Ректификационная колонна. Определение основных геометрических размеров ректификационной колонны Все ректификационные установки, независимо от типа и конструкции колонн, классифицируют на установки периодического и непрерывного действия

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

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

2. Введение

4. Расчётная часть:

4.1 Материальный баланс

4.4 Гидравлический расчёт колонны

4.5 Тепловой расчёт установки

4.6 Определение диаметров штуцеров

5. Подбор стандартных деталей

5.1 Штуцера

5.2 Опора аппарата

5.3 Фланцы

6. Общие сведения о компонентах смеси и ТБ ведения процесса

Спецификация

1. Техническое задание по проектированию

Рассчитать и спроектировать ректификационную колонну с клапанными тарелками для разделения под атмосферным давлением, с расходом GF т/ч бинарной смеси S (этиловый спирт - декан) с концентрацией низкокипящего компонента % (масс). Исходная смесь поступает в колонну при температуре кипения. Требования к чистоте продуктов: % (масс), % (масс).

2. Введение

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

Для разделения смесей жидкостей и сжиженных газовых смесей в промышленности применяют способы простой перегонки (дистилляции), перегонки под вакуумом, ректификации, экстракции. Ректификацию широко используют в промышленности для полного разделения смесей летучих жидкостей, частично или целиком растворимых одна в другой.

Сущность процесса ректификации сводится к выделению одной или нескольких жидкостей в более или менее чистом виде из смеси двух или в общем случае нескольких жидкостей с различными температурами кипения. Это достигается нагреванием и испарением такой смеси с последующим многократным тепло- и массообменом между жидкой и паровой фазами; в результате часть легколетучего компонента переходит из жидкой фазы в паровую, а часть менее летучего компонента--из паровой фазы в жидкую.

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. В большинстве случаев конечными продуктами являются дистиллят (сконденсированные в дефлегматоре пары легколетучего компонента, выходящие из верхней части колонны) и кубовый остаток (менее летучий компонент в жидком виде, вытекающий из нижней части колонны).

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.

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 насадочные, колпачковые, ситчатые, клапанные пленочные трубчатые колонны и другие. 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, либо при поверхностном контакте пара и жидкости на насадке или поверхности жидкости, стекающей тонкой пленкой.

Насадочные колонны широко распространены. Преимуществом их являются простота устройства и невысокая стоимость. Другое существенное преимущество насадочных колонн - низкое гидравлическое сопротивление. Насадочные колонны малопригодны для работы при низкой плотности орошения, для них характерны ограниченные интервалы нагрузок по пару и жидкости. Для стабильной работы насадочной колонны необходимо обеспечить равномерное распределение жидкости по сечению, с помощью оросителей. Кроме того, в насадочных колоннах затруднен отвод тепла из слоя насадки.

Тарельчатые колонны нашли не менее широкое применение в промышленности. Это массообменные вертикальные колонные аппараты, секционированные по высоте поперечными контактными массообменными устройствами (тарелками). Восходящий поток пара последовательно барботирует через слои жидкости на тарелках. В барботажном режиме работают ситчатые, колпачковые, клапанные, а также провальные тарелки. Для тарелок первых трех типов барботаж газа и движение жидкости происходят в условиях перекрестного тока благодаря равномерно распределенным на полотне тарелок их элементам (отверстиям, колпачкам, клапанам) и наличию переливных устройств. На провальных тарелках реализуется противоточный контакт фаз. Для тарельчатых колонн характерны высокая четкость разделения исходной смеси, широкий диапазон нагрузок по пару и жидкости, высокая производительность. Недостатками данных колонн являются: высокая стоимость вследствие сложности устройства, а также повышенное гидравлическое сопротивление.

Ситчатые тарелки имеют большое занятое отверстиями сечение тарелки, а следовательно, и высокую производительность по пару, для них характерны простота изготовления, малая металлоемкость. Недостаток -- высокая чувствительность к точности установки. Аппараты с ситчатыми тарелками не рекомендуется использовать для работы на загрязненных средах, это может вызвать забивание отверстий.

Колпачковые тарелки показывают неплохую массообменную эффективность, имеют значительный интервал нагрузок по пару. 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. Ограниченность их применения заключается в дороговизне по причине повышенной металлоемкости. Кроме того, колпачковые тарелки обладают повышенным гидравлическим сопротивлением, склонны к забивке.

Клапанные тарелки показывают высокую эффективность при значительных интервалах нагрузок благодаря возможности саморегулирования. В зависимости от нагрузки клапан перемещается вертикально, изменяя площадь живого сечения для прохода пара, причем максимальное сечение определяется высотой устройства, ограничивающего подъем. Клапаны изготовляют в виде пластин круглого или прямоугольного сечения с верхним или нижним ограничителем подъема. Недостатком клапанных тарелок является высокое гидравлическое сопротивление.

Провальные тарелки наиболее просты по конструкции, обладают низким гидравлическим сопротивлением. Характеризуются отсутствием переливных устройств. Но данный вид тарелок имеет низкую массообменную эффективность, узкий интервал нагрузок по пару и жидкости.

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

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 в колонну, орошаемую частью дистиллята. Другая часть дистиллята из дефлегматора или концевого холодильника, охлажденная до определенной температуры, 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.

Целью проектного расчета ректификационной колонны для разделения бинарной смеси этиловый спирт-декан является определение диаметра колонны, числа контактных устройств в укрепляющей и исчерпывающей частях колонны, высоты колонны, гидравлического сопротивления тарелки и колонны в целом при заданных составах исходной смеси, расхода исходной смеси и давления в колонне.

3. Схема ректификационной установки

1- корпус колонны;

2- тарелка;

3- тарелка питания;

4- подогреватель питания;

5- кипятильник;

6- дефлегматор;

7- конденсатор (холодильник);

8- гидравлический затвор;

GF , GV , G R , G D, GW ,- мольные расходы питания, паров выходящих с верху колонны, флегмы, дистиллята и остатка.

XF , XD , XW - мольные доли НК в питании, дистилляте и остатке. [ 12, с. 279 ]

4. Расчетная часть

4.1 Материальный баланс

Пусть GD и GW - массовые расходы

дистиллята и кубового остатка, кг/час

Уравнение материального баланса:

GD+ GW = GF - по потокам;

GD D+ GW w = GF F - по НК.

GF =9 т/ч=9000 кг/ч

Из системы уравнений материального баланса определяем:

GW= 4348кг/ч; GD = 4652 кг/ч.

Сделаем перерасчет концентраций из массовых долей в мольные:

М(С2Н6О)НК = 46,07кг/кмоль, [ 2, c.541 ]

М(С10Н22)ВК = 142,29кг/кмоль, [ 7, с.637 ]

Питание:

XF = =

Дистиллят:

XD = =

Кубовый остаток:

XW = =

Таблица 1

Находим по диаграмме состав-состав (x-y) , которую мы построили по данным о фазовом равновесии разделяемой бинарной системы:

0,964? мольная доля НК в паре, равновесном с жидкостью питания.

Вычисляем минимальное флегмовое число:

Rmin = (0,980-0,964) / (0,964-0,735) =0,016/0,23=0,0696

Рабочее флегмовое число:

R= 1,3·Rmin + 0,3;

R= 1,3·0,0696 + 0,3 = 0,390

Определяем число питания:

F= (0,980-0,114) / (0,735-0,114) = 1,39

Составим уравнения рабочих линий:

а) для верхней (укрепляющей) части колонны:

y=0,281x + 0,705

б) для нижней (исчерпывающей) части колонны:

y=1,28х - 0,032

4.2 Определение скорости пара и диаметра колонны

Средние концентрации жидкости:

а) верх колонны

б) Низ колонны:

Средние концентрации пара (по уравнениям рабочих линий):

а) верх колонны

б) Низ колонны:

Находим средние температуры пара и по диаграмме температура-состав, состав (t-x,y, которую мы строим по равновесным данным :

86 0С; = 146 0С.

Средние мольные массы пара:

а) верх колонны

0,945·46,07+(1-0,945)·142,29=51,362кг/кмоль

б) низ колонны:

0,53·46,07+(1-0,53)·142,29=91,3 кг/кмоль

Определяем средние плотности пара:

Средняя плотность пара в колонне:

Находим температуры флегмы и кубовой жидкости по диаграмме t-x,y при XD и XW:

79 0С; 88,50С.

а) плотность жидкого НК при 790С; =736,43 кг/м3;

б) плотность жидкого ВК при 88,50С; =667,6 кг/м3

Средняя плотность жидкости в колонне:

702,0кг/м3;

Максимально допустимую скорость пара по колонне можно определить по формуле : .

Коэффициент Сmax вычисляем по формуле :

Сmax = где:

Н- межтарельчатое расстояние = 0,3-0,4 м, принимаем Н=0,4 м;

q- линейная плотность орошения, то есть отношение объемного расхода жидкости к периметру слива П (длине сливной планки) ; q=q0= 10 - 25 м2/ч, принимаем q=10 м2/ч;

k1=1,15, k2=1 при атмосферном и повышенном давлениях, k3=0,34·10-3.

Сmax ==0,0812

0,0812=1,436м/с.

Определяем мольную массу дистиллята:

0,980·46,07+(1-0,980)·142,29=47,9 кг/кмоль.

Средняя температура пара в колонне:

Объемный расход пара в колонне:

Вычисляем диаметр колонны:

Выбираем ближайший больший диаметр колонны D=1000 мм

Тогда фактическая скорость:

Определяем периметр слива П:

П= (0,7?0,75) D . Принимаем П=0,72 D =0,72м;

b= D /2

и коэффициент динамической вязкости жидкой смеси µ при средней температуре в колонне:

=(0,857+0,411)/2=0,634;

0,634·lg 0,394 + 0,366·lg 0,420= - 0,394 ; .

Определяем произведение:

Находим по рис. 7.4. средний КПД тарелок

Длина пути жидкости на тарелке м.

По рис. 7.5. находим поправку на длину пути, так как <0,9 м, то =0

Вычисляем число действительных тарелок в верхней и нижней частях колонны:

5,56, принимаем 6 ;

5,56, принимаем 6.

Общее число тарелок в колонне:

С запасом 15%-20% =1,15·12=13,8 ;

Принимаем n = 14 тарелок.

Высота тарельчатой части колонны:

=(14-1)·0,4=5,2 м.

Порядковый номер действительной тарелки питания:

1,15 6=6,9; принимаем 7.

1,15 6=6,9; принимаем 7. Номер тарелки питания n=7.

4.4 Гидравлический расчет колонны

4.4.1 Гидравлическое сопротивление тарелки равно сумме потерь напора на сухой тарелке и в слое жидкости:

а) верхняя часть колонны:

Потеря напора на неорошаемой тарелке

Коэффициент сопротивления; для клапанной тарелки при полностью открытом клапане =3,63;

скорость пара в отверстии, м/с;

где доля свободного сечения тарелки,

1,744 кг/м3 ? средняя плотность пара в верхней части колонны.

Потеря напора в слое жидкости:

высота сливной планки, м; ориентировочно принимаем 50-70 мм;

подпор жидкости над сливной планкой;

Средняя плотность жидкости;

Объемный расход жидкости в верхней части колонны, м3/ч.

P=702,0·9,81(0,05+0,008)=399,4 Па.

Определяем сопротивление орошаемой тарелки:

652,1+399,4=1052Па

б) нижняя часть колонны:

Сопротивление сухой тарелки:

Средняя плотность пара в нижней части колонны.

Средняя мольная масса жидкости в нижней части колонны:

0,411·46,07+(1-0,411)·142,29=102,7 кг/кмоль.

0,735·46,07+(1-0,735)·142,27=71,6 кг/кмоль.

Объемный расход жидкости в нижней части колонны:

Подпор жидкости над сливной планкой:

Сопротивление слоя жидкости на тарелке:

702,0·9,81·(0,05+0,031)=557,8 Па.

Сопротивление орошаемой тарелки:

951,6+557,8=1509,4 Па.

Суммарное сопротивление всех тарелок:

6·1052+6·1509,4=15368,5 Па.

4.4.2 Проверка работоспособности тарелок

Она проводится по величине межтарельчатого уноса жидкости или по пропускной способности переливного устройства.

Тарелка работает устойчиво при:

Высота слоя вспененной жидкости в переливном кармане, м;

y - вылет ниспадающей струи, м;

b - максимальная ширина переливного кармана (стрелка сегмента);

Высота слоя невспененной жидкости в сливном устройстве, м;

Относительная плотность вспененной жидкости;

для слабо и средневспенивающихся жидкостей,

принимаем: .

Высота слоя светлой жидкости:

Сопротивление тарелки,

Градиент уровня жидкости на тарелке, м.

Для клапанных тарелок можно принять =0,005-0,010 м .

Сопротивление движению жидкости в перетоке

Скорость жидкости в минимальном сечении переливного кармана .

колонна смесь разделение штуцер

для средне- и слабопенящихся жидкостей, принимаем: .

скорость всплывания пузырей грибообразной формы.

средний коэффициент поверхностного натяжения жидкости при средней температуре в колонне:

(79+88,5)/2=83,75 0C.

Коэффициент поверхностного натяжения: при температуре в колонне tср=83,75 0С (нк) =16,05·10-3 H/м ;

(вк)=17,16 ·10-3 H/м,

Тогда =0,448·16,05·10-3+(1-0,448)·17,16·10-3=0,0167 H/м.

Скорость всплывания пузырей грибообразной формы:

Скорость жидкости в минимальном сечении переливного кармана:

Сопротивление движению жидкости в перетоке:

1,6·702,0·0,1162=15,1 Па.

Высота слоя светлой жидкости:

Вылет струи

Условие /В/ выполняется:

0,446 < 0,40+0,05 ;

Условие /С/ выполняется:

0,054 < 0,153

Рабочая скорость пара в отверстии тарелки не должна быть меньше минимальной скорости пара в отверстии тарелки, обеспечивающей беспровальную работу клапанной тарелки :

14,36 > 3,371;

>?условие выполняется.

4.5 Тепловой расчет установки

4.5.1 Расход тепла, отдаваемого парами воде при конденсации в дефлегматоре:

теплота конденсации паров Дж/кг;

4.5.2 Расход тепла, получаемого кубовой жидкостью от греющего пара в кипятильнике:

При 79 0С;

При 88,5 0С;

При 80,1 0С.

Все значения теплоемкостей находим из справочников:

При 79 0С: C =3226,3

C =2424,3 [ 8,с.281]

0,93·3226,3+(1- 0,93)·2424,3=3170 .

При 88,5 0С: C =3435,8

C =2501,1 [ 8, с.281]

0,04·3435,8+(1 - 0,04)·2501,1 = 2538,5 .

При 80,10С: C =3268,2

C = 2428,1 ,

1,03·= 1524802

4.5.3 Расход тепла в паровом подогревателе питания

При 0С: = 2891,1

2290,3

0,50·2891,1+(1 - 0,50)·2290,3=2590,7 .

4.5.4 Расход тепла, отдаваемого дистиллятом воде в холодильнике

При 0С: = 2933

2306,3 .

0,93·2933+(1 - 0,93)·2306,3 =2889.

4.5.5 Расход тепла, принимаемого водой от кубового остатка в холодильнике

При 0С: =3008,42

2339 .

0,04·3008,42+(1 - 0,04)·2339 =2365,8

4.5.6 Расход греющего пара с давлением =4 ат и степенью сухости x=95%

а) в кипятильнике:

удельная массовая теплота конденсации греющего пара при давлении 4 ат.,

б) в подогревателе питания:

Всего пара 0,96 кг/с или 3,447 т/ч.

Расход охлаждающей воды при нагреве ее на 20 0С

а) в дефлегматоре:

Теплоемкость воды при 20 0С

б) в холодильнике дистиллята:

в) в холодильнике кубового остатка:

Всего воды 21,936 кг/с или 78,97 т/ч.

4.6 Определение диаметра штуцеров

Присоединение трубной арматуры к аппарату, а так же технологических трубопроводов для подвода и отвода различных жидких и газообразных продуктов производится с помощью штуцеров или водных труб которые могут быть разъемными и неразъемными. По условиям ремонтоспособности чаще применяются различные соединения (фланцевые штуцера).

Стальные фланцевые штуцера стандартизованы и представляют собой патрубки из труб приваренными к ним фланцами или кованые заодно с фланцами. В зависимости от толщины стенок патрубки штуцеров бывают тонкостенные и толстостенные что вызывается необходимостью укрепления отверстия в стенке аппарата патрубком с разной толщиной его стенки.

Диаметры штуцеров определим по объемному расходу жидкости Q или пара и по их рекомендуемой скорости w .

Питание подается в колонну насосом (вынужденное движение:), принимаем 1,5 м/с. Флегма, кубовая жидкость и кубовый остаток текут самотеком (), принимаем 0,3 м/с. Для паров, принимаем 30 м/с.

4.6.1 Диаметр штуцера для ввода в колонну питания:

При температуре питания =80,1 0С находим по справочникам

Плотность питания:

0,00138 м?/кг

720,693 кг/м?.

Объемный расход питания:

м/ с - скорость жидкости при нагнетании.

d = = = 0,0513 м или d=51,3 мм

4.6.2Диаметр штуцера для подачи флегмы

Массовый расход флегмы

Определяем плотность НК при температуре верха 79 0С: .

Объемный расход флегмы:

0,00068 м?/с

м/ с - скорость течения флегмы (самотек).

Диаметр штуцера:

d = = = 0,049 м или d=49мм

Выбираем стандартный диаметр штуцера по таблице 10.2

4.6.3 Диаметр штуцера для вывода паров из колонны

Массовый расход паров:

Плотность паров:

1,595 кг/м?

Объемный расход паров:

1,126 м?/с

Диаметр штуцера:

d = = = 0,1994 м или d=199,4мм

Выбираем стандартный диаметр штуцера по таблице 10.2

4.6.4 Диаметр штуцера для вывода кубовой жидкости из колонны

В первом приближении мольные расходы пара и жидкости не изменяются по высоте колонны (кроме тарелки питания, т.к. на нее поступает исходная смесь), поскольку при конденсации одного моля ВК из пара испаряется один моль НК из жидкости. Если мольные массы НК и ВК близки, то по высоте колонны не изменяются и массовые расходы. В противном случае массовый расход жидкости на тарелке питания может сильно отличаться от расхода кубовой жидкости.

Средняя мольная масса питания:

= + (1-) = 0,735 46,07+ (1-0,735) 142,29=71,664 кг/кмоль

Мольный расход питания:

0,035 кмоль/с

Мольный расход флегмы:

0,0109кмоль/с

Мольный расход кубовой жидкости:

0,035+0,0109=0,0459 кмоль/с

Массовый расход кубовой жидкости:

0,0459 142,29 = 6,531 кг/с Плотность кубовой жидкости примерно равна при:

88,50С .

Объемный расход кубовой жидкости:

0,0098 м?/с

м/ с - кубовая жидкость течет самотеком.

Диаметр штуцера:

d = = = 0,198 м или d=198 мм

Выбираем стандартный диаметр штуцера по таблице 10.2

4.6.5 Диаметр штуцера для выхода кубового остатка

Объемный расход кубового остатка:

94,80С .

0,0018 м?/с

Диаметр штуцера:

d = = = 0,085 м или d=85 мм

Выбираем стандартный диаметр штуцера по таблице 10.2

4.6.6 Диаметр штуцера для ввода парожидкостной смеси в куб колонны

Массовый расход парожидкостной смеси

6,531- = 5,323кг/с

Плотность паров:

Абсолютное давление в кубе колонны

Барометрические давление;

Р -суммарное гидравлическое сопротивление всех тарелок; ?Р =15368,5 Па;

Нормальное давление, = 1 атм;

101325 + 15368,5 = 116693,5 Па.

5,525 кг/м?

Считаем, что в пределе в кипятильнике испаряется вся жидкая фаза.

Объемный расход парожидкостной смеси (в пределе):

0,963м?/с

Диаметр штуцера:

d = = = 0,202 м или d=202 мм

Выбираем стандартный диаметр штуцера по таблице 10.2

4.6.7 Диаметр штуцера для подогревателя питания

Плотность пара при абсолютном давлении 4атм. = 2,12 кг/м?.

Объемный расход пара:

0,098 м?/с

40 м/с - скорость движения пара.

Диаметр штуцера:

d = = = 0,056 м или d=56 мм

Выбираем стандартный диаметр штуцера по таблице 10.2

4.6.8 Диаметр штуцера для кипятильника

Объемный расход пара:

0,354 м?/с

Диаметр штуцера:

d = = = 0,106м или d=106 мм

Выбираем стандартный диаметр штуцера по таблице 10.2

4.6.9 Диаметр штуцера для дефлегматора

Плотность воды принимаем = 1000кг/м?

Объемный расход воды:

Диаметр штуцера:

d = = = 0,121м или d=121 мм

Выбираем стандартный диаметр штуцера по таблице 10.2

4.6.10 Диаметр штуцера для холодильника дистиллята

0,002406 м?/с

Диаметр штуцера:

d = = = 0,045м или d=45мм

Выбираем стандартный диаметр штуцера по таблице 10.2

4.6.11 Диаметр штуцера для холодильника кубового остатка

0,00217 м?/с

Диаметр штуцера:

d = = = 0,043м или d=43мм

Выбираем стандартный диаметр штуцера по таблице 10.2

5. Подбор стандартных деталей

5.1 Штуцера

Присоединение трубной арматуры к аппарату, а также технологических трубопроводов для подвода и отвода различных жидких или газообразных продуктов производится с помощью штуцеров или вводных труб, которые могут быть разъемными и неразъемными. По условиям ремонтоспособности чаще применяются разъемные соединения (фланцевые штуцера).

Стальные фланцевые штуцера стандартизованы и представляют собой патрубки из труб с приваренными к ним фланцами или кованые заодно с фланцами. В зависимости от толщины стенок патрубки штуцеров бывают тонкостенные и толстостенные, что вызывается необходимостью укрепления отверстия в стенке аппарата патрубком с разной толщиной его стенки.

Конструкция стандартных стальных приварных фланцевых штуцеров: с приварным плоским фланцем и тонкостенным патрубком

Основные размеры патрубков, стандартных стальных фланцевых, тонкостенных штуцеров при.

Наименование
Ввод питания
Вход флегмы
Вывод паров из колонны
Вывод кубовой жидкости
Выход кубового остатка
Вход пара в кипятильник
Вход воды в дефлегматор

5.2 Опора аппарата

Установка химических аппаратов на фундаменты или специально несущие конструкции осуществляется большей частью с помощью опор. Непосредственно на фундаменты устанавливают лишь аппараты с плоским днищем.

В зависимости от рабочего положения аппарата различают опоры для вертикальных аппаратов и опоры для горизонтальных аппаратов. Вертикальные аппараты обычно устанавливают или на стойках, когда их размещают внизу в помещении, или на подвесных лапах, когда аппарат размещают между перекрытиями в помещении или на специальных стальных конструкциях.

Конструкция стандартных цилиндрических опор для стальных сварных колонных аппаратов с наружными стойками под болты.

По диаметру выбираем опору.

Основные размеры цилиндрических опор для колонных аппаратов

5.3 Фланцы

В химических аппаратах для разъемного соединения стальных корпусов и отдельных частей применяются фланцевые соединения преимущественно круглой формы. На фланцах присоединяются к аппаратам трубы, арматуры и т.д. Фланцевые соединения должны быть прочными, жесткими, герметичными, доступными для сборки, разборки и ремонта. Фланцевые соединения стандартизованы для труб и трубной арматуры и отдельно для аппаратов.

Конструкция стандартных стальных плоских приварных фланцев для труб и трубной арматуры

Конструкция стандартных стальных плоских приварных фланцев аппаратов с гладкой уплотнительной поверхностью

Фланцы для труб и трубной арматуры стальные плоские приварные с соединительным выступом при.

Наименование
Ввод питания
Вход флегмы
Вывод паров из колонны
Вывод кубовой жидкости
Выход кубового остатка
Ввод парожидкостной смеси в куб колонны
Вход пара в подогреватель питания
Вход пара в кипятильник
Вход воды в дефлегматор
Вход воды в холодильник дистиллята
Вход воды в холодильник кубового остатка

Фланцы для аппаратов стальные плоские приварные при.

Днище является одним из основных элементов химических аппаратов. Цилиндрические цельносварные корпусы как горизонтальных, так и вертикальных аппаратов с обеих сторон ограничиваются днищами. Формы днищ бывают эллиптические, полушаровые, в виде сферического сегмента, конические и цилиндрические. Наиболее распространенной формой является эллиптическая. Они изготавливаются горячей штамповкой из плоских круглых заготовок, состоящих из одной или нескольких частей, сваренных между собой.

Конструкция эллиптического отбортованного днища (рис.7.1,а)

Диаметр аппарата D=1000 мм.

Размеры эллиптических отбортованных днищ с внутренним базовым диаметром

6. Техника безопасности и общие сведения о компонентах смеси

Оборудование производственное. Общие требования безопасности.

1. Материалы конструкции производственного оборудования не должны оказывать опасное и вредное воздействие на организм человека на всех заданных режимах работы и предусмотренных условиях эксплуатации, а также создавать пожаровзрывоопасные ситуации.

2. Конструкция производственного оборудования должна исключать на всех предусмотренных режимах работы нагрузки на детали и сборочные единицы, способные вызвать разрушения, представляющие опасность для работающих.

3. Конструкция производственного оборудования и его отдельных частей должна исключать возможность их падения, опрокидывания и самопроизвольного смещения.

4. Части производственного оборудования (в том числе трубопроводы гидро-, паро-, пневмосистем, предохранительные клапаны, кабели и др.), механическое повреждение которых может вызвать возникновение опасности, должны быть защищены ограждениями или расположены так, чтобы предотвратить их случайное повреждение работающими или средствами технического обслуживания.

5. Производственное оборудование должно быть пожаровзрывобезопасным в предусмотренных условиях эксплуатации.

6. Конструкция производственного оборудования, приводимого в действие электрической энергией, должна включать устройства (средства) для обеспечения электробезопасности: ограждение, заземление, зануление, изоляция токоведущих частей.

7. Конструкция производственного оборудования должна исключать опасность, вызываемую разбрызгиванием горячих обрабатываемых и (или) используемых при эксплуатации материалов и веществ.

8. Система управления должна обеспечивать надежное и безопасное ее функционирование на всех предусмотренных режимах работы производственного оборудования и при всех внешних воздействиях, предусмотренных условиями эксплуатации. Система управления должна исключать создание опасных ситуаций из-за нарушения работающим (работающими) последовательности управляющих действий.

При эксплуатации ректификационной колонны необходимо соблюдать следующие правила техники безопасности:

1. Ректификационная колонна перед пуском должна быть осмотрена, подвергнута испытанию на прочность давлением; проверена исправность и готовность к работе всех связанных с ней аппаратов и трубопроводов, исправность контрольно-измерительных приборов, регуляторов температуры и давления в колонне, измерителей уровня жидкости в нижней части колонны, приемниках ректификата, емкостях остатка.

2. Пуск ректификационной установки в работу должен производиться строго в установленной последовательности, которая должна быть указана в технологической инструкции.

3. При работе ректификационных колонн необходимо непрерывно контролировать параметры процесса и исправность аппаратуры.

4. В зимнее время на открытых установках не реже одного раза в смену необходимо проверять состояние колонн, продуктопроводов, водяных линий, дренажных отростков на паропроводах и аппаратах, спускных линий и т.п. В этот период следует обеспечить непрерывное движение жидкости в коммуникациях (особенно с водой) для предотвращения их разрыва. Спускные и дренажные линии, а также наиболее опасные участки для подачи воды, щелочи и других замерзающих жидкостей должны быть утеплены.

5. Необходимо следить за тем, чтобы поврежденные участки теплоизоляции ректификационных колонн и их опор своевременно исправлялись. Теплоизоляция должна быть чистой, исправной и выполнена так, чтобы при утечках не могли образоваться скрытые потоки жидкости по корпусу.

6. При обнаружении утечек в ректификационных колоннах, теплообменниках и других аппаратах необходимо подать водяной пар или азот к местам пропуска для предотвращения возможного воспламенения или образования смесей взрывоопасных концентраций.

8. В цехах и на открытых ректификационных и абсорбционных установках необходимо проверять наличие первичных средств пожаротушения и исправность имеющихся стационарных или полустационарных систем пожаротушения.

Компоненты исходной смеси.

Декан - бесцветная легковоспламеняющаяся жидкость со слабым бензиновым запахом. Декан нерастворим в воде, ограниченно растворим в этаноле, хорошо растворим в неполярных растворителях. Температура вспышки 47?С, температура самовоспламенения 208?С.

Декан относится к классу предельных углеводородов. Химически наиболее инертны среди органических соединений, предельные углеводороды являются в то же время сильнейшими наркотиками. Практически действие предельных углеводородов ослабляется ничтожной растворимостью их в воде и крови, вследствие чего необходимы высокие концентрации в воздухе, чтобы создались опасные концентрации в крови. Токсическое действие: обладает наркотическим действием ввиду высокой липофильности.

ПДК паров декана в воздухе рабочей зоны составляет 300мг/м?. В условиях острого воздействия могут наблюдаться оглушение, головная боль, тошнота, рвота, замедление пульса. При отравлении необходимо вызвать

скорую медицинскую помощь. Пострадавшего вывести из зоны заражения на свежий воздух, обеспечить покой.

Индивидуальна защита. При невысоких концентрациях пригоден

фильтрующий промышленный противогаз марки А. При очень высоких концентрациях - изолирующие шланговые противогазы с принудительной подачей воздуха. При длительном контакте - защита кожи: перчатки,

фартуки с непроницаемым покрытием, для защиты глаз необходимо использовать маски. Меры предупреждения. Герметизация аппаратуры и коммуникаций, надлежащая вентиляция помещений. Обязательны медицинские осмотры работников раз в 12 месяцев при работах, связанных с выделением декана и других предельных углеводородов.

Этиловый спирт (этанол, метилкарбинол) - легковоспламеняющаяся, бесцветная жидкость с характерным запахом, смешивается в любых соотношениях с водой и многими органическими растворителями. Температура вспышки 13?С, температура воспламенения 365?С.

Этанол применяется для синтеза многих органических соединений, для получения СК по методу Лебедева, в спирто-водочной и пивоваренной промышленности, в качестве растворителя лаков, для экстрагирования т.д.

ПДК паров этилового спирта в воздухе рабочей зоны составляют 1000 мг/м?. Общий характер действия: наркотик, вызывающий сначала возбуждение, а затем паралич центральной нервной системы. В организме человека этанол превращается в ацетальдегид и уксусную кислоту, которые приводят к токсическому поражению всех органов и тканей. При длительном воздействии больших доз может вызвать тяжелые органические заболевания нервной системы, печени, сердечно - сосудистой системы, пищеварительного тракта. . Острое отравление парами этилового спирта на производстве (без приема внутрь) практически маловероятно, даже считая, что весь вдыхаемый спирт остается в организме. Случаи хронического отравления парами этилового спирта неизвестны.

Этанол в чистом виде вызывает у работающих сухость кожи, изредка образование трещин.

Признаки отравления: эмоциональная неустойчивость, нарушенная координация движений, покрасневшая кожа лица, тошнота и рвота, угнетение дыхательных функций и нарушение сознания (в тяжелых случаях).

В случае отравления этиловым спиртом необходимо вызвать бригаду скорой медицинской помощи. Если пострадавший находится в сознании, но у него наблюдаются выраженная слабость, заторможенность, сонливость, то до приезда врача можно дать ему понюхать ватку, смоченную нашатырным спиртом, и промыть желудок. Для промывания желудка нужно выпить 1--1,5 л воды с добавлением пищевой соды (1 ч. л. соды на 1 л воды), после чего следует вызвать рвотный рефлекс. Можно повторить процедуру несколько раз. Затем пострадавшего нужно согреть, так как алкоголь приводит к расширению поверхностных сосудов кожи, а это способствует быстрому охлаждению организма. Рекомендуется дать ему выпить крепкий чай или кофе. При наличии таблетированного активированного угля можно дать пострадавшему до 20 таблеток.

Индивидуальная защита. Тщательная защита органов дыхания. Использование фильтрующего промышленного противогаза марки А. Защита кожи (спецодежда, защитные перчатки) и глаз (маски, защитные очки).

Меры предупреждения: герметизация аппаратуры и коммуникаций, недоступность этилового спирта, разъяснительная работа, надлежащая вентиляция помещений .

Меры пожарной безопасности. Компоненты исходной смеси (декан, этиловый спирт) являются легковоспламеняющимися жидкостями. Резервуары, технологическое оборудование, трубопроводы и сливно-наливные устройства, связанные с приемом, хранением и перемещением этилового спирта, декана должны быть защищены от статического электричества. Электрооборудование должно быть во взрывобезопасном исполнении. Средства пожаротушения: песок, асбестовое одеяло, огнетушители углекислотные. .

7. Список использованной литературы

1. Коган В.Е, Фридман В.М, Кафаров В.В. Равновесие между жидкостью и паром. Справочник. Кн. 1-2. М.; Л.: Наука, 1966. -786 с.

2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу ПАХТ. Л.: Химия, 1987-.576 с.

3. Рамм В.М. Абсорбция газов. М.: Химия, 1976.-655 с.

4. Расчет основных процессов и аппаратов нефтепереработки / Под ред. Судакова. Справочник. М.: Химия, 1979.-568 с.

5. Основные процессы и аппараты химической технологии /Под ред. Ю.И. Дытнерского. Пособие по проектированию. М.: Химия, 1991-496с.

6. Александров И.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. М.:Химия,1978.-280 с.

7. Справочник химика. Том II.Основные свойства неорганических и органических соединений. Л.,М.:Химия,1964.-1168 с.

8. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972-720с.

9. Типовые колонные аппараты: руководство, Казань, 1982.-20 с.

10. Урядов В.Г., Аристов Н.В.,Курдюков А.И. Взаимосвязю «структура-свойство». Часть IV. Топологический подход к описанию поверхностного натяжения органических соединений., 2002.-77 с.

11. Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов. Справочник. Л.: Машиностроение, 1981.-382 с.

12. Скобло А.И., Трегубова И.А., Молоканов Ю.К. Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.М.:Химия, 1982.-584

13. Вредные вещества в промышленности. Справочник. Т I Органические вещества/Под ред. Н.В. Лазарева. Л.:Химия, 1976-538с.

14. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчет химической аппаратуры. Справочник. Л.: Машиностроение, 1970-752с.

15. ВНЭ 5-79 ППБО - 103 -79 Правила пожарной безопасности при эксплуатации предприятий химической промышленности, 322 с.

16. Справочник нефтехимика.Том 1./Под ред. Огородникова С.К. М.: 1978 - 496 с.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Определение скорости пара и диаметра колонны, числа тарелок и высоты колонны. Гидравлический расчет тарелок. Тепловой расчет колонны. Выбор конструкции теплообменника. Определение коэффициента теплоотдачи для воды. Расчет холодильника для дистиллята.

курсовая работа , добавлен 07.01.2016


Расчет ректификационной колонны непрерывного действия для разделения бинарной смеси ацетон-вода. Материальный баланс колонны. Скорость пара и диаметр колонны. Гидравлический расчет тарелок, определение их числа и высоты колонны. Тепловой расчет установки.

курсовая работа , добавлен 02.05.2011


Ректификация как способ разделения жидких смесей в промышленности. Определение размеров колонны. Гидравлический расчет тарелок и давления в кубе. Расчет насоса, подогревателя сырья, дефлегматора и кипятильника. Тепловой и материальный баланс колонны.

курсовая работа , добавлен 07.02.2015


Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число. Средние массовые расходы по жидкости для верхней и нижней частей колонны. Объемные расходы пара и жидкости. Гидравлический расчет ректификационной колонны. Тепловой расчет установки и штуцеров.

курсовая работа , добавлен 04.05.2015


Характеристика процесса ректификации. Технологическая схема ректификационной установки для разделения смеси гексан-толуол. Материальный баланс колонны. Гидравлический расчет тарелок. Определение числа тарелок и высоты колонны. Тепловой расчет установки.

курсовая работа , добавлен 17.12.2014


Периодическая ректификация бинарных смесей. Непрерывно действующие ректификационные установки для разделения бинарных смесей. Расчет холодильника кубового остатка, высоты газожидкостного слоя жидкости. Определение скорости пара и диаметра колонны.

курсовая работа , добавлен 20.08.2011


Определение скорости пара и расчет диаметра ректификационной колонны. Построение кривых изобар пара и жидкости, зависимости диаграммы насыщенных паров от температуры, построение изобары. Расчет конденсатора-холодильника, диаметра штуцеров и кипятильника.

курсовая работа , добавлен 25.09.2015


Ректификационная колонна непрерывного действия с ситчатыми тарелками, расчет материального баланса. Дистиллят, кубовый остаток и мольный расход питания. Гидравлический расчет тарелок. Число тарелок и высота колонны. Длина пути жидкости на тарелке.

контрольная работа , добавлен 15.03.2009


Технологические основы процесса ректификации, его этапы и принципы. Определение минимального числа тарелок, флегмового числа и диаметра колонны. Тепловой и конструктивно-механический расчет установки. Расчет тепловой изоляции. Автоматизация процесса.

курсовая работа , добавлен 16.12.2015


Материальный баланс процесса ректификации. Расчет флегмового числа, скорость пара и диаметр колонны. Тепловой расчет ректификационной колонны. Расчет оборудования: кипятильник, дефлегматор, холодильники, подогреватель. Расчет диаметра трубопроводов.

1.5 Определение основных геометрических размеров ректификационной колонны

Скорость пара должна быть ниже некоторого предельного значения ω пред, при которой начинается брызгоунос. Для ситчатых тарелок.

Предельное значение скорости пара ω пред определяем по графику .

Принимаем расстояние между тарелками Н=0.3 м, так как

,

,

следовательно, для верхней части колонны м/с, для нижней части колонны м/с. Подставив данные в (1.25) получим:

Диаметр колонны Д к определяем в зависимости от скорости и количества поднимающихся по колонне паров:

, (1.26)

Тогда диаметр колонны равен:

Скорость пара в колонне:

Выбираем тарелку типа ТСБ-II

Диаметр отверстий d 0 =4 мм.

Высота сливной перегородки h п =40 мм.

Колонный аппарат Д к =1600 мм – внутренний диаметр колонны

F к =2,0 м 2 – площадь поперечного сечения колонны

Расчёт высоты колонны

Определение высоты тарельчатой колонны мы проводим по уравнению:

H 1 =(n-1)H – высота тарельчатой части колонны;

h 1 – высота сепараторной части колонны мм., h 1 =1000 мм по табл2 ;

h 2 – расстояние от нижней тарелки до днища, мм., h 2 =2000 мм табл2 ;

n – число тарелок;

H – расстояние между тарелками.

Для определения высоты тарельчатой части колонны воспользуемся рассчитанным в пункте 1.4 действительным числом тарелок:

По выражению (1.27) высота колонны равна:

H к =4,5+1,0+2,0=7,5 м.

1.6 Расчёт гидравлического сопротивления колонны

Расчёт гидравлического сопротивления тарелки в верхней и в нижней части колонны

где -сопротивление сухой тарелки, Па; - сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения, Па; - сопротивление парожидкостного слоя на тарелке, Па.

а) Верхняя часть колонны.

Сопротивление сухой тарелки

(1.29)

где ξ – коэффициент сопротивления сухих тарелок, для ситчатой тарелки ξ=1,82 ;

ω 0 – скорость пара в отверстиях тарелки:

, (1.30)

Плотность жидкости и газа определяем как среднюю плотность жидкости и газа в верхней и нижней частях колоны соответственно:

, (1.31)

кг/м 3 .

Следовательно, гидравлическое сопротивление сухой тарелки:

Па.

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения

где σ=20*10 -3 Н/м- поверхностное натяжение жидкости; d 0 =0,004 м - эквивалентный диаметр прорези.

Па.

Сопротивление газожидкостного слоя принимаем равным:

где h пж – высота парожидкостного слоя, м; ; k - отношение плотности пены к плотности чистой жидкости, принимаем к=0,5; h- высота уровня жидкости над сливным порогом, м. По таблице 3 h=0,01м.

Подставив, полученные значения получим гидравлическое сопротивление:

Сопротивление всех тарелок колонны:

где п- число тарелок.

Тогда: 2.2 Гидравлический расчет насадочной колонны аппарата бор рабочей скорости паров обусловлен многими факторами и обычно осуществляется путем технико-экономического расчета для каждого конкретного процесса. Для ректификационных колонн, работающих в пленочном режиме при атмосферном давление, рабочую скорость можно принять на 20% ниже скорости захлёбывания: (26) где...

Применяют, главным образом, при ректификации спирта и жидкого воздуха (кислородные установки). Для повышения к.п.д. в ситчатых тарелках (как и в колпачковых) создают более длительный контакт между жидкостью и паром. 2. Теоретические основы расчета тарельчатых ректификационных колонн Известно два основных метода анализа работы и расчета ректификационных колонн: графоаналитический (...

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 .