ДИПЛОМ КАПКАЕВ 1 - копия. Терефталевая кислота (тфк) является важнейшим мономером в производстве полиэфиров, полиоксадиазолов, алкидных смол, пластификаторов и других полимерных материалов

• Название: Терефталевая кислота (тфк) является важнейшим мономером в производстве полиэфиров, полиоксадиазолов, алкидных смол, пластификаторов и других полимерных материалов
• Дата: 20.04.2022
• Размер: 1.48 Mb.
• Имя файла: ДИПЛОМ КАПКАЕВ 1 - копия.docx
• Тип: Документы; #487895
• страница: 3 из 9

6. Технологический расчет и подбор оборудования

6.1 Технологический расчет основного оборудования

6.1.1 Технологический расчет колонны регенерации растворителя с колпачковыми тарелками
Определение скорости пара и диаметра колонны

Определяем средние концентрации жидкости

- в верхней части колонны

, (6.1)



- в нижней части колонны

, (6.2)



Определяем средние концентрации пара по уравнениям рабочих линий

- в верхней части колонны



- в нижней части колонны



Средние температуры пара определяем по диаграмме t – x, y:

⁰C,

⁰C.

Средние мольные массы и плотности пара:

- в верхней части колонны

, (6.3)

где М_воды ,М_{укс.кислоты} – мольные массы воды и уксусной кислоты соответственно, кг/моль.



, (6.4)

где - средняя температура пара в верхней части колонны, К.



- в нижней части


, (6.5)

где - средняя температура пара в нижней части колонны, К.



Температура в верху колонны при равняется 100,4 ⁰С, а в кубе при она равна 116,4 0С.

Плотность воды при 100,4 0С равна 958 кг/м³, а уксусной кислоты при 116,4 0С 940 кг/м³.

Находим среднюю плотность жидкости в колонне



Скорость пара в колонне определяем по формуле;
, (6.6)

где С – коэффициент, при расстоянии между тарелками h = 0,5 м
С = 0,075.

- в верхней части колонны



- в нижней части колонны



Объёмный расход проходящего через колонну пара определяем

, (6.7)

где M_D – мольная масса дистиллята и кубового остатка кг/моль;

Т – температура в верхней части колонны, К;

Р – давление в верхней части колонны, МПа.

,



Диаметр колонны

, (6.8)

- верхней части колонны



- нижней части колонны



По результатам расчета диаметр верхней части равен 2,1 м а нижней – 2,45 м. Мы принимаем диаметр колонны по заводским данным с диаметром верха 2,95 м и диаметром низа – 3,35 м

Определение числа тарелок и высоты колонны

Наносим на диаграмму у – х рабочие линии верхней и нижней части колонны и находим число ступеней изменения концентрации n_T. В верхней части колонны 4 ступеней, в нижней 11 ступеней, всего 15 ступеней. Принимаем КПД тарелки 0,7, тогда количество тарелок в колонне составит n = 15/0,7 = 21.4 тарелок.

По данным расчета количество тарелок в колонне 21.4. Мы берем 22 тарелки, по заводским данным.

Высоту колонны определяем по формуле

, (6.9)

где h₁ – высота от верхнего днища до первой ректификационной тарелки, принимаем конструктивно равной ½ диаметра верхней части колонны h₁ =1,1 м;

h₂ , h₄ – высота верхней и нижней части колонны, определяют как

, (6.10)

где a – расстояние между тарелками, м;

n – количество тарелок.





h₃ – высота зоны питания, берут из расчёта расстояния между четырьмя тарелками, т.е h₃ = 1,5 м;

h₅ – высота от кубовой части до нижней тарелки, принимаем h₅ = 2 м;

h₆ – высота кубовой части, определяем исходя из запаса остатка на 10 минут по формуле

, (6.11)

где F – площадь поперечного сечения кубовой части, которая равна



V – объём уксусной кислоты в низу колонны из расчёта на 10 минут, определяемый по формуле

, (6.12)







По данным расчета высота колонны равна 30 м. Мы принимаем высоту колонны 35м, по заводским данным.

В соответствии с рассчитанным диаметром подбираем стандартную колонну и тарелки. Принимаем к установке колонный аппарат диаметром 3000 мм; колонна компонуется из однотопочных разъемных нормализованных тарелок типа ТСК –РЦ ОСТ 26-1111-74 с капсульными стальными колпачками. Общее число колпачков на тарелке – 129. Основные параметры приведены в таблице 6.1.

Таблица 6.1. - Основные параметры тарелки типа ТСК – РЦ ОСТ 26-1111-74

Диаметр колонны (внутр.) D, мм	Длина сливного борта L, мм	Рабочая площадь тарелки, %	Диаметр колпачка dк,мм	Число колпач ков	Число прорезей	Масса тарелки, кг
2000	1000	51,1	100	129	30	68,4

Нагрузку по жидкости на единицу длины сливной перегородки (борта) определяем по наиболее загруженной, нижней части колонны:

G_ж.н. = G_F + G_D∙R =8,64+ 1,05∙2,57 = 9,138 кг/с = 33546,6 кг/ч.

Объемный расход жидкости в нижней части колонны:

V_ж.н. = = = 44,47 м³/ ч.

Нагрузка по жидкости на единицу длины сливной перегородки:

м³/(м∙ч).

Фактическая нагрузка не превышает допустимую (65 м³/м∙ч) и это должно обеспечить равномерное распределение пара по сечению тарелки.

Проверяем, будет ли обеспечено полное открытие прорезей, необходимое для равномерного режима работы тарелок.

Скорость, необходимая для полного открытия прорезей:

, (6.13)
где - коэффициент сопротивления тарелки равный 4,5-5,0 ;

h_пр- высота прорези равная 0,02 м.

=3,34 м/с.

Площадь сечения всех прорезей:

S₀ = n_кол∙n_пр∙S_пр, (6.14)

где n_кол- количество колпачков на тарелке;

n_пр- число прорезей в колпачке;

S_пр- площадь прорези, м².

S₀ = 129∙30∙0,00008 = 0,3 м².

Отношение площади сечения прорезей к площади поперечного сечения колонны:

φ = , (6.15)

где F_к= 0,785∙D² = 0,785∙2² = 3,14 м² – площадь поперечного сечения колонны:

φ = = 0,098.

Фактическая скорость пара в прорезях:

= ω_п/φ = 0,9/0,098 = 9,18м/с.

Полное открытие прорезей будет обеспечено, так как

ω₀ = 9,18> ω^/ ₀ =3,34.

Гидравлическое сопротивление колонны

Δр_к = N_Д∙Δр_т, (6.16)

где N_Д- действительное число тарелок;

Δр_т- гидравлическое сопротивление колпачковой тарелки, Па.

Гидравлическое сопротивление колпачковой тарелки:

Δр_т = Δр_сух+ Δр_σ+ Δр_ст, (6.17)

где Δр_сух- сопротивление сухой тарелки, Па;

Δр_σ - сопротивление, вызываемое силами поверхностного натяжения, Па;

Δр_ст – статистическое сопротивление слоя жидкости на тарелке, Па.

Находим значение каждого из составляющих гидравлического сопротивления тарелки Δр. Расчет ведем для нижней части колонны, имеющей максимальную нагрузку по жидкости.

Определяем сопротивление сухой тарелки:

Δр_сух = = 5∙ = 842,7 Па.

Определяем сопротивление сил поверхностного натяжения:

Δр_σ = , (6.18)

где - поверхностное натяжение жидкости, Н/м;

d_э – эквивалентный диаметр отверстия, м.

Для колпачковых тарелок эквивалентный диаметр определяется соотношением:

d_э = , (6.17)

где П- периметр прорези, м;

П= 2∙(h_пр + b), (6.17)

где h_пр, b – высота и ширина прорези, м.

П= 2∙(0,02 + 0,004) = 0,048 м.

Отсюда,

d_э = = 0,00667 м.

Поверхностное натяжение рассчитываем по формуле:

σ_н = σ_А∙ _н.ср. + σ_В∙(1- _н.ср), , (6.18)

где σ_А, σ_В – поверхностное натяжение,

σ_н = 21,5∙10^-3∙0,11 + 19,5∙10^-3∙(1-0,11)= 19,72∙10^-3 н/м.

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения:

Δр_σ.н. = = 11,82 Па

Сопротивление столба жидкости на колпачковой тарелке:

Δр_ст = 1,3∙g∙k∙ρ_ж∙(1+ +Δh), , (6.19)

где g - ускорение свободного падения, м²/с;

k - относительная плотность пены (принимаем k=0,5);

ρ_ж- плотность жидкости, кг/м³;

1 – расстояние от верхнего края прорези до сливного порога, м; принимаем 1= 0,02;

Δh – высота уровня жидкости над сливным порогом, м;

Δh = 0,00284∙К∙( )^0,67, (6.20)

где К – коэффициент, учитывающий увеличение скорости и сужение потока жидкости в результате сжатия его стенками при подходе к сливной перегородке;

К = f( , ),, (6.21)

Коэффициент К определяем по рисунку ,

где L- длина сливного борта.

При = = 44,47 и = = 0,5 К=1,1.

Тогда высота уровня жидкости:

Δh = 0,00284∙1,1∙( )^0,67 = 0,039 м.

Сопротивление парожидкостного слоя на тарелке:

Δр_ст.н. = 1,3∙9,8∙0,5∙754,3∙(0,02+ +0,039) = 331,53 Па.

Общее сопротивление тарелки:

Δр_т.н. = 842,7+ 9,69+ 331,53 = 1183,92 Па.

Сопротивление всей тарельчатой части колонны:

Δр_к = 512,34∙20 = 23678,4 Па.

Минимально допустимое расстояние между тарелками, необходимое для нормальной работы тарелок:

h_мт>1,8∙ ., (6.22)

В нашем случае:

1,8∙ = 0,28 м.

Принятое расстояние между тарелками h_мт = 450 мм вполне обеспечивает работу гидрозатвора в переливном устройстве тарелки.
6.1.2 Технологический расчет колонны регенерации растворителя с клапанными тарелками

Определение скорости пара и диаметра колонны

Определяем средние концентрации жидкости

- в верхней части колонны

, (6.23)



- в нижней части колонны

, (6.24)



Определяем средние концентрации пара по уравнениям рабочих линий

- в верхней части колонны



- в нижней части колонны



Средние температуры пара определяем по диаграмме t – x, y:

⁰C,

⁰C.

Средние мольные массы и плотности пара:

- в верхней части колонны

, (6.25)

где М_воды ,М_{укс.кислоты} – мольные массы воды и уксусной кислоты соответственно, кг/моль.



, (6.26)

где - средняя температура пара в верхней части колонны, К.



- в нижней части


, (6.27)

где - средняя температура пара в нижней части колонны, К.



Температура в верху колонны при равняется 100,4 ⁰С, а в кубе при она равна 116,4 0С.

Плотность воды при 100,4 0С равна 958 кг/м³, а уксусной кислоты при 116,4 0С 940 кг/м³.

Находим среднюю плотность жидкости в колонне



Рассчитываем величину комплекса:

(6.28)

Принимаем G_ж=13625.73 кг/ч; G_п=17468.8 кг/ч; ρ_п=4,25 кг/м³; ρ_ж=874 кг/м³



Принимаем значение коэффициента С=0,1

Найдем скорость пара в рабочем сечении колонны (ω_ρ), м/с:

(6.29)

где φ – фактор вспениваемости жидкости;

ρ_ж и ρ_п – плотность жидкости и пара.

.

Найдем объемный расход пара в колонне (V_п):

(6.30)

где G_п=17468.8 кг/ч

ρ_п=4,25 кг/м³



Найдем рабочую площадь тарелки (F_р):

(6.31)

где V_р – объемный расход пара в колонне, м³/с;

ω_р – скорость пара в рабочем сечении колонны, м/с.



В соответствии с рассчитанным диаметром подбираем стандартную колонну и тарелки. Основные параметры приведены в таблице 6.2.
Таблица 6.2. - ГОСТ 16452-79 Тарелки клапанные прямоточные однопоточные для аппаратов колонного типа. Основные параметры и размеры

Диаметр колонны (внутр.) D, мм	Периметр слива П, м	Длина пути жидкости по тарелке Iж м;	Площадь прохода пара F0 м2	Число клапанов	Зазор под сливным стаканом α, м	Масса тарелки, кг
2000	4.5	0,48	0,327	1400	0.09	48,4

Найдем высоту подпора жидкости над сливным порогом (h_сл):

^0,67, (6.32)

где V_жд – действительный расход жидкости, протекающий через переливное устройство, м³/с;

П – периметр слива, м.

^0,67=0,023 м,

где м³/с.

Высота сливного порога (h_пор):

, (6.33)

где h_г.б - глубина барботажа:

, (6.32)





Найдем высоту пены образующейся на тарелке (h_пн):

(6.33)

где h_сл - высота подпора жидкости над сливным порогом, м;

h_пор – высота сливного порога на тарелке, м.

.

Найдем высоту относительного уноса жидкости (У):

(6.34)

где σ – поверхностное натяжение жидкости на границе с паром, Н/м;

h_сл – высота пены образующейся на тарелке, м.



Следовательно, расстояние между тарелками выбрано правильно.

Найдем действительную нагрузку сливного устройства по жидкости (V_жд):
(6.35)

где V_жд – действительный расход жидкости, протекающий через переливное устройство, м³/с;

П – периметр слива, м.



Найдем действительную величину подпора жидкости над сливным порогом (h_сл):

,

мало отличается от ранее рассчитанной h_сл=0,023 м.

Проверим работоспособность сливного устройства тарелки, для этого рассчитаем скорость жидкости в сливном устройстве (ω_ж.сл):



где F_сл – площадь сливного устройства тарелки, м².



в соответствии с зависимостью комплекс:



Следовательно, условие соблюдается и захлебывания сливного устройства не произойдет.

Найдем скорость жидкости в зазоре между основанием тарелки и нижней кромкой сливного стакана:

(6.36)


Из проведенных расчетов следует, что тарелка обеспечивает нормальную работу сливных устройств.

Найдем сопротивление сухой тарелки (Δρ_сух):


где Δh – перепад уровня жидкости на тарелке по пути ее движения, м.



где скорость пара в паровых патрубках равна (ω₀):
, (6.37)


Найдем коэффициент сопротивления для клапана диаметром D_кл=100 мм (ζ):
, (6.38)



Найдем величину перепада уровня жидкости на тарелке (Δh):

, 6.39)

где λ_э – эквивалентный коэффициент сопротивления перетоку жидкости по тарелке;

ι_ж – длина пути жидкости на тарелке, м;

П – периметр слива, м;

V_ж - расход жидкости, текущей по тарелке, м³/с.





Найдем сопротивление слоя жидкости на тарелке (Δρ_ж):

(6.40)

где Δh – перепад уровня жидкости на тарелке по пути ее движения, м.



Найдем общее сопротивление тарелки (Δρ):
, (6.41)



Для окончательного выбора колонны определяем количество тарелок в ней:



принимаем количество тарелок 28.

Найдем общую высоту колонны (Н), м:

(6.42)

где n_т – количество тарелок в колонне;

H_т – расстояние между тарелками;

Н_сеп – высота сепарационной части колонны;

Н_куб – высота кубовой части колонны.



Результаты расчета показали, что указаны исходным данным отвечает колонна диаметром 3000 м, и высотой 35 м с клапанными тарелками.

Определение и сравнение КПД колпачковых и клапанных тарелок для диаметра колонны D =2950 мм, расход пара 2,58 м³/с.

Скорость пара при заданных диаметрах:

= =0.39м/с

По графику на рисунке 6 определяем КПД тарелок



Рисунок 6 - Зависимость эффективности тарелок различных конструкций от скорости пара в полном сечении колонны: 1 - клапанная тарелка; 2 - колпачковая тарелка; 3 - ситчатая тарелка; 4 - провально решетчатая тарелка.

.

Принимаем КПД колпачковой тарелки 0,70, клапанная тарелки 0,85.

Исходя из полученных данных целесообразнее и экономичнее будет применить клапанную тарелку при диаметра колонны 2.95 м.
6.2 Механический расчет колонн регенерации растворителя
Исходные данные:

Высота обечайки L = 35000 мм; внутренний диаметр D = 2950 мм; материал корпуса и рубашки- листовой прокат из стали 16ГС (ГОСТ 380 - 71); скорость коррозии П= 0, 1 мм/год; срок эксплуатации τв = 20 лет.

Температура в корпусе: расчетная 165С,

рабочая 118С

Давление в корпусе: расчетное 0,23 МПа (2.3 кгс/см²)

рабочее 0,02 МПа (0,2 кгс/см²) 4000

Объем: 4.85 м³

Масса: 4357 кг

Среда: в корпусе - уксусная кислота, нормальный бутилацетат, вода

Расчет толщины стенки обечайки

Толщину стенки обечайки, работающие под внутренним давлением, рассчитывают по формуле:

, (6.43)

где - прибавка на коррозию к толщине обечайки,

, (6.44)

где - толщина стеки обечайки, м;

- расчетное давление, МПа;

- внутренний диаметр сосуда, м;

- допустимое напряжение, МПа.

Для определения допустимого нормативного напряжения определяем расчетную температуру стенки

- для материала корпуса

t_расч. = t_c = 165°C, так как температура среды положительна.

Для стали 16ГС и расчетной температуры равной 165⁰С

=102.8 МПа,

Допускаемое напряжение σ*:

- в рабочем состоянии допустимое напряжение , МПа, рассчитываем по формуле:

, (6.45)

где - допустимое нормативное напряжение, МПа;

- поправочный коэффициент.

[σ] = 1 *102.8= 102.8МПа,

η = 1, так как аппарат изготавливается из листового проката;

- при испытаниях , МПа, рассчитываем по формуле:

[σ]_и = 200 МПа, - для материала корпуса

σ_τ20 - расчетное значение предела текучести 

σ_τ20 = 200 МПа - для стали 16ГС при +20 °С.

Расчетную толщину стенки цилиндрической обечайки ищем по формуле:

SР =max{	мм	}= 3.6 мм

Пробное давление при гидравлическом испытании корпуса определяем по формуле при:

(6.46)

=

Коэффициент прочности продольных сварных швов обечайки φ = 1, так как принято, что швы с двусторонним сплошным проваром выполняются автоматической сваркой

Прибавка к расчетным толщинам конструктивных элементов определяется по формуле:

с = с_к + с₂ + с₃, (6.47)

где: с₁ - прибавка для компенсации коррозии и эрозии:

с₂ - прибавка для компенсации минусового допуска;

с₃ - технологическая прибавка.

- для компенсации коррозии:

с_к = Пτ_в + c_э;

с_к = Пτ_в = 0,1 *· 20 = 2,0 мм,

Исходя из условий проведения процесса, примем

с_э = 0.

с₂ = с₃ = 0

Исполнительная толщина стенки цилиндрической обечайки

S_исп = s_р + с + с₀ =3.6 + 2,0 = 5.6мм

Выбираем ближайшее большее стандартное значение S_исп =6 мм

Проверка условий применимости формул безмоментной теории:





0,002< 0,1, условие применимости формул выполняется.

Расчет толщины днища и крышки

Наиболее рациональной формой для цилиндрических аппаратов является эллиптическая. Эллиптические днища и крышки изготавливаются из листового проката штамповкой и могут использоваться в аппаратах с избыточным давлением до 10 МПа. Крышки и днища подбирают стандартными по таблицам из справочной литературы.

Толщина днища:

SР =max{	мм	}= 2.64 мм

R =D²\4H_{дн =} 2060²\4*510 = 2180 мм

Исполнительная толщина стенки конического днища листового фильтра:

s = s_к.р. + с + с₀ = 2.64+ 2,0 =4,64 мм

Проверка условия применимости

; 0,0012 < 0,1

условие применимости формул выполняется.

Принимаем толщину крышки равной толщине обечайки .

Подбираем стандартные стальные отбортованные днище и крышку по (ГОСТ 6533-68)

Расчёт и подбор штуцеров

Расчёт и подбор штуцеров по формуле:

(6.48)

где - скорость движения жидкости или пара, принимаем скорость движения жидкости равную 1,0 м/с, для пара – 20 м/с.

Штуцер для ввода исходной смеси:



По ОН 26-01-34-66 принимаем штуцер с .

Штуцер для ввода флегмы:



По ОН 26-01-34-66 принимаем штуцер с .

Штуцер для отвода кубового остатка:



По ОН 26-01-34-66 принимаем штуцер с .

Штуцер для вывода паров дистиллята:











По ОН 26-01-34-66 принимаем штуцер с .

Штуцер для ввода паров кубовой смеси:











По ОН 26-01-34-66 принимаем штуцер с .

Расчет опор аппарата

Установка химических аппаратов на фундаменты или специальные несущие конструкции осуществляется большей частью с помощью опор.

Для установки нашего вертикального аппарата будем использовать опоры для вертикальных аппаратов.

Для того чтобы выбрать опору, необходимо рассчитать вес всего аппарата в рабочем состоянии.

Вес всего аппарата:



Рассчитаем толщину ребра по формуле:

(6.49)

где - максимальный вес аппарата при гидроиспытании, МН;

- число опор, используем 1 опоры;

- число ребер в опоре, принимаем 4;

- допускаемое напряжение на сжатие (примем равным 100 МН/м²);

- вылет опоры, м;

- коэффициент, примем равным 0,6.



Принимаем толщину ребра, равную 10 мм.

6.3 Расчет вспомогательного оборудования

6.3.1 Расчет теплообменника
В качестве вспомогательного оборудование рассчитываем горизонтальный U – образный теплообменник

Исходные данные:

Площадь теплообмена – 28 м²;

Длина кипятильника – 4200 мм;

Диаметр кожуха – 450 мм;

Количество трубок – 78 шт;

Длина трубок – 3000 мм

Диаметр трубок – 20*2 мм

По трубному пространству: п-бутилацетат – 45%, вода – 39%, метилацетат – 16%.

По трубному пространству вода с t = 105°С.

Справочные данные холодного теплоносителя при t = 55°С:

удельная теплоемкость с = 4185,81 Дж/кгК

теплопроводность λ = 0,645 Вт/мК ;

плотность ρ = 988 кг/м³ ;

динамический коэффициент вязкости μ = 0,509 10^-3 Пас.

Количество холодного теплоносителя Q_сырья = 20,4 т/ч.

Справочные данные воды при t = 105°С:

удельная теплоемкость с_ВОДА = 4252,85 Дж/кгК ;

теплопроводность λ_ВОДА = 0,683 Вт/мК ;

платность ρ_ВОДА = 951 кг/м³ [ 4 ];

динамический коэффициент вязкости μ_ВОДА = 0,516 10^-3 Пас ;

Определим средний температурный напор

Принимаем схему направления движения теплоносителя при теплообмене противотоком

t ₁ t₂

t _вых t_вх

Δt_max = t₁ - t_вых = 105-40 = 65 ⁰С

Δt_min = t₂ - t_вх = 105-70 = 35 ⁰С

т.к. при Δt_max / Δt_min < 2, то t_ср рассчитываем по формуле:

(7.1)

°C

Тепловая нагрузка аппарата

Q = Q_сырья · с_ср · t, (7.2)

где с_ср – удельные теплоемкости метилацатата(МА) и п-бутилацетата(НБА), Дж/кгК.



(7.3)









(7.4)



Q = 5,67 · 3355,42 · 55 = 1046388 Вт

Количество горячего теплоносителя

(7.5)

где Q – количество тепла, Дж/кг;

r – удельная парообразования, Дж/кг.



Ориентировочная поверхность теплообмена

, (7.6)

где k - коэффициент теплопередачи, принимаем k = 800 по справочной литературе [6], Вт/м²К ;

t_ср – средняя разница температур теплоносителей, ^оС.



Рассчитываем коэффициент теплопередачи k по формуле:

(7.7)