Определение основных геометрических размеров ректификационной колонны. Конструктивный расчёт ректификационной колонны Стандартные диаметры ректификационных колонн таблица

ГОСТ 12011-76*

Группа Г47

МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ

КОЛОННЫ РЕКТИФИКАЦИОННЫЕ С КОЛПАЧКОВЫМИ ТАРЕЛКАМИ ИЗ МЕДИ

Типы, основные параметры и размеры

Rectifying column with copper cap trays. Types, main characteristics and dimensions

Дата введения 1977-07-01

Постановлением Государственного комитета стандартов Совета Министров СССР от 03.06.76* N 1873 дата введения установлена 01.07.77
_______________
* В издании ГОСТ 12011-76 (М.: Издательство стандартов, 1976) приведена следующая информация: "Постановлением Государственного комитета стандартов Совета Министров СССР от 3 августа 1976 г. N 1873 срок действия установлен с 01.07.1977 г. до 01.07.1982 г". - Примечание изготовителя базы данных.

Ограничение срока действия снято Постановлением Госстандарта СССР от 27.06.91 N 1125

ВЗАМЕН ГОСТ 12011-66

* ПЕРЕИЗДАНИЕ (декабрь 1998 г.) с Изменением N 1 , утвержденным в апреле 1982 г. (ИУС 7-82)

1. Настоящий стандарт распространяется на ректификационные колонны с колпачковыми тарелками из меди, предназначенные для разделения смесей жидких компонентов в пределах температур от 273 до 523 К (от 0 до 250 °С) и при условном давлении не более 0,07 МПа (0,7 кгс/см), применяемые в пищевой (спиртовой), лесохимической и других отраслях промышленности.

2. Колонны должны изготовляться следующих типов:

1 - с многоколпачковыми тарелками;

2 - с одноколпачковыми тарелками.

3. Основные параметры и размеры колонн должны соответствовать указанным на черт.1 и 2 и в табл.1 и 2.

Черт.1. Основные параметры и размеры колонн. Тип 1

Тип 1

1 - верхняя царга; 2 - тарелка; 3 - промежуточная царга; 4 - нижняя царга

Таблица 1


		Высота при числе тарелок в промежуточной царге





800; 900; 1000; 1200

1400; 1500; 1600; 1800; 2000

Пример условного обозначения колонны типа 1 диаметром 1000 мм, с 5 тарелками в промежуточной царге и расстоянием между тарелками 170 мм:

Колонна 1-1000-5-170 ТУ ...

Черт.2. Основные параметры и размеры колонн. Тип 2

Тип 2

1 - верхняя царга; 2 - промежуточная царга; 3 - тарелка; 4 - нижняя царга

Черт.2

Таблица 2


		Число тарелок в промежуточной царге

Пример условного обозначения колонны типа 2 диаметром 1000 мм, с 6 тарелками в промежуточной царге и расстоянием между тарелками 240 мм:

Колонна 2-1000-6-240 ТУ ...

(Измененная редакция, Изм. N 1).

Электронный текст документа
подготовлен АО "Кодекс" и сверен по:
официальное издание
М.: ИПК Издательство стандартов, 1999

Рассчитаем диаметры основных штуцеров, через которые проходят известные по величине материальные потоки, а именно: штуцер подачи исходной смеси, штуцеры выхода паров из колонны, штуцер выхода кубового остатка.

Независимо от назначения штуцера его диаметр рассчитывают из уравнения расхода:

где V - объёмный расход среды через штуцер, м 3 /с; - скорость движения среды в штуцере, м/с;

Штуцер подачи исходной смеси

Принимая XF =1,5м/с, получим:

Скорость движения питательной смеси в штуцере:

Штуцер подачи флегмы:

Принимаем XR =1,0м/с,

Стандартный размер трубы для изготовления штуцера по ГОСТ 9941-62, 70x3 (внутренний диаметр d вн =70-3·2=64мм).

Скорость движения флегмы в штуцере:

Штуцер выхода кубового остатка:

плотность воды.

Принимаем XW =0,5м/с,

Стандартный размер трубы для изготовления штуцера по ГОСТ 9941-62, 95x4 (внутренний диаметр d вн =95-4·2=87мм=0,087м)

Скорость движения кубового остатка в штуцере:

Штуцер выхода паров из колонны:

Определяем среднюю плотность пара для верхней и нижней части колонны:

Принимаем у =25 м/с.

Выбираем стальную электросварную прямошовную ГОСТ10704-81 630х16, внутренний диаметр которой равен d вн =630-16·2=598 мм. Следовательно, скорость паров в штуцере:

Для всех штуцеров выбираем стандартные фланцы тип 1. Для штуцера подачи исходной смеси и флегмы выбираем фланец (ГОСТ 1235-54) с основными размерами d в =72мм, D 1 =130мм, D=160мм, b=11мм, D 2 =110мм, h=3мм, d=12мм, n=8шт. Фланец штуцера кубового остатка d в =97мм, D 1 =160мм, D=195мм, b=22мм, D 2 =138мм, h=4мм, d=16мм, n=8шт. Фланец штуцера для выхода паров из колонны d в =634мм, D 1 =740мм, D=770мм, b=11мм, d=24мм, n=20шт, (ГОСТ1255-54). Уплотнительный материал принимаем паронит марки ПОН (ГОСТ481-80).

Гидравлический расчёт

Цель гидравлического расчёта - определение величины сопротивлений различных участков трубопроводов и теплообменника и подбор насоса, обеспечивающего заданную подачу и рассчитанный напор при перекачке этанола.

Различают два вида сопротивлений (потерь напора): сопротивления трения (по длине) h 1 и местные сопротивления h мс.

Для расчёта потерь напора по длине пользуются формулой Дарси-Вейсбаха.

где л - гидравлический коэффициент трения;

l - длина трубопровода или тракта по которому протекает теплоноситель, м;

d - диаметр трубопровода, м;

Скоростной коэффициент напора, м.

Для расчёта потерь напора в местных сопротивлениях применяется формула Вейсбаха:

где о - коэффициент местных сопротивлений;

Скоростной напор за местным сопротивлением, м.

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 (...

Методика тепло – и массообменного расчета колонных аппаратов

Общая схема расчета колонных аппаратов

Целью расчета массообменного аппарата является определение конструктивных размеров, т.е. высоты и диаметра колонны, гидромеханических и экономических показателей ее работы.

Для расчета задано: 1) тип аппарата; 2) разделяемая смесь и поглотитель (абсорбент, экстрагент или растворитель, адсорбент); 3) производительность; 4) концентрации компонентов на входе и выходе из аппарата.

Требуется определить: 1) физические параметры смеси; 2) расход поглотителя или веса чистых компонентов (уравнение материального баланса); 3) движущую силу процесса; 4) коэффициенты массоотдачи и массопередачи; 5) построить кривую равновесия, рабочую линию и число ступеней изменения концентрации; 6) поверхность фазового контакта а конструктивные размеры; 7) количество подводимого или отводимого тепла (тепловой баланс); 8) гидродинамическое сопротивление аппарата; 9) механическую прочность и устойчивость; 10) экономические показатели работы колонны.

Основными конструктивными размерами являются ее диаметр и высота H . Эти величины взаимосвязаны, так как обе зависят от скорости пара в свободном сечении колонны.Диаметр колонны определяется в зависимости от скорости и количества поднимающихся в колонне паров

где – скорость пара, отнесенная к полному поперечному сечению колонны, м/с; – секундный объем поднимающихся паров, м 3 /с.

где – количество поднимающихся по колонне паров, кмоль/ч; средняя температура пара, град; – масса получаемого дистиллята из колонны; R– флегмовое число.

Если масса дистиллята выражена в кг/с, то объемный расход проходящего через колонну пара (м 3 /с)

Допустимая оптимальная скорость пара (м/с) в колонне

где G– коэффициент, зависящий от конструкции тарелок, расстояния между ними, давления и нагрузки колонны по жидкости (определяется по графику); – плотность жидкости, кг/м 3 ; – плотность пара, кг/м 3 .

Если ,то .

Скорость пара в колонне можно также определить по другим формулам, приведенным в литературе. Подсчитав диаметр колонны, подбирают по нормалям и определяют конструктивные размеры основных элементов колонны и тарелки, количество паровых патрубков, размеры колпачка, диаметр и количество сливных труб. Диаметр парового патрубка d = 50, 75, 100, 125, 150 мм. Задавшись диаметром d , определяют количество колпачков на тарелке. Сечение всех патрубков должно составлять 10 % сечения колонны. Тогда количество колпачков патрубков определяется из уравнения

Возвышение колпачка над паровым патрубком . Диаметр колпачка определяется из условия равенства скорости пара в паровом патрубке и кольцевом зазоре между колпачком и патрубком (м):

где d – толщина стенки патрубка, м. Возвышение уровня жидкости над верхним уровнем прорезей колпачков мм. Площадь сечения прорезей колпачка составляет 75 % площади сечения парового патрубка, т.е.

Принимают следующие размеры прямоугольных прорезей: ширина мм, высота мм, расстояние между прорезями мм. Минимальный зазор между колпачками равен 35 мм.

Диаметр сливного патрубка (м)

где – среднее количество стекающей жидкости, кг/с; – скорость жидкости в сливном патрубке, м/с; – плотность стекающей жидкости, кг/м 3 ; z = 1, 2, 4, 6, 8 – число сливных патрубков (зависит от и ).

Высота колонны зависит от скорости процесса массопередачи и определяется несколькими способами. Для барботажных колонн применяются в основном два способа.

Первый способ . Число тарелок определяется путем построения ступенчатой линии между кинетической кривой и рабочей линией.Высота тарельчатой колонны зависит от числа тарелок и расстояния между ними h , которое выбирается на основании опытных данных

Второй способ . Число действительных тарелок.

где – число ступеней изменения концентраций (теоретических тарелок, которое определяется графическим построением ломаной (ступенчатой) линии между кривой равновесия и рабочими линиями по диаграмме Y–X; - средний к.п.д. тарелки. Тогда

где h – расстояние между тарелками (в зависимости от скорости пара и давления в колонне принимается таким, чтобы свести к минимуму механический унос части жидкости парами), м.Для выбора h в зависимости от диаметра колонны можно использовать следующие данные: диаметр колонны, м – 0 - 0,6; 0,6 - 1,2; 1,2 - 1,8; 1,8 и более; расстояние между тарелками h, мм– 152, 305, 46О, 610. В ректификационных колоннах с круглыми колпачками, работающих под атмосферным давлением, расстояние между тарелками h = 250, 300, 350, 400, 450 мм. Обычно значение h находится в пределах 0,1 - 0,6 м.Для насадочных колонн высота насадки H также определяется двумя способами.

Первый способ . Требуемая высота слоя насадки

где , – число единиц переноса (определяется графическим построением ступеней, соответствующих единице переноса, если линия равновесия является прямой или близка к ней, то определяется аналитически:

где и – начальная и конечная концентрации низкокипящего компонента в паровой фазе; –равновесная концентрация низкокипящего компонента в паровой фазе (определяется по графику кривой равновесия).

Движущую силу можно выразить в единицах давления (упругости паров).

Высота единицы переноса (м)

где: – расход пара, кг/с; – средний коэффициент массопередачи, кг/(м 2 с); S – поперечное сечение колонны, м 2 ; s н – удельная смоченная поверхность насадки, м 2 /м 3 . Для определения коэффициента массопередачи используют диффузионный критерий Нуссельта– высота слоя насадки, эквивалентного одной ступени изменения концентрации или одной теоретической тарелке.Практически высота, эквивалентная одной теоретической тарелке, зависит от вида насадки и скорости пара (табл.1).

Таблица.1 - Зависимость высоты от вида насадки и скорости пара.

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

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

Материальный баланс колонны.

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

F – расход исходной смеси 5 кг/c;

W – расход кубового остатка кг/c;

P – расход дистиллята кг/c;

х F – концентрация легколетучего компонента в исходной смеси;

x W – концентрация легколетучего компонента в кубовом остатке;

x P – концентрация легколетучего компонента в дистилляте;

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

Расчет минимального флегмового числа

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

Рассчитываем R min в соответствии с формулой:

Расчет условно–оптимального флегмового числа

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

Для этого:

Задаемся ординатой В верх

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

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

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

Расчет мольной массы жидкости в верхней и нижней частях колонны.

Мольная масса исходной смеси:

Мольная масса дистиллята:

Расчет скорости пара и диаметра колонны

Диаметр колонны находим из уравнения расхода:

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

d – диаметр колонны, м;

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

 y – плотность пара, кг/м 3 .

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

Средние массовые расходы жидкости в верхней и нижней частях колонны: