Главная Учебники - Разные Лекции (разные) - часть 53
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 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: Давление в колонне равно 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 o
C) 34,3 Гудрон (фр. свыше 500 o
C) 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. Приход
Расход
Наименование
Расход, кг/ч
Наименование
Расход, кг/ч
Мазут 76000 Пары разложения 2280 Вакуумный погон 26068 Гудрон 47652 Итого:
76000
Итого:
76000
Считаем материальный баланс по каждой секции: Таблица 3. 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. 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
Для выполнения расчёта заменяем имеющиеся фракции углеводородов на простые алканы нормального строения: 1. Фракция НК-350 о
С. Так как данная фракция состоит преимущественно из паров диз. топлива, то за НК примем температуру равную 240 о
C. Средняя температура равна: (350+240)/2=295 о
С. Принимаем: н-гексадекан (С16
Н34
), tкип
=287 о
С, М=226 кг/кмоль. 2. Фракция 350-500 о
С. tср
=(350+500)/2 = 425 о
С. Принимаем: н-гексакозан (С26
Н54
), tкип
=417 о
С, М=366 кг/кмоль. 3. Фракция 500-КК о
С Принимаем: н-пентатриаконтан (С35
Н72
), tкип
=511 о
С, М=492 кг/кмоль. Заменяем перегоняемую смесь углеводородов в 1-й секции на бинарную смесь. В качестве низкокипящеко (НК) компонента принимаем н-гексакозан (С26
Н54
), а в качестве выкокипящего (ВК) - н-пентатриаконтан (С35
Н72
). 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:
где A, В, С – параметры Антуана для каждого компонента. t- температура, о
С. Параметры уравнения для каждого компонента приведены в таблице 5. Таблица 5. 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 о
С.
Расчёт состава дистиллата: PНК
и PВК
рассчитываются при температуре равной 425 о
С.
Температуры на выходе из дистиллата и куба определяем по формуле методом последовательного приближения:
Температура на выходе из дистиллата равна: tD
=363 о
С Температура на выходе из куба равна: tW
=408 о
С Температура на входе равна: tF
=376 о
С Определяем относительную летучесть
При температуре tD
=363 о
С При температуре tW
=408 о
С 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 :
По графику определяем что Исходя из рабочего флегмового числа строим рабочую линию и определяем теоретическое число тарелок в верхней и нижней части секции. Число теоретических тарелок NТТ
=6 Число теоретических тарелок в нижней части NН
=4 Число теоретических тарелок в верхней части NВ
=2
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 о
С равна Плотность ВК компонента при температур tН
=388 о
С равна
Плотность НК компонента при температур tВ
=369 о
С равна Плотность ВК компонента при температур tВ
=369 о
С равна
Средние вязкости жидкости:
Вязкость НК компонента при температур tН
=388 о
С равна Вязкость ВК компонента при температур tН
=388 о
С равна
Вязкость НК компонента при температур tВ
=369 о
С равна Вязкость ВК компонента при температур tВ
=369 о
С равна
Средние коэффициенты диффузии жидкости и пара:
Для низа колонны:
Для верха колонны:
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
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
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
Так как К1
<1, то пар будет проходить лишь через отдельные колпачка. Контакт пара и жидкости окажется не достаточно эффективным, но положение можно исправить, уменьшив число колпачков.
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. 15. Фактор аэрации:
16. Коэффициент гидравлического сопротивления тарелки 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:
Действительные скорости жидкости меньше допустимых. Таким образом для нижней части 1-й секции принимаем данную тарелку. Расчёт верхней части секции:
Для упрощения конструкции колонны в верхней части секции принимаем тарелки того же диаметра что и в нижней DК
= 3,6 м 1.Действительную скорость пара в верхней части:
2. По таблице 6 [1] периметр слива
3. Фактор нагрузки для верхней части колонны:
Коэффициент поверхностного натяжения для верхней части секции:
Принимая минимальное расстояние между тарелками
Допустимая скорость пара в рабочем сечении колонны:
4. Проверяем условие допустимости скоростей пара:
Условие не выполняется, поэтому необходимо увеличивать межтарельчатое расстояние, а при достижении максимального значения принимать тарелку большего диаметра до тех пор пока условие не сойдётся.
Условие выполнилось. Продолжаем расчёт дальше. 5. Удельная нагрузка на перегородку в нижней части:
Условие выполнилось. Продолжаем расчёт дальше. 6. Фактор паровой нагрузки:
Подпор жидкости над сливным порогом:
7. 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:
8. Высота сливного порога:
9. Градиент уровня жидкости на тарелке:
10. Динамическая глубина барботажа:
11. Значение комплекса В2
(табл. 6.9. [1]):
Минимально допустимая скорость пара в свободном сечении тарелок:
Относительное свободное сечение 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 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: 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 (С16
Н34
), а в качестве выкокипящего (ВК) - : н-гексакозан (С26
Н54
). 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 о
С.
Температуры на выходе из дистиллата и куба определяем по формуле методом последовательного приближения:
Температура на выходе из дистиллата равна: tD
=235 о
С Температура на входе равна: tF
=308 о
С Определяем относительную летучесть
При температуре tD
=235 о
С При температуре tW
=308 о
С 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 :
По графику определяем что Исходя из рабочего флегмового числа строим рабочую линию и определяем теоретическое число тарелок в верхней и нижней части секции. Число теоретических тарелок NТТ
=3
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 о
С равна Плотность ВК компонента при температур t =256 о
С равна
Средняя вязкость жидкости:
Вязкость НК компонента при температур t =256 о
С равна Вязкость ВК компонента при температур t =256 о
С равна
Средние коэффициенты диффузии жидкости и пара:
Для низа колонны:
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
5. Фактор нагрузки:
Коэффициент поверхностного натяжения:
Принимая минимальное расстояние между тарелками
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
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 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: 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:
Для расчёта энтальпий углеводородов воспользуемся формулами: Для жидких углеводородов:
Для газообразных углеводородов:
Расчёт 1-й секции: Приход:
1. Паровая фаза: а) фр. НК-350 о
С
б) фр. 350-500 о
С
в) Водяной пар (15 ата; t = 420 о
С)
2. Жидкая фаза: а) фр. 500-КК о
С
Расход:
1. Паровая фаза: а) фр. НК-350 о
С
б) фр. 350-500 о
С
в) Водяной пар (15 ата; t = 420 о
С)
2. Жидкая фаза: а) фр. 500-КК о
С
Результаты расчёта заносим в таблицу 6. Таблица 6. Тепловой баланс 1-й секции колонны
Расход
Наименование
t, o
C
кг
/
ч
кДж/кг
кДж/ч
Наименование
t, o
C
кг/ч
кДж/кг
кДж/ч
Мазут Паровая фаза: Паровая фаза: нк - 350 385 2280 1414,163 3224291,24 нк - 350 о
С 420 2280 1516,414 3457423,97 фр. 350 - 500 385 26068 1384,908 36101783,6 фр. 350 – 500 420 26068 1485,149 38714861,93 Вод. пар 385 5000 3251,5 16257500 Жидкая фаза: Жидкая фаза Гудрон 420 47652 971,820 46309170,65 Гудрон 400 47652 912,462 43480621,5 Вод. пар 480 5000 3282,4 16412000 Итого:
81000
104893456,6
Итого:
81000
99064196,4
Избыток тепла в 1-й секции составляет:
Расчёт 2-й секции производим по такой же схеме и результаты выводим в таблицу 7. Таблица 7. Тепловой баланс 2-й секции колонны
Приход
Расход
Наименование
t, o
C
кг
/
ч
кДж/кг
кДж/ч
Наименование
t, o
C
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 о
С Избыток тепла во второй секции снимаем за счёт подачи охлаждённой флегмы до 40 о
С, а так же за счёт ВЦО: Расход ВЦО найдём по уравнению:
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 В качестве теплоизолирующего материала примем минеральную вату. Принимаем температуру окружающего воздуха tо
=20 о
С и ветер, движущийся со скоростью w=10 м/с. Так же принимаем коэффициент теплоотдачи от изоляционного материала в окружающую среду Тепловые потери:
Приближённо принимаем, что всё термическое сопротивление сосредоточено в слое изоляции, тогда толщина слоя изоляционного материала определяется уравнением:
где
Список литературы
|