Аппарат колонного типа установки четкой ректификации ксилолов

метки: Ксилол, Производство, Давление, Колонна, Данные, Рисунок, Подача, Продукт

Основными направлениями развития нефтеперерабатывающей отрасли является повышение эффективности использования нефти, обеспечение дальнейшего углубления ее переработки, сокращения потерь нефти и нефтепродуктов, и, разумеется, повышение качества выпускаемых нефтепродуктов.

В настоящее время производство ароматических углеводородов входит в состав современного нефтеперерабатывающего предприятия. Поэтому актуальным является вопрос расчета, подбора и содержания технологического оборудования в рабочем состоянии.

В дипломном проекте рассмотрено технологическое оборудование одной из установок производства ароматических углеводородов — установки четкой ректификации ксилолов. Установка чёткой ректификации ксилолов предназначена для выделения из комбинированного сырья — продуктов платформинга, изомеризации и трансалкилирования смеси ксилолов ароматических углеводородов С ₈ , товарного ортоксилола и ароматических углеводородов С₉ , С₁₀ .

В процессе работы решались задачи, связанные с конструированием колонного аппарата, подбора теплообменного оборудования, ремонтом оборудования, определением технико — экономических показателей установки и экологичностью и безопасностью эксплуатации производства.

1. Литературный обзор

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/proizvodstvo-ksilolov/

1.1 Производство ароматических углеводородов

Значение производства ароматических углеводородов постоянно увеличивается, так как применение получаемых на их базе химических продуктов и синтетических полимеров непрерывно расширяется. Основными ароматическими углеводородами являются бензол, ксилолы, в том числе изомеры ксилола (параксилол, ортоксилол, метаксилол), толуол. Конфигурация комплекса ароматических углеводородов все время видоизменяется. Это зависит от вида используемого сырья, соотношения спроса на отдельные ароматические углеводороды и цен на них.

Ароматические углеводороды получаются на нефтеперерабатывающих заводах в процессе риформинга, направленного специально на увеличение содержания бензола, толуола и ксилолов в рафинате. Ароматические углеводороды извлекаются из рафинатов или пироконденсата методами экстракции, экстрактивной дистилляции, адсорбции. Кроме этого существуют различные методы взаимного превращения ароматических углеводородов, например, деметилирование толуола в бензол, диспропорционирование смеси толуола и ксилолов в бензол и изомеры ксилолов, изомеризация ксилолов. В настоящее время ежегодно выпускаются около 90 миллионов тонн бензола. Предполагается, что рост спроса на бензол увеличится почти на 4 % в год в связи с тем, что рынок конечных продуктов, таких как полистирол, поликарбонаты, фенольные смолы и нейлон, быстро развивается. Спрос на ксилолы зависит от роста спроса на параксилол, важнейшим по количеству изомером. Ожидается, что потребность в данном изомере будет расти не более 5 % в год [1].

Расчет ректификационной колонны для разделения бинарной смеси бензол-толуол

... вещества, кг/кмоль. КомпонентM, кг/кмоль?204 Найдем энтальпии бензола h Б, HБ и толуола hТ, HТ при различных температурах по ... контактных ступеней, недостаточный для получения желательной чистоты продуктов, увеличивается благодаря объединению группы ступеней, представляющие единый ... перенос вещества между фазами идет непрерывно. Механизм работы насадочной колонны не состоит из отдельных ...

1.2 Современные установки фракционирования ксилолов

«Uhde» и ароматические углеводороды

На основе глубоких знаний в области технологии экстрактивной дистилляции, немецкая компания «Uhde», в своей превосходно оборудованной лаборатории разработала наиболее современные схемы технологических процессов по извлечению из самых разных исходных материалов ароматических углеводородов и других продуктов таких, как бутен, альфаолефины, изопропилбензол, изопрен и фенолы.

Технология фракционирования.

Десятилетиями технологии дистилляции были одной из главных сфер работы компании «Uhde». Начиная с дистилляции углеводородов С ₂ и С₃ до дистилляции углеводородов С₉ и С₁₀ , с дистилляции сырой нефти до дистилляции чистых компонентов, компания «Uhde» в состоянии предлагать подходящую технологию фракционирования для всевозможных углеводородов.

Наш широкий опыт эффективно поддерживается работой нашей лаборатории и тестированием на пилотных установках. В лаборатории проводится определение данных по равновесию углеводородов и моделирование данных на стандартных имитаторах технологических процессов, а эти находки и модели могут быть апробированы и проверены на пилотных установках.

Традиционный метод дистилляции.

Опыт компании «Uhde» включает в себя традиционные способы дистилляции с использованием тарельчатых колонн, а также колонн с неупорядоченными и упорядоченными насадками.

Дистилляция в колонне с разделительной перегородкой.

Если возникает необходимость в разделении более двух фракций с помощью дистилляции перед инженером всегда стоит вопрос, какая схема технологического процесса самая эффективная. Схемы с термодинамически полностью сопряженными колоннами имеют определенные энергетические преимущества над стандартными методами фракционирования. Последние технологические разработки, однако, заложили основу подходящих методов расчета и формулирования общих правил термодинамического моделирования. В результате этого были разработаны средства проектирования, которые позволяют использовать колонну с разделительной перегородкой и ее термодинамические преимущества, которые обеспечивают:

• уменьшение инвестиций на максимум 20 %;
• снижение энергозатрат на максимум 35 %;
• уменьшение требуемой площади на максимум 40 %.

Компания «Uhde» успешно внедрила эту технологию в установки по получению ароматических углеводородов. Две колонны с разделительной перегородкой промышленного масштаба для производства были только что пущены в эксплуатацию.

Технология колонны с разделительной перегородкой хорошо зарекомендовала себя для реконструкции установок, увеличения производительности, повышения качества и выхода продукции. Перевооружение существующего оборудования может быть проведено в течение лишь одной недели, т. е. в ходе кратковременной остановки при низких потерях продукции (рисунок 1.1).

За счет этого перевооружения фирме «Ruhr Цl GmbH» не пришлось устанавливать вторую колонну для удаления бензола в целях выполнения более строгих норм по содержанию бензола в автомобильном бензине (рисунок 1.2) [3].

Рисунок 1.1 — Колонна с разделительной перегородкой

Рисунок 1.2 — Установка колонны

1.3 Основное оборудование установок фракционирования ксилолов

Данная установка предназначена четкой ректификации производства мономеров. Она состоит из колонны разделения, печей и АВО и теплообменников. Но смысл данной установки в том в том, что подается в колонну разделения.

Суммарные ксилолы, получаемые на установках каталитического риформинга лигроиновых фракций, выделяются из катализа риформинга при помощи процесса Парекс, который разработала американская компания UOP. Абсорбированное выделение параксилола, изомеризация ксилолов (изомар), трансалкилирование ароматики (таторей), термодеалкилирование толуола.

С этим процессом хорошо сочетается еще одна технологическая разработка компании UOP — процесс Изомар, в котором осуществляется изомеризация продуктов головной колонны процесса Парекс. Сочетание двух этих процессов обеспечивает высокий выход ортоксилола и параксилола. Это и есть установка фракционирования ксилолов. Краткая характеристика оборудования представлена в таблице 1.3 [2].

(тип, наименование аппарата, назначение)	Номер позиции по схеме, индекс	шт	Техническая характеристика
ксилолов	К-1	2	Объем, м 3 — 3582,265.
2. Колонна выделения ортоксилола	К-2	1	Объем, м 3 — 548,920.
фракционирования ксилолов	П-1	2
	П-1	2
	Н-2	4	Количество оборотов, об/мин — 1490.
		4	Количество оборотов, об/мин — 1490.
	Н-4	2	Количество оборотов, об/мин — 2960.

Верхний продукт (головной погон) с температурой не выше 155 °С, выводится из колонн К-1, проходя трубчатые теплообменники и охлаждается до температуры не выше 140 С поступая в ёмкость орошения Е-1.

При максимальном значении давления в колоннах 0,065 МПа срабатывает световая и звуковая сигнализации, а при достижении давления 0,18 МПа — блокировка и закрываются клапаны — отсекатели на линиях топливного газа к основным горелкам печей, на линиях подачи и возврата жидкого топлива к форсункам печей П-1.

Из ёмкостей орошения Е-1, насосами Н-2 , головной погон с расходом 120 ч 570 м³ /ч подаётся в качестве орошения на первые тарелки колонн К-1.

Балансовый избыток головного погона из ёмкостей Е-1, Н-2 подаётся в сырьевую ёмкость. Расход балансового избытка регулируется приборами по показаниям (содержание параксилола, метаксилола и нафтенов — парафинов) автоматических анализаторов, анализирующих состав потока на 130-х тарелках колонн К-1. Точки отбора анализов состава потока выбраны с учетом большой инерционности колонн К-1.

Рисунок 3.1 — Принципиальная схема секции фракционироания

Именно при возрастании содержания параксилола и метаксилола на 130-ых тарелках, необходимо уменьшить расход орошения в колонны К-1 и увеличить задание на откачку балансового избытка головного погона в ёмкость. Продукт низа колонн К-1 (смесь ортоксилола и ароматических углеводородов С₉ ,С₁₀ ) с температурой не выше 210 °С насосами подается в печи П-1, балансовый избыток — на загрузку колонны выделения ортоксилола. В печи П-1 продукт низа колонн подается 12-ю потоками, где нагревается до температуры не выше 213 °С на выходе из печей и подается в виде «горячей струи» под 180-ю тарелку колонн К-1. Постоянство подвода тепла к низам колонн К-1 поддерживается по косвенному показателю — перепаду давления на диафрагме, и температуры установленных на линиях вывода «горячей струи» из печей П-1соответственно.

Расход продукта низа колонн К-1 не менее 43 м³ /ч по каждому из 12-и потоков в печи П-1 регулируется приборами, клапаны которых установлены на каждом из 12-ти потоков перед подачей в печи. При минимальном расходе 43 м³ /ч по каждому из потоков срабатывает световая и звуковая сигнализации, а при расходе 25 м³ /ч по первому и двенадцатому потокам одновременно — блокировка, при которой закрываются клапаны — отсекатели на линиях топливного газа к основным горелкам печей, на линиях подачи и возврата жидкого топлива к горелкам печей П-1.

Проектом предусмотрена работа печей П-1 на газообразном, жидком и комбинированном топливах. Давление газообразного топлива (топливный газ) перед основными горелками регулируется приборами. При достижении давления топливного газа 0,07 МПа, к пилотным горелкам срабатывает световая и звуковая сигнализации, а при давлении 0,035 МПа — блокировка и происходит закрытие клапанов — отсекателей. Давление жидкого топлива к горелкам печей не более 0,8 МПа регулируется приборами, клапаны которых установлены на линиях подачи жидкого топлива к горелкам печей. Избыток жидкого топлива выводится в общую систему комплекса по производству ароматических углеводородов. Для распыления жидкого топлива и полноты его сгорания, в печи П-1 подаётся пар среднего давления (пар распыления).

Перепад давления пара распыления — жидкое топливо не менее 0,2 МПа регулируется приборами, клапаны которых установлены на линиях подачи пара распыления. Давление пара распыления контролируется приборами при понижении которого ниже 0,53 МПа срабатывает световая и звуковая сигнализации, а при давлении 0,2 МПа — блокировка, при которой закрываются клапаны — отсекатели на линиях подачи и возврата жидкого топлива к горелкам печей П-1.

Температура уходящих дымовых газов из печей П-1 на выходе из камер радиаций не выше 846 °С, из камер конвекций не выше 420 °С. Содержание кислорода (О2) и моноокисида углерода (СО) в дымовых газах на выходе из камеры конвекции определяется с помощью анализаторов для печи П-1.Балансовый избыток продукта низа колонн К-1 с расходом не более 40 м³ /ч по каждой из подается на 47-ю или 55-ю тарелки колонны параллельно работающей колонны с коррекцией по уровням колонн К-1.

Основными факторами, влияющими на показатели процесса установки фракционирования ксилолов, является температура колонны, расход орошения, давление [3].

Температура.

При прочих равных условиях, заданных составах дистиллята и остатка, давление в колонне и других — подвод тепла в колонну минимален, случае подачи жидкой исходной смеси, предварительно нагретой до температуры кипения на питающей тарелки. Известна следующая закономерность процесса ректификации: по мере снижения температуры ввода сырья увеличивается теплоподвод в нижнюю часть колонны; в тоже время уменьшается флегмовое число, то есть сокращается тепло, вводимое в колонну исходной смесью и через кипятильник. Этой закономерностью можно объяснить выгодность использование колонн с двумя-тремя вводами исходной смеси одного и того же состава на различные тарелки. При вводе верхнего потока сырья с более низкой температурой облегчается состав и уменьшается количество паров, поступающих в укрепляющую секцию колонны, в связи с чем сокращается расход орошения. Относительно горячий нижний поток сырья приводит к более полному извлечению низкокипящих компонентов из жидкости, стекающей с нижних тарелок и к уменьшению расхода тепла в кипятильнике. Температурный режим колонны ректификации является основным фактором, влияющим на показатели процесса. Температурный режим подбирают в зависимости от качества сырья и качества верхних и нижних продуктов. В оптимальном варианте температурный режим устанавливается на уровне, обеспечивающим хорошую сепарацию и экономичную работу колонны.

Расход орошения.

Подача тепла и количество орошения (рефлюкса) являются наиболее важными переменными при перегонке. По мере уменьшения количества рефлюкса, чистота верхнего и нижнего продукта снижается, так как падает степень ректификации на каждой тарелке. С увеличением тепла и рефлюкса улучшается качество верхнего и нижнего продукта. Однако увеличению подачи рефлюкса и тепла в колонну существует предел, при котором колонна «захлебывается», то есть большой объем выходящей паровой фазы препятствует стеканию флегмы по тарелкам колонны. В этот момент вырастает перепад давления по колонне и ухудшается качество верхнего и нижнего продукта колонны.

Давление.

При перегонке, давление в колонне не является рабочей переменной. Однако это не означает, что степень ректификации не меняется с изменением давления. Выбор давления в колонне прежде всего предопределяется температурным режимом перегонки. Повышение давления чаще всего ухудшает условия ректификации, возрастает необходимое число тарелок и кратность орошения. Наиболее четкая ректификация происходит при пониженном давлении. Ёмкость Е-1 находятся под азотной подушкой для исключения контакта с окружающей средой (попадания воздуха).

Поэтому подача азота в ёмкости должна быть постоянной с продувкой на факел.

Наиболее эффективная работа колонн К-1 достигается правильной работой хроматографов, которые анализируют состав потока на 130-ой тарелке каждой колонны. Содержание пара и метаксилола на 130-ой тарелке изменяется раньше, чем в нижнем продукте колонны, что позволяет своевременно принять меры для корректировки. Примерные показания хроматографов таковы:

• метаксилол — до 45 % шкалы прибора (вся шкала 5 % массового содержания в анализируемой пробе);
• параксилол — до 40 % шкалы прибора (вся шкала 1 % массового содержания в анализируемой пробе).

3.2 Подбор основного оборудования к технологической схеме, Основным оборудованием блока выделения ароматики С ₈ является:

— ректификационная колонна К-1, оснащенная 180-ю клапанными тарелками и имеющая высоту 97100 мм, диаметр — 7050 мм;

• теплообменник горизонтальный Т-1, с неподвижной трубной решеткой диаметром 1200 мм;
• емкость для орошения Е-1;
• печь П-1 для поддержания теплового баланса;
• насос Н-1 для подачи сырья в колонну;
• насос Н-2 для подачи углеводородов в качестве орошения на первую тарелку;
• насос Н-3 для подачи продукта низа колонны в печь;
• насос Н-4 для подачи «горячей струи» в качестве теплового баланса.

  4.

Механический раздел

4.1 Определение диаметра колонного аппарата

Диаметр ректификационной колонны зависит от физических свойств разгоняемых жидкостей, производительности колонны по пару, четкости ректификации, конструкции устройств, обеспечивающих массообмен.

Выполним проверочный расчет диаметра колонного аппарата.

Рассчитали ректификационную колонну с колпачковыми тарелками при следующих исходных данных: нагрузка по пару: Gп = 220000 кг/ч; нагрузка по жидкости: Gж = 880000 кг/ч; плотность паров: сп = 25 кг/м; плотность жидкости: сж =880 кг/м.

В качестве сырья ортоксилол от 110 до 120 ^о С, в качестве орошения — параксилол от 220 до 230 ^о С.

Предварительно принимаем расстояние между тарелкам Hт = 0,5м и коэффициент спениваемости ц = 0,9., Рассчитаем величину комплекса по формуле

, (4.1)

гдеG _ж — расход жидкой фазы, кг/ч;

G _п — расход орошения, кг/ч;

с _ж — плотность жидкой фазы, кг/м³ ;

с _п — плотность орошения, кг/м³ .

Подставив исходные данные в формулу, получим, Скорость пара в рабочем сечении колонны рассчитаем по формуле

, (4.2)

гдеС — коэффициент, зависящий от величины комплекса и высоты теоретической ступени, С = 0,07.

Подставив исходные данные в формулу, получим

м/с.

Объемный расход пара в колонне рассчитаем по формуле

. (4.3)

Подставив исходные данные в формулу, получим

м ³ /с.

Рабочую площадь тарелки найдем по формуле

(4.4)

Подставив исходные данные в формулу, получим

м ² .

По данным таблицы 4 [4], полученной расчетным путем величине рабочей площади тарелки соответствует значение внутреннего диаметра колонного аппарата равного 7000 мм согласно ГОСТ 9617-76.

4.2 Подбор массообменных устройств

В данном колонном аппарате в качестве массообменных устройств используются клапанные однопоточные тарелки.

Клапанные тарелки применяют в аппаратах с целью увеличения диапазона нагрузок по газу. Принцип работы таких тарелок основан на том, что отверстия, через которые проходит газ, перекрыты клапанами, степень открытия которых зависит от нагрузки по газу.

Клапанные тарелки — это тарелки с переменным проходным сечением газа или пара, которое изменяется с изменением нагрузки колонны по газу (пару).

Клапаны представляют собой крышки той или иной конструкции, прикрывающие отверстия на тарелке под действием собственной массы и давления слоя жидкости. При малых нагрузках по газу клапан открывается незначительно и сечение для прохода газа также мало. По мере увеличения нагрузки клапан открывается сильнее, увеличивая свободное сечение для прохода газа (рисунок 4.1).

Таким образом, скорость газа при различных нагрузках остается одинаковой, что обеспечивает устойчивую работу тарелки в широком диапазоне нагрузок без провала жидкости. Уровень жидкости на тарелке определяется высотой сливного порога над ней. Конструктивные особенности клапанных тарелок (рисунок 4.2) позволяют сохранять высокую интенсивность массопередачи почти во всем допустимом интервале изменения нагрузок колонны при приблизительной стабильности сопротивления тарелок.

Расстояние между клапанными тарелками в колонне устанавливается 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1,0 и 1,2 м. Шаг расположения клапанов на секциях — 50 мм. Площадь свободного сечения клапанных тарелок составляет от 8 до 15 % общей площади сечения колонны. Наиболее устойчивые в работе балластные клапаны, в которых легкий клапан помещен внутри более тяжелой балластной детали так, что при небольшие расходах газа поднимается лишь один легкий клапан, а при больших — вместе с балластной деталью.

Рисунок 4.1 — Конструкция тарелки с двумя зонами контакта фаз

Диаметр круглых отверстий в клапанных тарелках обычно равен 40 мм; диаметр клапана — 50 мм, толщина — 2 мм, масса — 30 г. В колоннах, работающих под атмосферным давлением, расстояние между центрами клапанов в 2 раза больше их диаметра, при избыточном рабочем давлении — в 3 — 4 раза.

Клапанные прямоточные тарелки типа ТКП применяют при атмосферном или повышенном давлении, изменяющихся нагрузках по пару (газу) и жидкости, а также при повышенных требованиях к качеству и четкости разделения смеси.

Преимуществами клапанных тарелок являются высокие относительные скорости газа (пара) и жидкости, обусловливающие высокую интенсивность массообмена, низкий перепад давлений на сухой тарелке, устойчивость рабочего режима в широком интервале изменения нагрузок по газу (пару).

Отношение максимальной нагрузки к минимальной достигает 4 : 5. Промышленность выпускает клапанные тарелки размером от 1 до 7 м.

Рисунок 4.2 — Конструкция клапанной тарелки (а) и клапана (б)

4.3 Выбор конструкционных материалов и типа основных элементов колонного аппарата

От правильного выбора конструкционных материалов зависит долговечность и безопасность эксплуатации аппаратов и машин.

Выбор материала корпуса:

• среда — ароматические углеводороды;
• рабочее внутреннее избыточное давление Р _раб = 0,3 МПа;

Так как среда малокоррозионная, в качестве материала корпуса выбираем сталь 08Х13 — высоколегированная коррозионностойкая и жаростойкая сталь ферритного класса. Эта сталь обладает высокой стойкостью от разъедания кислот, щелочей, растворителей, обладает низкой стоимостью в отличие от других высоколегированных сталей [5].

Выбор материала опоры:

• среда — воздух;
• высота Н = 7000 мм.

В качестве материала опорной обечайки выбираем сталь Ст3 — менее дорогостоящую по сравнению с материалом корпуса.

Результаты выбора конструкционного материала элементов корпуса и опоры представлены в таблице 4.1., Таблица 4.1 — Результаты выбора конструкционного материала элементов корпуса и опоры

Корпус колонного аппарата	Опорная обечайка
Название среды в аппарате	Ароматические углеводороды
Воздействие среды	агрессивное	Воздействие среды	неагрессивное
Температура среды (рабочая), 0 С	t раб =150	Температура среды, 0 С	t раб =20
Температура наиболее холодной пятидневки, 0 С	t х.п. =-37	Наличие переходного участка в опоре	да
Давление рабочее, МПа	Р раб =0,3	Материал переходного участка	09Г2С
Материал	08Х13	Материал опорной обечайки	Ст3

Обоснование выбора типа цилиндрической обечайки и выбора базового диаметра., В зависимости от диаметра корпус колонного аппарата:

— может состоять из отдельных цилиндрических царг, соединенных между собой на фланцах — царговые: диаметром до 800 мм, под давлением до 1,6 МПа;

— может быть цельносварным — диаметром 1000 — 7000 мм и более под давлением до 16 МПа, при атмосферном давлении или под вакуумом с остаточным давлением не ниже 665 Па. Так как диаметр аппарата более 800 мм, а давление не превышает 16 МПа, то корпус аппарата выбирается цельносварного типа из листового проката, за базовый принимается внутренний диаметр из нестандартного ряда, равный 7500 мм.

Обоснование выбора типа и высоты опорной обечайки.

Колонные вертикальные аппараты могут устанавливаться на лапах, стойках и так называемых юбочных опорах — цилиндрических или конических.

Аппараты изготавливают на опорах — лапах для установки на перекрытиях в помещении. Высота расположения опор — лап для насадочных и тарельчатых колонных аппаратов определяется заказчиком.

Высоту обечайки опоры выбирают с учетом требований технологии (например, необходимой высоты столба жидкости в приемном трубопроводе откачивающего насоса) и условий эксплуатации.

Колонные аппараты диаметром 400, 600, 800 мм рекомендуется устанавливать на цилиндрические опоры высотой 1100 мм, диаметром 1000 — 3600 мм — на цилиндрические или конические опоры высотой 2000 — 3000 мм, если высота аппарата не превышает Нmax (максимальную высоту), указанную в таблице 4.2.

Таблица 4.2 — Максимальная высота колонных аппаратов

Диаметр D, мм	400-800	1000	1200-2200	2400-3600
Высота, макс.,м	20	23	30	50

Так как диаметр не попадает в диапазон указанный в таблице 4.2 — 7000 мм, высота колонны превышает максимально допустимое значение, с учетом выбора достаточно прочного конструкционного материала используя иные справочники, можно принять цилиндрическую опору высотой 7000 мм [6].

Обоснование выбора типа днищ.

Днища, как и обечайки, являются одним из основных элементов оборудования нефтегазовой отрасли. Цилиндрические цельносварные и царговые обечайки как горизонтальных, так и вертикальных аппаратов с обеих сторон ограничиваются днищами.

Днища бывают эллиптическими, полусферическими, в виде сферического сегмента, коническими и цилиндрическими отбортованными и не отбортованными, а также плоскими.

Полусферические днища рисунок, целесообразно применять в крупногабаритных аппаратах, подведомственных Ростехнадзору, диаметром более 4 м. Стальные полусферические днища изготавливают диаметром от 3,6 м до 12 м при толщине стенок 10 — 36 мм.

Сферические не отбортованные днища (в виде сферического сегмента) применяют главным образом в аппаратах, работающих под наливом, а также в виде составных частей отъемных крышек аппаратов, работающих под избыточным давлением до 1,6 МПа.

Так как диаметр колонного аппарата достигает 7000 мм, то остановим свой выбор на сферическом днище диметром 7050 мм и высотой 3525 мм.

4.4 Определение допускаемых напряжений материала корпуса и опорной обечайки для рабочих условий и условий испытаний

Расчет производится для двух условий: рабочих и условий испытаний на основании ГОСТ Р 52857.1 — 2007, ГОСТ Р 52857.2 — 2007.

Найдем допускаемые напряжения материала корпуса:

• для рабочих условий

= 153,3 МПа. (4.4)

• для условий испытаний

= МПа. (4.5)

Найдем допускаемые напряжения материала опорной обечайки:

• для рабочих условий

МПа. (4.6)

• для условий испытаний

МПа. (4.7)

При расчете колонного аппарата устанавливаются следующие расчетные сечения представленные на рисунке 4.3:

— для аппаратов постоянного сечения — (по диаметру и толщине стенки) — сечения Г — Г — поперечное сечение корпуса и опорной обечайки в месте их присоединения друг к другу;

— Д — Д — поперечное сечение опорной обечайки в местах расположения отверстий (в дипломном проекте в качестве данного сечения выбираем сечение приблизительно на половине высоты опорной обечайки, где расположен лаз);

— Е — Е — поперечное сечение опорной обечайки в месте присоединения нижнего опорного кольца (в дипломном проекте принимаем, что нижнее опорное кольцо присоединяется к фундаменту, который находится на одном уровне с землей).

Расстояние от земли до сечения Д — Д составляет 3600 мм, до сечения Г — Г — 7000 мм, а до сечения Е — Е принимаем равным 0.

Рисунок 4.3 — Расчетные сечения, Проверка прочности стенки корпуса аппарата.

Проверку прочности в соответствии со стандартом следует проводить для рабочего условия и условия монтажа в следующих расчетных сечениях:

в поперечном сечении, где корпус присоединяется к опорной.

Продольные (меридиональные) напряжения возникают от всех трех нагрузок Р_рас , F и Мх и определяются на наветренной и подветренной сторонах соответственно по следующим формулам

, (4.7)

. (4.8)

Кольцевые (тангенциальные) напряжения возникают только от внутреннего (наружного) давления и рассчитываются по формуле

, (4.9)

где D _i — внутренний диаметр колонны в соответствующем расчетном сечении, мм;

S _i — исполнительная толщина стенки колонны в соответствующем расчетном сечении, мм;

С — сумма всех прибавок к расчетной толщине стенки, мм., В формулы (4.7 — 4.13):

• при подставляются Р=Р ₁ , М=М₁ , F=F₁ ;

• при подставляются Р ₃ =0, М=М₃ , F=F₃ .

Рассчитываются эквивалентные напряжения на наветренной и подветренной сторонах для и по формулам

(4.10)

(4.11)

Производится проверка прочности:

• на наветренной стороне по формуле

(4.12)

• на подветренной стороне по формуле

(4.13)

где [у] — допускаемое напряжение для материала корпуса аппарата при расчетной температуре, МПа;

• ц — коэффициент прочности сварного шва.

В случаях, когда или сжимающие напряжения, значение ц в формулах 4.12 и 4.12 принимают ц =1,0.

Если условия (4.12) и (4.13) не выполняются, то необходимо увеличить толщину стенки корпуса и повторить расчет.

Для рабочих условий напряжения, рассчитываемые по формулам (4.7), (4.8), (4.19), будут иметь следующие значения

МПа,

МПа

Проверка прочности

Таким образом, условия прочности для рабочих условий на наветренной и подветренной сторонах выполняются.

Для условий монтажа напряжения, рассчитываемые по формулам, Проверка прочности

Таким образом, условия прочности для условий монтажа на наветренной и подветренной сторонах выполняются.

Результаты проверки прочности стенки корпуса.

Результаты проверки прочности стенки корпуса колонного аппарата в сечении Г-Г представлены в таблице 4.3.

Таблица 4.3 — Результаты проверки прочности стенки корпуса колонного аппарата

Параметр	Рабочее условие (х = 1)	Условие монтажа (х = 3)
Расчетное сечение	Г — Г	Г — Г
Расчетное давление, МПа	Р t рас =0	Р t рас =0
Расчетный изгибающий момент, Н мм	М 1 =27030457	M 3 =279955,2194
Осевая сжимающая сила, Н	F 1 =2168802	F 3 =101680,9
Исполнительная толщина стенки корпуса, S гост , мм	S гост = 24	S гост = 8
Допускаемое напряжение материала корпуса,МПа	[] t кор = 171	= 250
Допускаемое напряжение для материала опоры, МПа	[] t оп = 196	= 250

Проверка устойчивости стенки корпуса колонного аппарата.

Для аппаратов, работающих под внутренним избыточным давлением, и аппаратов, работающие без давления проверку устойчивости для рабочих условий и условий испытаний следует проводить по формуле

, (4.14)

где [F] — допускаемое осевое сжимающее усилие, соответственно, для рабочих условий или условий испытаний Н;

[M] — допускаемый изгибающий момент, Н·мм, соответственно, для рабочих условий или условий испытаний;

F — осевое сжимающие усилие, Н, соответственно, для рабочих условий или условий испытаний;

M — расчетный изгибающий момент в сечении Г — Г, Н·мм, соответственно, для рабочих условий или условий испытаний.

4.5 Определение расчетной толщины стенки цилиндрической обечайки и днищ

Расчет толщины стенки корпуса заключается в определении расчетных толщин стенок цилиндрической обечайки и днищ, нахождении суммы прибавок к расчетной толщине, округлении полученных величин до стандартных значений по ГОСТу и проверке условия применимости формул для расчета тонкостенных оболочек.

Определение толщины стенки цилиндрической обечайки в общем случае производится для рабочих условий и условий испытания по формуле

19,98мм, (4.15)

где D _B — внутренний диаметр цилиндрической обечайки, м;

• коэффициент прочности сварного шва.

Определение толщины стенки днищ аппарата, соответствующей рабочим условиям и условиям испытаний, производится по формуле (4.16)

=19,94 мм, (4.16)

где R — расчетный радиус днища, м.

Величина прибавки С для различных элементов корпуса определяется по формуле (4.17)

=2+0,238+0=2,238мм, (4.17)

где С ₁ — прибавка для компенсации коррозии и эрозии, мм;

С ₂ — прибавка для компенсации минусового допуска, мм;, С₃ — прибавка технологическая, мм., Исходные данные для расчета суммы прибавок представлены в таблице 4.4., Таблица 4.4 — Значения прибавок к расчетной толщине

Наименование параметра	Значение
	Цилиндрическая обечайка	Днище
Прибавка для компенсации коррозии и эрозии, мм (при отсутствии данных С 1 может приниматься равной 2 мм)	С 1 =2	С 1 =2
Прибавка для компенсации минусового допуска, мм	С 2 =0,8	С 2 =0,8
Прибавка технологическая, мм	С 3 = 0 (в курсовом проекте для цилиндрической обечайки принимаем С3 =0)	С 3 = 1,44 (для эллиптического и полусферического днищ, изготавливаемых штамповкой, С3 принимаем равной 15 % от Sдн р )
Сумма прибавок С 2 и С3 (прибавки учитываются в тех случаях, когда их суммарное значение превышает 5 % расчетной толщины Sц р или Sдн р )	С 2 + С3 =0,8 (<или >5 % расчетной толщины Sц р )	С 2 + С3 = 2,24 (<или >5 % расчетной толщины Sдн р )
Сумма прибавок к расчетной толщине стенки, мм	С ц =С1 +С2 +С3 =2+0,8+0=2,8	С дн =С1 +С2 +С3 = 2+0,8+1,44=4,24

При отсутствии данных о проницаемости рекомендуется принимать С₁ =2мм. Технологическая прибавка С₃ предусматривает компенсацию утонения стенки элемента сосуда или аппарата при технологических операциях. Учитывая, что утонение нежелательно и обычно оно не превышает 15 % от S_рас , прибавку С₃ можно принимать равной нулю. Величину прибавки на минусовой допуск по толщине листа С₂ и зависимости от толщины листа и марки стали принимаем равной 19,98 мм [7].

Исполнительная толщина стенки цилиндрической обечайки S^ц _исп и днищ S^дн _исп корпуса аппарата рассчитывается соответственно по формулам (4.17) и (4.18)

S^ц _исп =S^ц _R +С^ц =19,98+2,4=22,38 мм; ( 4.17)

S^дн _исп =S^дн _R +С^дн =19,94+2,4=22,34 мм. (4.18)

S _исп округляется до ближайшего большого значения по ГОСТу — S_ГОСТ .

S ^ц _гост = 24 мм;

S ^дн _гост = 24 мм.

Исполнительная толщина стенки цилиндрической обечайки S^ц и днища S^дн представлен в таблице 4.5.

Таблица 4.5 — Исполнительная толщина стенки цилиндрической обечайки и днища

Наименование параметра	Значение
Исполнительная толщина цилиндрической обечайки, мм	S ц гост =24
Исполнительная толщина эллиптического днища, мм	S дн гост =24

Проверка прочности., Определяется допускаемое внутреннее избыточное давление для рабочих условий и условий испытаний :

• для цилиндрической оболочки

,( 4.19)

(4.20

• для днищ

, (4.21)

.(4.22)

4.6 Подбор теплообменного аппарата, Обоснование и выбор исходных данных для расчёта теплообменного аппарата., Основные параметры:

• среда в трубном пространстве — конденсированный газ ортоксилол;
• температура в трубном пространстве:

а) на входе t _1н = 150 °С;

б) на выходе t _1к = 140 °С.

• среда в межтрубном пространстве — газообразный этилбензол;
• расход, G ₂ = 66,9 кг/с;

• температура в межтрубном пространстве:

а) на входе t _2н = 120 °С;

б) на выходе t _2к = 130 °С.

Так, как оба вещества имеют почти газообразное состояние, вязкость их мала, то в трубном и межтрубном пространстве будет турбулентный режим.

Определение поверхности нагрева и предварительный выбор типа теплообменного аппарата по каталогу.

Данный теплообменный аппарат является по своему назначению холодильником, конденсируя газы, выходящие с колонны разделения К-1 в специальную емкость Е-1. Охлаждение сырья производится газом этилбензолом. Основные физико-химические характеристики сред представлены в таблице 4.6.

Таблица 4.6 — Физико-химические характеристики сред

Параметр	Ортоксилол	Этилбензол
Плотность, с кг/м 3 .	652,92	680,29
Вязкость динамическая, м Па?с.	0,122·10 -3	0,128·10 -3
Вязкость кинематическая, н м 2 /с.	3,188·10 -6	0,191·10 -3
Удельная теплоемкость, С р Дж/(кг?К).	2212,79	2120,94
Коэффициент теплопроводности, л Вт/(м?К).	0,079	0,082
Теплота конденсации водяного пара, кДж/кг	1928,9	1846,71

Составим уравнение теплового баланса.

Количество теплоты выделенное горячим теплоносителем, должно быть равно количеству теплоты полученному холодным теплоносителем.

Q = Q _с = Q_в.п. , (4.23)

где Q _с — количество тепла, получаемое в теплообменнике от водяного пара, Вт;

Q _в.п — количество тепла, передаваемое в теплообменнике от водяного пара, Вт;

• Q — общее количество тепла, Вт.

Но так как мы не можем получить идеальную систему без потерь, как тепловых (расход тепла в атмосферу), так и утечек, то величины тепловых потоков различаются на значение коэффициента полезного действия (КПД), его принимают равным з = 0,95.

, (4.24)

где — массовый расход сырья, кг/с;

• теплоёмкость сырья, Дж/кг·К;
• температура входа сырья, °С;
• температура выхода сырья, °С;
• массовый расход ортоксилола, кг/с;
• Подставив исходные данные, в формулу (4.24) получим

Количество передаваемого тепла

Вт;

Ориентировочная поверхность теплообмена аппарата определяется по формуле

, (4.25)

где К _ор — ориентировочный коэффициент теплопередачи, Вт/(м² ?К);

Дt _ср — средняя разность температур между потоками, єС.

Средняя разность температур между потоками вычисляется по формуле

, (4.26)

, (4.27)

где , (4.28)

• (4.29)

Подставив данные в формулы (4.26) — (4.29), получим

єС;

єС;

єС;

єС;

єС.

Для предварительного выбора теплообменного аппарата принимаем из таблицы К = 50 Вт/м ² •К, как при передаче тепла от конденсирующихся паров к жидкости.

Подставив данные в формулу (4.25), получим

м ² .

Произведем подбор по каталогу [8] всех типов теплообменных аппаратов, которые могут быть применены при заданной поверхности теплообмена.

Выбираем 2 теплообменных аппарат типа ТН, исходя из поверхности теплообмена равной F=1419,6/2=765 м ² , давление Р_у =1,6 МПа. Основные характеристики теплообменника представлены в таблице 4.7.

Таблица 4.7 — Основные характеристики теплообменника

Условное обозначение аппарата	Диаметр кожуха внутренний, мм	Давление в кожухе, Ру, МПа	Число ходов по трубам	Наружный диаметр труб, мм	Поверхность теплообмена, м 2 ?5% при длине прямого участка труб, 6000мм	Площадь проходного сечения одного хода по трубам м 2 ?5%
ТНГ	1200	1,6	2	21	765	0,0260

у словное обозначение: теплообменник 1200 ТНГ — 1,6 — М1/25Г — 6 — 2 — У — И по ТУ 26-02-1090-88.

Уточненный расчет поверхности теплообменного аппарата и окончательный выбор типа теплообменного а

Поверхность теплообменного аппарата вычисляется по формуле

, (4.30)

где К _ут — уточненный коэффициент теплопередачи, который вычисляется по формуле

, (4.31)

где б ₁ и б₂ — коэффициенты теплоотдачи на внутренней и наружной поверхностях трубок;

S _ст и л_ст — толщина стенки и теплопроводность материала. В расчетах принимаем S_ст / л_ст = 0.

Коэффициенты б ₁ и б₂ в большой степени зависят от гидродинамических параметров потока на поверхностях теплообмена (в основном от скорости).

Произведем уточненный расчет поверхности теплообмена по уточненной теплоотдаче в трубном пространстве [9].

Рассчитаем линейные скорости движения потоков по формулам

,(4.32)

где G _тр — расход ортоксилола, кг/с;

с _тр — плотность ортоксилола, кг/ м³ ;

Подставив данные, получим

м/с;

• м/с.

Режим потока устанавливается в зависимости безразмерного критерия Рейнольдса, который определяется по формуле

, (4.33)

где — линейная скорость движения потока по трубам, м/с;

• площадь проходного сечения одного хода по трубам м ^2;

• плотность продукта, движущегося по трубам, кг/м ³ ;

• динамическая вязкость продукта, движущегося по трубам, Па•с.

Подставив указанные данные в формулу (4.34), получим

Так как критерий Рейнольдса > 10 ⁴ , следовательно режим движения — турбулентный.

Для турбулентного режима движения рекомендуется следующая зависимость

,(4.35)

где — критерий Нуссельта,

Pr — критерий Прандтля.

Критерий Прандтля определяется по формуле

, (4.36)

где — теплоёмкость продукта, движущегося по трубам, Дж/кг•К;

• динамическая вязкость продукта, движущегося по трубам, Па•с;
• теплопроводность продукта, движущегося по трубам, Вт/м•К.

Коэффициент теплопередачи от внутренней поверхности трубок определим по формуле

, (4.37)

где ₁ — критерий Нуссельта;

• теплопроводность продукта, движущегося по трубам, Вт/м•К;
• внутренний диаметр труб, м.

Подставив необходимые данные в формулы (4.35) — (4.37), получим

;

;

• Произведем уточненный расчет поверхности теплообмена по уточненной теплоотдаче в межтрубном пространстве.

Рассчитаем линейные скорости движения потоков по формуле

, (4.38)

• (4.39)

где G _мтр — расход этилбензола масла, кг/с;

• n — число трубок;

f _мтр — площадь проходного сечения по межтрубному пространству, м² .