РЕФЕРАТЫ ПО ТЕХНОЛОГИИРеферат: Расчет вакуумной ректификационной колонны для разгонки нефтепродуктовсмотреть 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. Таблица 1. Наименование продукта Выход, % масс. Вакуумный погон (фр. 350 – 500 oC) 34,3 Гудрон (фр. свыше 500 oC) 62,7 Газы разложения 3 Итого: 100 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 Приход Расход Наименование Расход, Наименование Расход, кг/ч кг/ч Мазут 76000 Пары разложения 2280 Вакуумный погон 26068 Гудрон 47652 Итого: 76000 Итого: 76000 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: Принимаем следующее диаметр: Принимаем следующее диаметр: Принимаем следующее диаметр: Увеличиваем межтарельчатое расстояние: Увеличиваем межтарельчатое расстояние: 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: 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=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 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: 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: Условие не выполняется, поэтому необходимо увеличивать межтарельчатое расстояние, а при достижении максимального значения принимать тарелку большего диаметра до тех пор пока условие не сойдётся. Увеличиваем межтарельчатое расстояние: Увеличиваем межтарельчатое расстояние: Увеличиваем межтарельчатое расстояние: 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: Принимаем скорость движения сырья Принимаем штуцер с внутренним диаметром равным D1=0,4 м 2. Внутренний диаметр штуцера для входа водяного пара: Принимаем скорость движения сырья Принимаем штуцер с внутренним диаметром равным D2=0,2 м 3. Внутренний диаметр штуцера для выхода гудрона: Принимаем скорость движения сырья Принимаем штуцер с внутренним диаметром равным D3=0,2 м 4. Внутренний диаметр штуцера для выхода вакуумного погона: Принимаем скорость движения сырья Принимаем штуцер с внутренним диаметром равным D4=0,15 м 5. Внутренний диаметр штуцера для входа флегмы в 1-ю секцию: Принимаем скорость движения сырья Принимаем штуцер с внутренним диаметром равным D5=0,125 м 6. Внутренний диаметр штуцера для выхода паров углеводородов с верха колонны: Принимаем скорость движения сырья Принимаем штуцер с внутренним диаметром равным D6=0,25 м 7. Внутренний диаметр штуцера для входа флегмы во 2-ю секцию: Принимаем скорость движения сырья Принимаем штуцер с внутренним диаметром равным D7=0,04 м Расчёт теплоизоляции В качестве теплоизолирующего материала примем минеральную вату. Принимаем температуру окружающего воздуха tо=20 оС и ветер, движущийся со скоростью w=10 м/с. Так же принимаем коэффициент теплоотдачи от изоляционного материала в окружающую среду . Температура стенки изоляционного материала по технике безопасности не должна превышать 45 оС. Принимаем её равной Тепловые потери: Приближённо принимаем, что всё термическое сопротивление сосредоточено в слое изоляции, тогда толщина слоя изоляционного материала определяется уравнением: где теплопроводность изоляционного материала при средней температуре; q – удельная тепловая нагрузка; - средняя температура по колонне и температура внешней стенки изоляционного материала. Список литературы 1. Ульянов Б.А., Асламов А.А., Щелкунов Б.И. Ректификация бинарных и многокомпонентных смесей: Уч. Пособие – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 1999- 240 с. 2. Ульянов Б.А., Щелкунов Б. И. Гидравлика контактных тарелок: Уч. Пособие – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 1996 г. 3. Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: М. 1991 г. 4. Татевский А.Е. Физико-химические свойства индивидуальных углеводородов: М. 1960г. –412 с. 5. Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии: М. 1991г. 6. Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов.: М. 1987 г. 7. Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчёта химической аппаратуры.: М. 1970г. |