Расчет вакуумной ректификационной колонны для разгонки нефтепродуктов

смотреть на рефераты похожие на "Расчет вакуумной ректификационной колонны для разгонки нефтепродуктов "

Министерство образования Российской Федерации

Ангарская Государственная Техническая академия

Кафедра Химической технологии топлива

Пояснительная записка к курсовому проекту.

Тема проекта: “Блок ВП(м), установка ГК-3”

Выполнил: ст-нт гр.ТТ-99-1

Семёнов И. А.

Проверил: проф.., к.т.н.

Щелкунов Б.И.

Ангарск 2003

Содержание:

Введение 3

1. Материальный баланс 4

2. Определение рабочего флегмового числа и числа теоретических тарелок для 1-й секции 5

3. Расчёт физико-химических свойств смеси в верхней и нижней частях 9

4. Гидравлический расчёт колпачковых тарелок 1-й секции 11

5. Расчёт эффективности тарелок и высоты 1-й секции 21

6. Определение рабочего флегмового числа и числа теоретических тарелок для 2-й секции 23

7. Расчёт физико-химических свойств смеси. 26

8. Гидравлический расчёт колпачковых тарелок 2-й секции 27

9. Расчёт эффективности тарелок и высоты 2-й секции. 32
10. Тепловой баланс колонны 33
11. Расчёт штуцеров колонны 35
12. Расчёт теплоизоляции 37

Список литературы 38

Введение

Ректификация является одним из важнейших технологических процессов разделения и очистки жидкостей и сжиженных газов в химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности. Это массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаев в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами. Ректификация – это наиболее полное разделение смесей жидкостей, целиком или частично растворимых друг в друге. Процесс заключается в многократном взаимодействии паров с жидкостью – флегмой, полученной при частичной конденсации паров. Процесс основан на том, что жидкости, составляющие смесь, обладают различным давлением пара при одной и той же температуре. Поэтому состав пара, а следовательно, и состав жидкости, получающейся при конденсации пара, будут несколько отличаться от состава начальной смеси: легколетучего компонента в паре будет содержаться больше, чем в перегоняемой жидкости. Очевидно, что в неиспарившейся жидкости концентрация труднолетучего компонента при этом должна увеличиться.

Технологический расчёт колонны

В колонну поступает 76000 кг/ч сырья (мазута).Продуктами перегонки являются:

1. Фракция НК-350 оС (пары и газы разложения).

2. Фракция 350-500 оС (вакуумный погон).

3. Фракция 500-КК оС (гудрон).

Давление в колонне равно

Материальный баланс колонны

Материальный баланс колонны составляем на основе данных о выходах
(табл. 1) продуктов из сырья.

Расчёт:

1. Расход вакуумного погона:

2. Расход гудрона:

3. Расход паров и газов разложения:

Все результаты расчёта по колонне заносим в таблицу 2.

Таблица 2.

Материальный баланс по колонне

Считаем материальный баланс по каждой секции:

Таблица 3.

Материальный баланс 1-й секции

|Приход |Расход |
|Наименование |% |кг/ч |Наименование |% |кг/ч |
|Мазут | | |(пар.фаза) | | |
|(пар.фаза) | | |Пары разложения |37,30 |2280 |
|Пары разложения |37,30 |2280 |Вакуумный погон | |26068 |
|Вакуумный погон | |26068 |(жидкая фаза) | | |
|Гудрон |62,70 |47652 |Гудрон |62,70 |47652 |
|Итого: |100 |76000 |Итого: |100 |76000 |

Таблица 4.

Материальный баланс 2-й секции

|Приход |Расход |
|Наименование |% |кг/ч |Наименование |% |кг/ч |
|(пар.фаза) | | |(пар.фаза) | | |
|Пары разложения |8,04 |2280 |Пары разложения |8,04 |2280 |
|Вакуумный погон |91,96 |26068 |(жидкая фаза) | | |
| | | |Вакуумный погон |91,96 |26068 |
|Итого: |100 |28348 |Итого: |100 |28348 |

Определение рабочего флегмового числа и числа теоретических тарелок для 1-й секции.

Для выполнения расчёта заменяем имеющиеся фракции углеводородов на простые алканы нормального строения:

1. Фракция НК-350 оС. Так как данная фракция состоит преимущественно из паров диз. топлива, то за НК примем температуру равную 240 оC. Средняя температура равна: (350+240)/2=295 оС.

Принимаем: н-гексадекан (С16Н34 ), tкип=287 оС, М=226 кг/кмоль.

2. Фракция 350-500 оС. tср=(350+500)/2 = 425 оС.

Принимаем: н-гексакозан (С26Н54 ), tкип=417 оС, М=366 кг/кмоль.

3. Фракция 500-КК оС

Принимаем: н-пентатриаконтан (С35Н72), tкип=511 оС, М=492 кг/кмоль.

Заменяем перегоняемую смесь углеводородов в 1-й секции на бинарную смесь. В качестве низкокипящеко (НК) компонента принимаем н-гексакозан
(С26Н54 ), а в качестве выкокипящего (ВК) - н-пентатриаконтан (С35Н72).

Производим расчёт мольных концентрация на входе и на выходах из секции.

Мольную концентрацию на входе определяем на основе массовой концентрации, которую рассчитали в материальном балансе 1-й секции (табл.
3).

Состав куба дистиллята определяется на основе ср. температур кипения фракции и рассчитывается по формуле:

где Pатм- атмосферное давление, PНК и PВК –давление насыщенных паров индивидуальных компонентов при температуре фракции, определяются по уравнению Антуана:

, [Па.] где A, В, С – параметры Антуана для каждого компонента. t- температура, оС.
Параметры уравнения для каждого компонента приведены в таблице 5.

Таблица 5.

Параметры уравнения Антуана

|Наименование |Коэф-нты |
| |А |В |С |
|н-гексадекан |7,03044 |1831,317 |154,528 |
|н-гексакозан |7,62867 |2434,747 |96,1 |
|н-пентатриаконтан |5,778045 |1598,23 |40,5 |

Расчёт состава куба: PНК и PВК рассчитываются при температуре равной 500 оС.

Расчёт состава дистиллата: PНК и PВК рассчитываются при температуре равной
425 оС.

Температуры на выходе из дистиллата и куба определяем по формуле методом последовательного приближения:

Температура на выходе из дистиллата равна: tD=363 оС
Температура на выходе из куба равна: tW=408 оС
Температура на входе равна: tF=376 оС

Определяем относительную летучесть по формуле:

При температуре tD=363 оС

При температуре tW=408 оС

Средняя относительная летучесть:

Строим кривую равновесия по формуле:

Рис.1 Кривая равновесия

Состав пара уходящего с питательной тарелки равен yf=0,738 мол.дол.

Рассчитываем минимальное флегмовое число:

Оптимальное (рабочее) флегмовое число определяем на основе критерия оптимальности :, где . Зависимость критерия оптимальности от коэффициента избытка флегмы изображена на рисунке 2.

Рис.2 Зависимость критерия оптимальности от коэф-та избытка флегмы

По графику определяем что . Отсюда находимо рабочее флегмовое число:

Исходя из рабочего флегмового числа строим рабочую линию и определяем теоретическое число тарелок в верхней и нижней части секции.

Рис.3 Теоретические ступени

Число теоретических тарелок NТТ=6

Число теоретических тарелок в нижней части NН=4

Число теоретических тарелок в верхней части NВ=2

Расчёт физико-химических свойств смеси в верхней и нижней частях.

Расчёт средних концентраций жидкости:

Расчёт средних концентраций пара:

Средние температуры верха и низа:

Определяются по той же формуле что и температуры на выходе из дистиллата и куба.

Средние молекулярные массы пара:

Средние молекулярные массы жидкости:

Средние плотности пара:

Средние массовые доли:

Средние плотности жидкости:
Плотность НК компонента при температур tН=388 оС равна
Плотность ВК компонента при температур tН=388 оС равна

Плотность НК компонента при температур tВ=369 оС равна
Плотность ВК компонента при температур tВ=369 оС равна

Средние вязкости жидкости:
Вязкость НК компонента при температур tН=388 оС равна
Вязкость ВК компонента при температур tН=388 оС равна

Вязкость НК компонента при температур tВ=369 оС равна
Вязкость ВК компонента при температур tВ=369 оС равна

Средние коэффициенты диффузии жидкости и пара:
Для низа колонны:

Для верха колонны:

Гидравлический расчёт колпачковых тарелок 1-й секции.

Определяем количество пара поднимающегося вверх по колонне. Примем допущение, что расход пара во всей колонне является величиной постоянной и находится:

Определяем расход жидкости в верхней и нижней части колонны:

Для расчёта диапазон колебания нагрузки принимаем равными:

К3=0,8 – коэффициент уменьшения нагрузки

К4=1,1 – коэффициент увеличения нагрузки

1. Диапазон колебания нагрузки.

Такое значение приемлемо для колпачковых тарелок.

2. Расчёт оценочной скорости для нижней части:

Для верхней части:

3. Диаметр нижней части:

Верхней части:

4. Так как диаметры оказались одинаковыми принимаем колонну одного диаметра DК=2,4 м

Действительную скорость пара в нижней части находим:

В верхней части:

5. По таблице 6 [1] периметр слива и относительное сечение перелива . Относительная активная площадь тарелки:

6. Фактор нагрузки для нижней части колонны:

Для верхней части:

Коэффициент поверхностного натяжения для нижней части колонны:

Для верхней части:

Принимая минимальное расстояние между тарелками , по табл. 6.7
[1] определяем комплекс В1 для верхней и нижней частей колонны:

Допустимая скорость пара в рабочем сечении колонны для нижней части:

Для верхней части:

7. Проверяем условие допустимости скоростей пара для верхней и нижней частей колонны:

Условие не выполняется, поэтому необходимо увеличивать межтарельчатое расстояние, а при достижении максимального значения принимать тарелку большего диаметра до тех пор пока условие не сойдётся. Расчёт для нижней и верхней частей колонны ведём раздельно.

Расчёт нижней части секции:

Принимаем следующее диаметр:

Увеличиваем межтарельчатое расстояние:

Условие выполнилось. Продолжаем расчёт дальше.

8. Удельная нагрузка на перегородку в нижней части:

Условие не выполняется. Увеличиваем диаметр колонны:

Увеличиваем межтарельчатое расстояние:

Условие выполнилось. Продолжаем расчёт дальше.

Удельная нагрузка на перегородку в нижней части:

Условие не выполняется. Увеличиваем диаметр колонны:

Условие выполнилось. Продолжаем расчёт дальше.

8. Удельная нагрузка на перегородку в нижней части:

Условие выполнилось. Продолжаем расчёт дальше.

9. Фактор паровой нагрузки:

Подпор жидкости над сливным порогом:

10. Глубина барботажа hб=0,03 м (табл. 6.4. [1]), высота прорези колпачка h3=0,02 м (табл. 6.10. [1]), зазор установки колпачка h4=0,018 м
(табл. 6.8. [1]).

Высота парожидкостного слоя на тарелках:

11. Высота сливного порога:

12. Градиент уровня жидкости на тарелке:

13. Динамическая глубина барботажа:

14. Значение комплекса В2 (табл. 6.9. [1]):

Минимально допустимая скорость пара в свободном сечении тарелок:

Относительное свободное сечение тарелок (табл. 6.6.).
Коэффициент запаса сечения тарелок:

Так как К1 1, то пар будет проходить через тарелку равномерно.

Выбираем площадь прорезей колпачка S3 =0,0046 м2 (табл. 6.10 [1]) и определяем скорость пара в прорезях:

Максимальная скорость пара в прорезях колпачка:

Коэффициент В5 берётся по табл. 6.11. [1].

Степень открытия прорезей колпачка:

Условие выполняется и пар проходит через все сечения прорезей и тарелка работает эффективно.

12. Фактор аэрации:

13. Коэффициент гидравлического сопротивления тарелки (табл.
6.13 [1]).

Гидравлическое сопротивление тарелок:

14. Коэффициент вспениваемости при вакуумной перегонки мазута К5=0,75

Высота сепарационного пространства между тарелками:

15. Межтарельчатый унос жидкости:

Величина не превышает 0,1 кг/кг. Продолжаем расчёт.

16. Площадь поперечного сечения колонны:

Скорость жидкости в переливных устройствах:

Допустимая скорость жидкости в переливных устройствах:

Действительные скорости жидкости меньше допустимых.

Таким образом для верха и низа секции принимаем одинаковую тарелку.

Больше всего подходит стандартная тарелка ТСК-Р, которая имеет следующие характеристики:

Диаметр тарелки: D = 3600 мм;

Периметр слива: lw = 2,88 м;

Высота сливного порога: ; ;

Свободное сечение тарелки:

Сечение перелива:

Относительная площадь для прохода паров: ;

Межтарельчатое расстояние: ; ;

Количество колпачков: ; ;

Работа тарелки характеризуется следующими параметрами:

Высота парожидкостного слоя:

Фактор аэрации:

Гидравлическое сопротивление тарелки:

Межтарельчатый унос:

Скорость жидкости в переливе:

Скорость пара в колонне:

Расчёт эффективности тарелок и высоты 1-й секции.

1. Определяем значение критерия Фурье для колпачковой тарелки:

2. Определяем общее числа единиц переноса:

Для верха колонны:

3. Локальная эффективность контакта:

Для верха колонны:

4. Эффективность тарелки по Мэрфи:

Для верха колонны:

5. Действительное число тарелок:

Для верха колонны:

6. Рабочая высота секции для низа:

Для верха:

Общая рабочая высота:

7. Общая высота секции:

Определение рабочего флегмового числа и числа теоретических тарелок для 2-й секции.

Расчёт второй секции колонны производим только для верхней части.

Заменяем перегоняемую смесь углеводородов во 2-й секции на бинарную смесь. В качестве низкокипящеко (НК) компонента принимаем н-гексадекан
(С16Н34 ), а в качестве выкокипящего (ВК) - : н-гексакозан (С26Н54 ).

Производим расчёт мольных концентрация на входе и на выходах из секции.

Мольную концентрацию на входе определяем на основе массовой концентрации, которую рассчитали в материальном балансе 2-й секции (табл.
3).

Расчёт состава дистиллата: PНК и PВК рассчитываются при температуре равной 295 оС.

Температуры на выходе из дистиллата и куба определяем по формуле методом последовательного приближения:

Температура на выходе из дистиллата равна: tD=235 оС
Температура на входе равна: tF=308 оС

Определяем относительную летучесть по формуле:

При температуре tD=235 оС

При температуре tW=308 оС

Средняя относительная летучесть:

Строим кривую равновесия по формуле:

Рис.1 Кривая равновесия

Состав пара уходящего с питательной тарелки равен yf=0,501 мол.дол.

Рассчитываем минимальное флегмовое число:

Рис.2 Зависимость критерия оптимальности от коэф-та избытка флегмы

По графику определяем что . Отсюда находимо рабочее флегмовое число:

Рис.3 Теоретические ступени

Число теоретических тарелок NТТ=3

Расчёт физико-химических свойств смеси.

Расчёт средней концентрации жидкости:

Расчёт средней концентрации пара:

Расчёт средней температуры:

Определяются по той же формуле что и температуры на выходе из дистиллата.

Средняя молекулярная масса пара:

Средняя молекулярная масса жидкости:

Средняя плотность пара:

Средняя массовая доля:

Средняя плотность жидкости:
Плотность НК компонента при температур t =256 оС равна
Плотность ВК компонента при температур t =256 оС равна

Средняя вязкость жидкости:
Вязкость НК компонента при температур t =256 оС равна
Вязкость ВК компонента при температур t =256 оС равна

Средние коэффициенты диффузии жидкости и пара:
Для низа колонны:

Гидравлический расчёт колпачковых тарелок 2-й секции.

Определяем расход жидкости в верхней и нижней части колонны:

1. Расчёт оценочной скорости:

2. Определяем диаметр:

3. Принимаем колонну диаметра DК=1,0 м

Действительную скорость пара в нижней части находим:

4. По таблице 6 [1] периметр слива и относительное сечение перелива . Относительная активная площадь тарелки:

5. Фактор нагрузки:

Коэффициент поверхностного натяжения:

Принимая минимальное расстояние между тарелками , по табл. 6.7
[1] определяем комплекс В1:

Допустимая скорость пара в рабочем сечении колонны:

6. Проверяем условие допустимости скоростей пара для верхней и нижней частей колонны:

Увеличиваем межтарельчатое расстояние:

Условие выполнилось. Продолжаем расчёт дальше.

7. Удельная нагрузка на перегородку:

Условие выполнилось. Продолжаем расчёт дальше.

8. Фактор паровой нагрузки:

Подпор жидкости над сливным порогом:

9. Глубина барботажа hб=0,03 м (табл. 6.4. [1]), высота прорези колпачка h3=0,02 м (табл. 6.10. [1]), зазор установки колпачка h4=0,01 м
(табл. 6.8. [1]).

Высота парожидкостного слоя на тарелках:

10. Высота сливного порога:

11. Градиент уровня жидкости на тарелке:

12. Динамическая глубина барботажа:

13. Значение комплекса В2 (табл. 6.9. [1]):

Минимально допустимая скорость пара в свободном сечении тарелок:

Относительное свободное сечение тарелок (табл. 6.6. [1]).
Коэффициент запаса сечения тарелок:

Так как К1 >1, то пар будет проходить через тарелку равномерно.

Выбираем площадь прорезей колпачка S3 =0,0023 м2 (табл. 6.10 [1]) и определяем скорость пара в прорезях:

Максимальная скорость пара в прорезях колпачка:

Коэффициент В5 берётся по табл. 6.11. [1].

Степень открытия прорезей колпачка:

Условие выполняется и пар проходит через все сечения прорезей и тарелка работает эффективно.

14. Фактор аэрации:

15. Коэффициент гидравлического сопротивления тарелки (табл.
6.13 [1]).

Гидравлическое сопротивление тарелок:

17. Коэффициент вспениваемости при вакуумной перегонки мазута К5=0,75

Высота сепарационного пространства между тарелками:

18. Межтарельчатый унос жидкости:

Величина не превышает 0,1 кг/кг. Продолжаем расчёт.

19. Площадь поперечного сечения колонны:

Скорость жидкости в переливных устройствах:

Допустимая скорость жидкости в переливных устройствах:

Действительная скорость жидкости меньше допустимых. Таким образом для
2-й секции принимаем данную тарелку.

Больше всего подходит стандартная тарелка ТСК-Р, которая имеет следующие характеристики:

Диаметр тарелки: D = 1000 мм;

Периметр слива: lw = 0,683м;

Высота сливного порога: ;

Свободное сечение тарелки:

Сечение перелива:

Относительная площадь для прохода паров: ;

Межтарельчатое расстояние: ;

Количество колпачков: ;

Работа тарелки характеризуется следующими параметрами:

Высота парожидкостного слоя:

Фактор аэрации:

Гидравлическое сопротивление тарелки:

Межтарельчатый унос:

Скорость жидкости в переливном устройстве:

Скорость пара в колонне:

Расчёт эффективности тарелок и высоты 2-й секции.

1. Определяем значение критерия Фурье для колпачковой тарелки:

2. Определяем общее числа единиц переноса:

3. Локальная эффективность контакта:

4. Эффективность тарелки по Мэрфи:

5. Действительное число тарелок:

6. Рабочая высота секции для низа:

7. Общая высота секции:

Тепловой баланс колонны.

Для расчёта энтальпий углеводородов воспользуемся формулами:

Для жидких углеводородов:

Для газообразных углеводородов:

Расчёт 1-й секции:

Приход:

1. Паровая фаза: а) фр. НК-350 оС

б) фр. 350-500 оС

в) Водяной пар (15 ата; t = 420 оС)

2. Жидкая фаза: а) фр. 500-КК оС

Расход:

1. Паровая фаза: а) фр. НК-350 оС

б) фр. 350-500 оС

в) Водяной пар (15 ата; t = 420 оС)

2. Жидкая фаза: а) фр. 500-КК оС

Результаты расчёта заносим в таблицу 6.

Таблица 6.

Тепловой баланс 1-й секции колонны

|Приход |Расход |

Наименование |t, oC |кг/ч |кДж/кг |кДж/ч |Наименование |t, oC |кг/ч |кДж/кг

|кДж/ч | |Паровая фаза: | | | | |Паровая фаза: | | | | | |нк - 350 |385
|2280 |1414,16 |3224291,24 |нк - 350 |100 |2280 |749,797 |1709537 | |фр.

350 - 500 |385 |26068 |1384,91 |36101783,6 |Вод. пар |100 |5000 |2689,9
|13449500 | |Вод. пар |385 |5000 |3251,5 |16257500 |Жидкая фаза | | | | |
| | | | | |фр. 350 - 500 |385 |26068 |941,64 |24546565 | |Итого: | |33348
| |55583574,8 |Итого: | |33348 | |39705601,7 | |
Избыток тепла в 1-й секции составляет:

Избытки тепла в секциях снимаются за счёт циркуляционных орошений.

В качестве НЦО примем флегму 1-й секции.

Температуру, до которой необходимо охладить флегму, найдём из энтальпии возвращаемой флегмы:

Решая уравнение получаем значение температуры

t = 255 оС

Избыток тепла во второй секции снимаем за счёт подачи охлаждённой флегмы до 40 оС, а так же за счёт ВЦО:

Расход ВЦО найдём по уравнению:

Расчёт штуцеров колонны

Расчёт диаметров штуцеров производим на основе скорости движения потоков по формуле:

1. Внутренний диаметр штуцера для входа исходного сырья: