подаваемая в верхнюю часть аппарата в виде флегмы.

Процесс ректификации может протекать при атмосферном давлении, а также при давлениях выше и ниже атмосферного. Под вакуумом ректификацию проводят, когда разделению подлежат высококипящие жидкие смеси. Повышенные давления применяют для разделения смесей, находящихся в газообразном состоянии при более низком давлении. Степень разделения смеси жидкостей на составляющие компоненты и чистота получаемых дистиллята и кубового остатка зависят от того, насколько развита поверхность фазового контакта, а следовательно, от количества орошающей жидкости (флегмы) и устройства ректификационной колонны.

В промышленности применяют колпачковые, ситчатые, насадочные, пленочные трубчатые колонны и центробежные пленочные ректификаторы. Они различаются в основном конструкцией внутреннего устройства аппарата, назначение которого -- обеспечение взаимодействия жидкости и пара. Это взаимодействие происходит при барботировании пара через слой жидкости на тарелках (колпачковых или ситчатых) либо при поверхностном контакте пара и жидкости на насадке или поверхности жидкости, стекающей тонкой пленкой.

3.2.2 Конструкции ректификационных колонн

Рис № 3.2.2.1 Конструкции ректификационных колонн

1) Тарельчатые колонны (Рис № 3.2.2.1) наиболее часто применяют в ректификационных установках. Конструктивная схема устройства тарельчатой колпачковой колонны приведена на (Рис № 3.2.2.1)

Пары с предыдущей тарелки попадают в паровые патрубки колпачков и барботируют через слой жидкости, в которую частично погружены колпачки. Колпачки имеют отверстия или зубчатые прорези, расчленяющие пар на мелкие струйки для увеличения поверхности соприкосновения его с жидкостью. Переливные трубки служат для подвода и отвода жидкости и регулирования ее уровня на тарелке. Основной областью массообмена и теплообмена между парами и жидкостью, как показали исследования, является слой пены и брызг над тарелкой, создающийся в результате барботажа пара. Высота этого слоя зависит от размеров колпачков, глубины их погружения, скорости пара, толщины слоя жидкости на тарелке, физических свойств жидкости и др. Следует отметить, что, кроме колпачковых тарелок, применяют также клапанные, желобчатые, S-образные, чешуйчатые, провальные и другие конструкции тарелок.

Ситчатые колонны (Рис № 3.2.2.1 б) применяют главным образом при ректификации спирта и жидкого воздуха. Допустимые нагрузки по жидкости и пару для них относительно невелики, и регулирование режима их работы затруднительно. Массо- и теплообмен между паром и жидкостью в основном происходят на некотором расстоянии от дна тарелки в слое пены и брызг. Давление и скорость пара, проходящего через отверстия сетки, должны быть достаточны для преодоления давления слоя жидкости на тарелке и создания сопротивления ее отеканию через отверстия. Ситчатые тарелки необходимо устанавливать строго горизонтально для обеспечения прохождения пара через все отверстия тарелки, а также во избежание стекания жидкости через них. Обычно диаметр отверстий ситчатой тарелки принимают в пределах 0,8--3,0 мм.

2) Насадочные колонны получили широкое распространение в промышленности (см. рис. в). Они представляют собой цилиндрические аппараты, заполненные инертными материалами в виде кусков определенного размера или насадочными телами, имеющими форму, например, колец, шаров для увеличения поверхности фазового контакта и интенсификации перемешивания жидкой и паровой фаз.

Массо- и теплообмен в колоннах с насадкой характеризуются не только явлениями молекулярной диффузии, определяющимися физическими свойствами фаз, но и гидродинамическими условиями работы колонны, которые определяют турбулентность потоков. В зависимости от скорости потока в колонне возможны три гидродинамических режима: ламинарный, промежуточный и турбулентный,-- при которых поток пара является сплошным, непрерывным и заполняет свободный объем насадки, не занятый жидкостью, в то время как жидкость стекает лишь по поверхности насадки. Дальнейшее развитие турбулентного движения может привести к преодолению сил поверхностного натяжения и нарушению граничной поверхности между потоками жидкости и пара. При этом газовые вихри проникают в поток жидкости, происходит эмульгирование жидкости паром, и массообмен между фазами резко возрастает. В случае эмульгирования жидкость распределяется не по насадке, а заполняет весь ее свободный объем, не занятый паром; жидкость образует сплошную фазу, а газ -- дисперсную фазу, распределенную в жидкости, т. е. происходит инверсия фаз.

Исследования показали, что переход от турбулентного режима к режиму эмульгирования (точка инверсии или точка начала эмулыирования) соответствует оптимальным условиям работы колонны и оптимальной скорости пара, при которой на насадке задерживается максимальное количество жидкости, брызг и пены, достигаются интенсивный массообмен и максимальная производительность при минимальной высоте насадки. Насадочную колонну следует рассчитывать, исходя из оптимальной скорости. При превышении оптимальной скорости начинается обращенное движение жидкости снизу вверх, происходит так называемое “захлебывание” колонны и нарушение режима ее работы.

3) Трубчатые пленочные ректификационные колонны состоят из пучка вертикальных труб, по внутренней поверхности которых тонкой пленкой стекает жидкость, взаимодействуя с поднимающимся по трубам паром.

Пар поступает из куба в трубки. Флегма образуется в дефлегматоре непосредственно на внутренней поверхности трубок, охлаждаемых водой в верхней их части. Диаметр применяемых трубок - 5 -- 20 мм. Эффект работы пленочного аппарата возрастает с уменьшением диаметра трубок.

Трубчатые колонны характеризуются простотой изготовления, высокими коэффициентами массопередачи и весьма малыми гидравлическими сопротивлениями движению пара. Многотрубные (и длиннотрубные) колонны с искусственным орошением имеют значительно меньшие габаритные размеры и массу, чем тарельчатые.

Принимаем ректификационную колонну насадочного типа с неупорядоченной насадкой из колец рашига. Так как она имеет наиболее простую конструкцию, что уменьшит затраты на монтаж обслуживание и ремонт.

3.2.3 Классификация по принципу действия и конструктивные особенности

Все ректификационные установки, независимо от типа и конструкции колонн, классифицируют на установки периодического и непрерывного действия.

В ректификационных установках периодического действия начальную смесь заливают в перегонный куб, где поддерживается непрерывное кипение с образованием паров. Пар поступает на укрепление в колонну, орошаемую частью дистиллята. Другая часть дистиллята из дефлегматора или концевого холодильника, охлажденная до определенной температуры, через контрольный фонарь поступает в сборник готового продукта. В колоннах периодического действия ректификацию проводят до тех пор, пока жидкость в кубе не достигает заданного состава. Затем обогрев куба прекращают, остаток сливают в сборник, а в куб вновь загружают на перегонку начальную смесь. Установки периодической ректификации успешно применяют для разделения небольших количеств смесей. Большим недостатком ректификационных установок периодического действия является ухудшение качества готового продукта (дистиллята) по мере протекания процесса, а также потери тепла при периодической разгрузке и загрузке куба. Эти недостатки устраняются при непрерывной ректификации.

Колонны непрерывного действия состоят из нижней (исчерпывающей) части, в которой происходит удаление легколетучего компонента из стекающей вниз жидкости, и верхней (укрепляющей) части, назначение которой--обогащение поднимающихся паров легколетучего компонента. Схема установки непрерывной ректификации отличается от периодической тем, что питание колонны начальной смесью определенного состава происходит непрерывно с постоянной скоростью; готовый продукт постоянного качества также непрерывно отводится.

При ректификации смесей, состоящих более чем из двух компонентов, схема установки значительно усложняется. При этом для каждого добавочного компонента требуется колонна с дефлегматором.

Размеры и конструкции перегонного куба, дефлегматора и концевого холодильника зависят от производительности установки, физических свойств перегоняемой смеси и режима процесса (периодический или непрерывный).

Дефлегматор обычно представляет собой кожухотрубчатый теплообменник. В ряде случаев в дефлегматоре происходит конденсация всех паров, вышедших из колонны. В концевом холодильнике дистиллят охлаждается до заданной температуры.

Иногда в дефлегматоре конденсируется лишь часть паров для получения флегмы, а полная конденсация и охлаждение происходят в холодильнике.

Ректификационные установки снабжают также приборами для регулирования и контроля режима работы и нередко аппаратами для утилизации тепла.

3.3 Конструкция и принцип работы

Ректификационная колонна представляет собой вертикальный, цилиндрический аппарат. Ввод и вывод жидкости и пара в аппарат обеспечивается вваренными в корпус, эллиптические крышку и днище штуцерами.

PРАБ = 0,1555 МПа; TРАБ = 100-150 ?С

Реакционная смесь дросселируется на питающую тарелку в середину колонны из реактора, врезультате чего происходит интенсивное вскипание и испарение воды. После чего самотёком через слой насадки стекает на перераспредилительную тарелку, затем в выносной куб. В кубе, снабжённом решефёром, вода подогревается паром и испаряется, пар подается в колонну в противоток исходной смеси, поднимается вверх, поступает в конденсатор-дефлегматор, где происходит конденсация пара, затем в сборник дистиллята.

Кубовая жидкость насосом подаётся в ёмкость или непосредственно на стадию выделения товарного пропиленгликоля.

3.4 Расчёт технической характеристики

Расчёт ректификационной насадочной колонны непрерывного действия

Расчет ректификационной колонны сводится к определению ее основных геометрических размеров - диаметра и высоты. Оба параметра в значительной мере определяются гидродинамическим режимом работы колонны, который, в свою очередь, зависит от скоростей и физических свойств фаз, а также

от типа и размеров насадок.

При выборе типа насадок для массообменных аппаратов руководствуются рядом соображений. При проведении процессов вакуумной ректификации с целью снижения гидравлического сопротивления выбирают специальные виды насадок, обладающих большим свободным объемом. Наиболее правильно выбор оптимального типа и размера насадки может быть осуществлен на основе технико-экономического анализа общих затрат на разделение в конкретном технологическом процессе.

Ориентировочный выбор размера насадочных тел можно осуществить исходя из следующих соображений. Чем больше размер элемента насадки, тем больше ее свободный объем (живое сечение) и, следовательно, выше производительность. Однако вследствие меньшей удельной поверхности эффективность крупных насадок несколько ниже. Поэтому насадку большого размера применяют, когда требуются высокая производительность и сравнительно невысокая степень чистоты продуктов разделения. В ректификационных колоннах, работающих при атмосферном давлении, для разделения агрессивных жидкостей, а также в тех случаях, когда не требуется частая чистка аппарата, обычно применяют керамические кольца Рашига. Для данного случая примем насадку из керамических колец Рашига размером 25Ч25Ч3 мм. Удельная поверхность насадки а=200 м2/м3, свободный объем е=0,74 м3/м3, насыпная плотность 530 кг/м3.

Насадочные колонны могут работать в различных гидродинамических режимах: пленочном, подвисания и эмульгирования. В колоннах большой производительности с крупной насадкой осуществление процесса в режиме эмульгирования приводит к резкому уменьшению эффективности разделения, что объясняется существенным возрастанием обратного перемешивания жидкости и значительной неравномерностью скорости паров по сечению аппарата. Ведение процесса в режиме подвисания затруднено вследствие узкого интервала изменения скоростей пара, в котором этот режим существует. Поэтому выберем пленочный режим работы колонны.

Для определения скоростей потоков необходимо определить нагрузки по пару и жидкости.

Так как расчёт показал, что колонна значительных размеров (59,4 м ), вследствие больших нагрузок по реакционной смеси (50000000 кг/год), а так же высокой степени разделения, то принято решение разделить нагрузку на четыре ректификационных колонны. Тогда получим четыре более компактных и удобных в обслуживании колонны, которые будут подключены параллельно, с нагрузкой по реакционной смеси 12 500 000 кг/год.

3.4.1 Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число

Производительность колонны по дистилляту GD и кубовому остатку GW определим из уравнений материального баланса колонны:

Отсюда:

P=0,3176 кг/с

W=0,0788 кг/с

Для дальнейшего расчёта выразим концентрации питания, дистиллята и кубового остатка в мольных долях

Питание

Дистиллят

Кубовый остаток

Относительный мольный расход питания

Определяем минимальное число флегмы

Рабочее число флегмы

Уравнения рабочих линий

а) верхней (укрепляющей) части колонн

б) нижней (исчерпывающей) части колонн

3.4.2 Определение скорости пара и диаметра колонны

Рис № 3.4.2.1 построение рабочей и равновесной линии.



Рис № 3.4.2.2 диаграмма равновесия между жидкостью и паром при постоянном давлении.

Средние концентрации жидкости:

а) в верхней части колонны

б) в нижней части колонны

Средние концентрации пара находим по уравнениям рабочих линий:

а) в верхней части колонны

б) в нижней части колонны

Средние температуры пара определяем по диаграмме t-x,y

а) при y'ср=0,9916; t'ср=152 C;

б) при y''ср=0,5048; t''ср=105 C;

Средние мольные массы и плотности пара:

а)

б)

Плотность жидкой воды сВ=883 кг/м3, а жидкого пропиленгликоля сП=955 кг/м3.

Принимаем среднюю плотность жидкости в колонне

Мольная масса исходной смеси

Средние мольные расходы (нагрузки) по жидкости для верхней и нижней частей колонны определяют из соотношений:

Средние массовые потоки пара в верхней GВ и нижней GН колонны соответственно равны:



3.4.3 Скорость пара и диаметр колонны

Предельную фиктивную скорость пара щп, при которой происходит захлёбывание насадочных колонн, определяют по уравнению:

Поскольку отношения L/G и физические свойства фаз в верхней и нижней частях колонны различны, определим скорости захлёбывания для каждой части отдельно.

Найдём плотности жидкости сxВ, сxН, и пара сyВ, сyН, в верхней и нижней частях колонны при средних температурах в них tВ и tН. Средние температуры паров определим по диаграмме t-x по средним составам фаз:

tВ=118 С;

tН=174 С;



Плотность физических смесей жидкостей подчиняется закону аддитивности:

В рассматриваемом примере плотности жидких воды и пропиленгликоля близки поэтому можно принять сxВ=сxН=сx=919 кг/м3.

Вязкость жидких смесей мx находим по уравнению:

Тогда вязкости жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равна:

предельная скорость паров в верхней части колонны щпВ:



Предельная скорость паров в нижней части колонны щпН:

Примем рабочую скорость щ на 30 % ниже предельной:

Диаметр ректификационной колонны определим из уравнения расхода:

Отсюда диаметры верхней и нижней части колонны равны соответственно:

Рационально принять стандартный диаметр обечайки d=1,2 м одинаковым для обеих частей колонны. При этом действительные рабочие скорости паров в колонне равны:



Что составляет 13,6 и 68,8 % от предельных скоростей.

3.4.4 Высота насадки

Высоту насадки H рассчитывают по модифицированному уравнению массопередачи

Общее число единиц переноса вычисляют по уравнению:

Обычно этот интеграл определяют численными методами. Решением его методом графического интегрирования:

Данные для графического изображения функции приведены ниже:

Таблица № 3.4.4.1

Данные для графического изображения функции

y	1/y*-y
0	0
0,725529	1,3783047
0,725529	1,3783047
0,725529	1,3783047
0,725529	1,3783047
0,725529	1,3783047
0,725529	1,3783047
0,725529	1,3783047
0,725529	1,3783047
0,0002131	4692,6326
0,0002131	4692,6326
0,0002131	4692,6326
0,0002131	4692,6326

Рис № 3.4.4.1 графическое определение общего числа единиц переноса в паровой фазе для верхней части колонны в интервале изменения состава пара и для нижней части колонны

По рис 3.4.4.1 находим общее число единиц переноса в верхней noyв и нижней noyн частях колонны:



Общую высоту единиц переноса hoy определим по уравнению аддитивности:

Отношение нагрузок по пару и жидкости G/L, кмоль/кмоль, равно:

Для верхней части колонны

Для нижней части колонны

Подставив численные значения, получим:

Высота единицы переноса в жидкой фазе



Рис № 3.4.4.2 а-зависимость коэффициентов с и Ш от отношения рабочей скорости пара к предельной щ/щп; б-зависимость коэффициента Ф от массовой плотности орошения L; 1-3-для керамических колец Рашига размером 25Ч25Ч3 (1), 35Ч35Ч4 (2), 50Ч50Ч5 (3)

Высота единицы переноса в паровой фазе

Для расчёта hx и hy необходимоопределить вязкость паров и коэффициенты диффузии в жидкой Dx и паровой Dy фазах. Вязкость паров для верхней части колонны



Аналогичным расчётом для нижней части колонны находим

Средняя вязкость паров в колонне мy=0,01673 мПа*с.

Коэффициент диффузии в жидкости при средней температуре t C равен:

Коэффициенты диффузии в жидкости Dx20 при 20 Сможно вычислить по приближённой формуле:

Тогда коэффициент диффузии в жидкости для верхней части колонны при 20 С равен:

Температурный коэффициент b определяют по формуле

Тогда:

Отсюда:

Аналогично для нижней части колонны находим:

Коэффициент диффузии в паровой фазе может быть вычислен по уравнению:

Тогда для верхней части колонны:

Аналогично для нижней части колонны получим:

Таким образом, для верхней части колонны:

Для нижней части колонны:



Находим общую высоту единицы переноса для верхней и нижней частей колонны:

Значения m=0,9718125 для верхней части колонны и m=0,4762449 для нижней части колонны определены арифметическим усреднением локальных значений m в интервалах изменения составов жидкости соответственно от xF до xP и от xW до xF.

Высота насадки в верхней и нижней частях колонны равна соответственно:

Нв=2,4722•2,52703=6,2473 м

Нн=0,7236•6,3135=4,5684 м

Общая высота насадки в колонне:

С учётом того, что высота слоя насадки в одной секции Z=3 м, общее число секций в колонне составляет 4 (2 секций в верхней части и 2- в нижней).

Общую высоту ректификационной колонны определяют по уравнению:

Значения ZВ и ZН выбирают в соответствии с рекомендациями:

Таблица № 3.4.8.2

Рекомендации для выбора ZВ и ZН

диаметр колонны, мм	ZВ, мм	ZН, мм
400-1000	600	1500
1200-2200	1000	2000
2400 и более	1400	2500

Общая высота колонны:

В каталоге (10) приведены конструкции и геометрические размеры тарелок для распределения жидкости, подаваемой на орошение колонны, и устройств для перераспределения жидкости между слоями насадки. Выбираем 2 распределительных тарелок типа ТСН-III и 15 перераспределительных тарелоки типа ТСН-II для колонны диаметром 1200 мм.

3.4.9 Гидравлическое сопротивление насадки

Гидравлическое сопротивление насадки ДP находят по уравнению:

Гидравлическое сопротивление сухой неорошаемой насадки ДPс рассчитывают по уравнению:

Критерий Рейнольдса для газа в верхней и нижней частях колонны соответственно равен:

Следовательно режим движения турбулентный.

Для турбулентного режима коэффициент сопротивления сухой насадки в виде неупорядочено засыпанных колец рашига находят по уравнению:

Для верхней и нижней частей колонны соответственно получим:

Гидравлическое сопротивление сухой насадки в верхней и нижней частях колонн равно:

Плотность орошения в верхней и нижней частях колонны определим по формулам:



Подставив численные значения, получим:

Гидравлическое сопротивление орошаемой насадки в верхней и нижней частях колонны:

Общее гидравлическое сопротивление орошаемой насадки в колонне:

Гидравлическое сопротивление насадки составляет основную долю общего сопротивления ректификационной колонны. Общее же сопротивление колонны складывается из сопротивлений орошаемой насадки, опорных решеток, соединительных паропроводов от кипятильника к колонне и от колонны к дефлегматору. Общее гидравлическое сопротивление ректификационной колонны обусловливает давление и, следовательно, температуру кипения жидкости в испарителе. Приведенный расчет выполнен без учета влияния на основные размеры ректификационной колонны ряда явлений (таких как неравномерность распределения жидкости при орошении, обратное перемешивание, тепловые эффекты и др.), что иногда может внести в пользуясь рекомендациями, приведенными в литературе.

3.5 Расчёты на прочность

3.5.1 Толщина стенки цилиндрической обичайки

Рис № 3.5.1.1 расчётная схема цилиндрической обечайки.

Расчётная схема обечайки.

Длина обечайки:

- L=17250 мм

Внутренний диаметр:

- D=1200 мм

Рабочее давление:

- p=0,1 МПа:

температура среды:

- tc=200 C

материал:

- 12Х18Н10Т

Скорость коррозии:

- П=0,01 мм/год

Срок эксплуатации:

- ф=15 лет

Расчётная температура стенки t=tс=200 С, так как температура среды положительна.

Допускаемое напряжение в рабочем состоянии:

При гидравлических испытаниях:

Расчётное значение внутреннего избыточного давления:

Пробное давление при гидравлическом испытании:

Коэффициент прочности продольных сварных швов обечайки ц=1, так как принято, что швы выполняются автоматической дуговой электросваркой.

Прибавки к расчетной толщине стенки: для компенсации коррозии



Расчётная и исполнительная толщины стенки цилиндрической обечайки:

Так как

При испытаниях

Допускаемое давление

В рабочем состоянии:

Условие применимости формул выполняется. Таким образом, при толщине стенки s=2 мм обеспечивается прочность цилиндрической обечайки ректификационной колонны, как в рабочем состоянии, так и при гидравлических испытаниях.

3.5.2 Расчёт аппарата на устойчивость

Рис № 3.5.2.1 расчётная схема аппарата на устойчивость

И рассчитать для него опору типа I.

По следующим данным:

Материал аппарата - сталь 12Х18Н10Т (Е=2•105 Мн/м2, уид=240 Мн/м2).

Сила тяжести аппарата - G=0,0352 Мн;

Сила тяжести насадки - 0,0705 мн;

Жидкости - Gж=0,0582 Мн;

Воды в аппарате при гидроиспытании - Gв=0,1913 (43 тс);

Внутренний диаметр аппарата - Dв=1,2 м;

Толщина стенок корпуса - s=7 мм;

Минимальная сила тяжести - 0,1639;

Максимальная сила тяжести - 0,2265;

Прибавка на коррозию к толщинам стенок Cк=0,15 мм;

В аппарате имеется лаз d=0,4 м.

Принимаем толщину цилиндрической стенки обечайки s=7 мм. Напряжение сжатия в этой стенке с учётом наличия отверстия для люка d=0,4 м при максимальной нагрузке то силы тяжести аппарата определяем по формуле:

Отношение

Для данного отношения определим коэффициенты кс и ки по графикам на рис ____ кс=0,08 ; ки=0,011 .

Коэффициент Кс определяем по формуле:

Коэффициент ки определяем по формуле:

Допускаемое напряжение на сжатие в обечайке опоры определяем по формуле:

Условие устойчивости для цилиндрической обечайки (при рн=0) проверяем по формуле:

Т.е. устойчивость обеспечена.

Рассчитаем опору для аппарата.

Принимаем толщину цилиндрической стенки обечайки s=7 мм. Напряжение сжатия в этой стенке с учётом наличия отверстия для люка d=0,4 м при максимальной нагрузке то силы тяжести аппарата определяем по формуле:

Отношение

Для данного отношения определим коэффициенты кс и ки по графикам на рис ____ кс=0,08 ; ки=0,011 .

Коэффициент Кс определяем по формуле:

Коэффициент ки определяем по формуле:



Допускаемое напряжение на сжатие в обечайке опоры определяем по формуле:

Условие устойчивости для цилиндрической обечайки (при рн=0) проверяем по формуле:

Т.е. устойчивость обеспечена.

Принимаем толщину цилиндрической стенки опоры s=7 мм. Напряжение сжатия в этой стенке с учётом наличия отверстия для лаза d=0,4 м при максимальной нагрузке от силы тяжести аппарата определяем по формуле:

Отношение

Для данного отношения определим коэффициенты кс и ки по графикам на рис __ кс=0,08 ; ки=0,011 .

Коэффициент Кс определяем по формуле:

Коэффициент ки определяем по формуле:

Допускаемое напряжение на сжатие в обечайке опоры определяем по формуле:

Условие устойчивости для цилиндрической опоры (при рн=0) проверяем по формуле:

Т.е. устойчивость обеспечена.

Максимальные напряжения на сжатие в сварном шве, соединяющим цилиндрическую опору с корпусом аппарата, при коэффициенте сварного шва цш=1 определяем по формуле:

Внутренний диаметр опорного кольца определяем по формуле:

Наружный диаметр опорного кольца определяем по формуле:

Опорную площадь кольца определяем по формуле:

Момент сопротивления опорной площади кольца определяем по формуле:

Максимальное напряжение сжатия на опорной поверхности кольца определяем по формуле:

Номинальная расчётная толщина опорного кольца при l=0,1 м определяется по формуле:

С учётом прибавки на коррозию принимаем, округляя размер sк=10 мм.

Наименьшие напряжения на опорной поверхности кольца:

При максимальной силе тяжести аппарата по формуле:

При минимальной силе тяжести аппарата по формуле:

Расчётным является большее по абсолютной величине значение у.

Общую условную расчётную нагрузку на фундаментные болты определяем по формуле:

Принимаем количество фундаментных болтов z=8. Нагрузку на один болт определяем по формуле:

Расчётный внутренний диаметр резьбы болтов определяем по формуле:

Принимаем болты М16 (d1=16 мм).

Диаметр болтовой окружности определяем по формуле:



3.5.3 Толщина стенки эллиптического днища

Рис № 3.5.3.1 расчётная схема стенки эллиптического днища

Эллиптическое днище (крышка).

Высота обечайки:

- H=17250 мм;

Внутренний диаметр:

- D=1200 мм;

Расчётная температура:

- t=200 C;

материал днища:

- 12Х18Н10Т;

Допускаемые напряжения для рабочего состояния:

- [у]=140 МПа;

Для гидравлических испытаний:

- [у]и=218,1818 МПа;

Плотность обрабатываемой среды:

- сс=919 кг/м3;

Прибавка к расчётной толщине стенки:

- с=0,3 мм;

Коэффициент прочности сварного шва:

- ц=1;

Расчётное давление:

- pр=0,1555 МПа;

Давление испытания:

- pи=0,4555 МПа;

Расчётная толщина стенки определяется по формуле:

Исполнительная толщина стенки определяется по формуле:

Допускаемое давление:

В рабочем состоянии

При испытаниях

Формулы применимы при

Условие применимости формул выполняется.

3.5.4 Подбор штуцеров

Рис № 3.5.4.1 схема штуцеров

3.5.5 Укрепление отверстий

Рис № 3.5.5.1 расчётная схема укрепления отверстий

Конструкция укрепления отверстия накладным кольцом.

Диаметр аппарата:

- D=1200 мм;

Исполнительная толщина стенки:

- s=7 мм;

Расчётная толщина стенки:

- sр=1,3 мм;

Прибавка к расчётной толщине стенки:

с=сш=0,15 мм;

Внутренний диаметр штуцера:

-d=300 мм;

Расчётный диаметр укрепляемого элемента:



Расчётный диаметр круглого отверстия штуцеров:

Расчётная длина внешней и внутренней частей штуцера, участвующих в укреплении отверстия:

Расчётная длина образующей оболочки в зоне укрепления:

Расчётный диаметр отверстия, не требующего укрепления, при отсутствии избыточной толщины стенки укрепляемого элемента:

Наибольший допускаемый диаметр одиночного отверстия, не требующего дополнительного укрепления:



Так как d0>dр, то укрепление отверстия не требуется.

Минимальное расстояние между отверстиями, когда их ещё можно считать одиночными:

3.5.6 Фланцевые соединения

Уплотнительная поверхность - гладкая.

Внутренний диаметр:

- D=1200 мм;

Толщина обечайки:

- s=7 мм;

Внутреннее давление:

- Pp=0,1555 МПа;

Температура:

- t=200 С;

Материал фланца:

- 12Х18Н10Т;

Материал болтов:

- 35Х;

Коэффициент прочности сварных швов:

- ц=1;

Фланцы неизолированные, плоские приварные, имеют гладкую уплотнительную поверхность. Внешне изгибающий момент и осевая сжимающая сила отсутствуют.

Конструктивные размеры фланца. Толщина втулки принята so=9 мм, что удовлетворяет условию:

Высота втулки по формуле:

Принимаем hв=70 мм=0,07м.

Диаметр болтовой окружности:

Принимаем Dб=1290 мм=1,29 м.

Наружный диаметр фланца:

Принимаем Dн=1330 мм=1,33 м;

Наружный диаметр прокладки:

Средний диаметр прокладки:

Количество болтов:

Принимаем nб=60, кратное четырём.

Высота (толщина) фланца:

Принимаем hф=35 мм=0,035 м.

Расчётная длина болта

Нагрузки, действующие на фланец. Равнодействующая внутреннего давления:



Реакция прокладки:

Ft=0

Усилие, возникающее от температурных деформаций.

Коэффициент жёсткости фланцевого соединения.

Болтовая нагрузка в условиях монтажа

Болтовая нагрузка в рабочих условиях:

Приведённый изгибающий момент:

пропиленгликоль ректификационная колонна



Проверка прочности и герметичности соединения.

Условия прочности болтов:

Условие прочности неметаллической прокладки из паронита:

Максимальное напряжение в сечении фланца, ограниченном размером s0:



Напряжение во втулке от внутреннего давления:

Тангенциальное:

Меридиональное:

Условие прочности для сечения фланца, ограниченного размером s0=9 мм:

Окружное напряжение кольце фланца:



условие герметичности:

3.6 Технология изготовления детали

Определяем методы и виды обработки для каждой элементарной поверхности. Результаты выбора заносим в таблицу.

Таблица № 3.6.1

Назначение методов и видов обработки поверхностей.

Номер и название поверхности	Шеро-хова-тость пове-рхно-сти, указанная на черте-же детали (Ra, мкм)	Точ-ность разме-ров,указанная на чертеже детали IT(квали-тет)	Метод обработки	Вид обрабо-тки	Шеро хова-тость повер-хности, Достигнутая дан-ным видом обра-ботки (Ra, мкм)	Точность размера, достигнутая данным видом обработки IT (квалитет)
1.Торец	12,5	14	Обтачивание с поперечной подачей	Получис-товое	12,5	14
2.Торец	12,5	14	Обтачивание с поперечной подачей	Получис-товое	12,5	14
3.Торец	12,5	14	Обтачивание с поперечной подачей	Получис-товое	12,5	14
4.Коническая поверхность	12,5	14	Обтачивание с продольной подачей	Получис-товое	12,5	14
5.Коническая поверхность	12,5	14	Обтачивание с продольной подачей	Получис-товое	12,5	14
6.Цилиндри-ческая поверхность	12,5	14	Обтачивание с продольной подачей	Получис-товое	12,5	14
7.Торец	12,5	14	Обтачивание с поперечной подачей	Получис-товое	12,5	14
8.Цилиндрическое отверстие	12,5	14	Сверление	без кондук-тора получис-товое	12,5	12

После назначения методов и видов обработки всех поверхностей детали определяются этапы проектируемого технологического процесса.

Далее каждый этап разбивается на технологические операции. Обработка фланца производится на операциях получистового этапа.

Таблица № 3.6.2

Этапы обработки фланца

Название этапа	Поверхности, подлежащие обработке
1.Получистовой (черновой)	1,2,3,4,5,6,7
2.Вспомогательный	8

3.6.1 Проектирование технологических операций

В первую очередь, как правило, обрабатываются поверхности, служащие установочными базами для большинства операций технологического процесса. Для фланца такими базами являются торцы 1,7. Сначала следует подрезать торец 1. Это можно выполнить на токарном станке 16Б16Т1, оснащённом трёх - кулачковым патроном. Затем подрезаем торец 2 и торец 3. После чего обрабатываем коническую поверхность 4 и 5, и цилиндрическую поверхность 6. Затем переустанавливаем деталь и подрезаем торец 7. В машиностроении принята трехзначная кратная нумерация операций. Поэтому первой операцией будет 005-Токарная.

3.6.2 Разработка операции вспомогательного этапа

010-Сверлильная. Станок токарно-винторезный Станок вертикально-сверлильный 2Н125.Сверлим четыре отверстия 8. Установка заготовки на столе при помощи тисков

Выбор приспособлений и режущего инструмента.

Тип приспособлений определяется по справочнику[28,с.264,табл.3.140,3.141].

Режущие инструменты выбираем из справочника[28,с.242,табл.3.124-3.131]. Результаты выбора заносим в таблицу.

Таблица № 3.6.2.1

Выбор приспособлений и металлорежущих инструментов

Номер операции	Станок	Приспособле-ние	По-верх-ность	Инструмент
005 Токарная	16Б16Т1	Трёхкулачковый патрон ГОСТ 3890-82	1,2,3,7 6 4,5	Резец подрезной отогнутый ГОСТ 18871-73 Резец проходной прямой ГОСТ 18878-73 Резец проходной изогнутый с пластинами из твёрдого сплава по ГОСТ 18891-73
010 Сверлильная	2Н118	Тиски станочные с ручным приводом ГОСТ 14904-80	8	Сверло спиральное из быстрорежущей стали с коническим хвостовиком нормальным ГОСТ 10903-77.

3.6.3 Выбор измерительного инструмента

В зависимости от требуемой точности получаемого размера выбираем тип измерительного инструмента [28,с.290,табл.3.153]. Далее выбираем конкретный измерительный инструмент[28,с.265-289]. Результаты выбора заносим в таблицу.

Таблица № 3.6.3.1

Выбор измерительного инструмента

Операция	Поверхность, её номинальный размер и допуск	Измерительный инструмент
005 Токарная	1-185h14 7-185h14 2-94h14 3-30h14 3-9 h 14	Штангенциркуль ШЦ-П-0,05, 0-200, ГОСТ 166-80 Штангенциркуль ШЦ-П-0,1, 0-125, ГОСТ 166-80 Штангенциркуль ШЦ-П-0,1, 0-125, ГОСТ 166-80
010 Сверлильная	8-14Н14	Не контролируется

3.6.4 Расчёт и назначение режимов резания и машинного времени

Расчёт и назначение режимов резания и машинного времени производится по [28,с.295,табл.3.154].

Если поверхность обрабатывается однократно, то глубина резания принимается равной припуску на эту поверхность.

Операция 005.