Поделиться Поделиться

ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ КОЛОННЫ

Температуру шлема колонны, Тш, рассчитывают методом подбора такой температуры, при которой уравнение изотермы паровой фазы превращается в тождество:

. (42)

где - константа фазового равновесия i-ой фракции;

PDi – давление насыщенных паров фракции при Тш, найденное по

уравнению (18);

Рш – давление в шлеме колонны, в примере расчёта равно 250 кПа.

Искомая температура, Тш, равна 381,2 К или 108,2 0С. Расчёт представлен в таблице 9.

Таблица 9 – Подбор температуры шлема колонны

Пределы выкипания фракций, оС Давление насыщеных паров, Рi, кПа Константа фазового равновесия, ki , мол. доли
до 28 (газ) 1433,70 5,7348 0,10521 0,01835
28-80 417,90 1,6719 0,57512 0,34399
80-95 176,96 0,7078 0,14883 0,21026
95-110 117,38 0,4695 0,12393 0,26396
110-125 76,61 0,3064 0,04177 0,13631
125-140 49,186 0,1967 0,00497 0,02524
140-176 22,27 0,0891 0,00017 0,00175
176-256 3,04 0,0121
256-326 0,15 0,0006
326-411 3,6*10-05 1,424*10-05
411-502 1,96*10-07 7,850*10-08
502-700 1,55*10-12 6,185*10-13
  Итого: - - 1,00000 0,99986≈1

Температуру куба колонны, Тк, рассчитывают методом подбора такой температуры, при которой уравнение изотермы жидкой фазы превращается в тождество:

, (43)

где - константа фазового равновесия i-ой фракции;

PWi – давление насыщенных паров фракции при Тк, найденное по

уравнению (18);

Рк – давление в кубе колонны, в примере расчёта равно 270 кПа.

Искомая температура, Тк, равна 521,03 К, или 248,03 0С. Расчёт представлен в таблице 10.

Таблица 10 – Подбор температуры куба колонны

Пределы выкипания фракций, оС Давление насыщеных паров, Рi, кПа Константа фазового равновесия, ki , мол. доли
до 28 (газ) 6555,33 24,2790
28-80 3260,13 12,0746 0,00006 0,00077
80-95 2003,044 7,4187 0,00172 0,01279
95-110 1587,28 5,8788 0,01319 0,07756
110-125 1246,33 4,6160 0,04461 0,20594
125-140 969,53 3,5909 0,05817 0,20889
140-176 618,89 2,2922 0,13235 0,30336
176-256 200,02 0,7408 0,22252 0,16486
256-326 36,21 0,1341 0,17486 0,02345
326-411 4,37 0,0162 0,14423 0,00234
411-502 0,23 0,0008 0,09314 0,00008
502-700 2,94*10-06 1,1*10-06 0,11515 1,3*10-07
  Итого: - - 1,00000 0,99997≈1

Температуру ввода сырья в отбензинивающую колонну, ТF, рассчитываем методом подбора температуры, при которой выполняются тождества:

, (44)

где X’Fi – мольная доля i-ого компонента в сырье;

- мольная доля i-ого компонента в жидкой фазе;

Е'F - мольная доля отгона сырья на входе в колонну;

- константа фазового равновесия i-ой фракции;

PFi – давление насыщенных паров фракции при ТF, найденное по

уравнению ( 18 );

Рср – среднее давление в колонне, в примере расчёта равно

260 кПа;

- мольная доля i-ого компонента в паровой фазе.

Мольная доля отгона сырья, Е'F, может изменяться от 0 (сырьё холодное или на гране закипания) до 1 (полностью испарённое сырьё). Принимаем Е'F равной мольной доле отбора в дистиллят, т.е. Е'F = Е' =0,2421.

Искомая температура, ТF, равна 477,5 К, или 204,5 0С.

Определяем молекулярную массу, МEi, кг/кмоль, паровой фазы

(45)

где Мi – молекулярная масса отдельных i-ой фракции.

Расчёт температуры питания и молекулярной массы паровой фазы представлен в таблице 11.

Таблица 11 – Расчёт температуры сырья на входе в колонну по

заданной доле отгона

Пределы выкипания фракций, оС Молекулярная масса, Мi, кг/кмоль X’F, мольн. доли Давление насыщных паров, Рi, кПа Константа фазового равновсия, kFi , мольн. доли , мольн. доли
до 28 (газ)   0,0255 4607,21 17,7200 0,00505 0,08940 5,35
28-80 59,85 0,1393 2024,265 7,7856 0,05270 0,41027 32,46
80-95 79,116 0,0373 1140,76 4,3875 0,02051 0,08999 8,45
95-110 93,91 0,0400 867,43 3,3363 0,02555 0,08524 8,63
110-125 101,26 0,0439 652,51 2,5097 0,03217 0,08073 8,80
125-140 109,06 0,0453 485,48 1,8672 0,03743 0,06989 8,20
140-176 117,31 0,1003 286,18 1,1007 0,09796 0,10782 14,27
176-256 132,36 0,1687 75,70 0,2912 0,20359 0,05928 10,16
256-326 171,46 0,1325 10,12 0,0389 0,17272 0,00672 1,56
326-411 231,98 0,1093 0,84 0,0032 0,14409 0,00047 0,14
411-502 306,34 0,0706 0,03 0,0001 0,09313 9,3*10-6 3,8*10-3
502-700 405,34 0,0873 1,02*10-7 3,95*10-8 0,11516 4,5*10-9 2,7*10-6
  Итого: - 1,0000 - - 1,00006 0,99982 98,04

Молекулярная масса паровой фазы, МEi , равна 98,04 кг/кмоль.

Массовая доля отгона:

. (46)

Таким образом, в эвапорационном пространстве колонны в паровою фазу переходит 10,9 мас.% нефти.

10. ФЛЕГМОВОЕ ЧИСЛО

Минимальное флегмовое число, Rmin, определяем по уравнениям Андервуда [ 7 ]:

, (47)

, (48)

где αТксi = kТксi/kТксh = PТксi/PFh - летучесть i-го компонента, относительно тяжёлого ключевого компонента (h), в нашем случае фракции 110-125 оС, при средней температуре в колонне, TКср. К;

Pi, Ph - давление насыщенных паров i-ой фракции и фракции 110-125 оС при TКср, найденные по уравнению ( 18 );

- корень уравнения Андервуда. Обычно его величина находится между значениями αi ключевых компонентов.

TКср. = (Тш + ТF + Тк)/3 =(381,2 + 477,5+521,03)/3 = 459,9 К, (49)

или 186,9 0С;

В нашем случае: Е'F = Е' =0,2421; α4 = 3,3363; α5 = 1,0. Методом подбора находим из первого уравнения Андервуда корень , подставляем его во второе уравнение и определяем Rmin.:

= 2,912,

=1,93 - 1= 0,93.

Результаты расчета приведены в таблице 12.

Оптимальное флегмовое число [ 7, 9 ]:

, (50)

0,93+0,35 = 1,61.

11. ВНУТРЕННИЕ МАТЕРИАЛЬНЫЕ ПОТОКИ колонны

Концентрационная часть колонны.

Массовые расходы:

- стекающей флегмы:

Фк =Rопт·D= 46401,7*1,61= 74632,1 кг/ч; (51)

- поднимающихся паров:

Пк = Фк + D=74632,1+46401,7=121033,8 кг/ч. (52)

Мольные расходы:

- стекающей флегмы:

= /МD= 74632,1/83,48 = 894,0 кмоль/ч; (53)

- поднимающихся паров:

/ МD =121033,8/83,48 =1449,8 кмоль/ч. (54)

Таблица 12 - Расчёт минимального флегмового числа

№ компо- нента Пределы выкипания фракций, оС X’F, мольн. доли Относительная летучесть, αFi , мол. доли
до 28 (газ) 0,0255 17,7200 0,030476 0,10521 0,14468
28-80 0,1393 7,7856 0,222478 0,57512 2,22863
80-95 0,0373 4,3875 0,111036 0,14883 -0,30334
95-110 0,0400 3,3363 0,314611 0,12393 -0,11474
110-125 0,0439 2,5097 -0,273911 0,04177 -0,02152
125-140 0,0453 1,8672 -0,080936 0,00497 -0,00154
140-176 0,1003 1,1007 -0,060975 0,00017 -0,00002
176-256 0,1687 0,2912 -0,018735
256-326 0,1325 0,0389 -0,001796
326-411 0,1093 0,0032 -0,000121
411-502 0,0706 0,0001 -2,4*10-6
502-700 0,0873 3,95*10-8 -1,2*10-9
Итого: - 1,0000 - 0,242105 1,00000 1,93215≈1,93

Объёмные расходы при средней температуре концентрационной секции, равной Tк ср.= (Тш + ТF)/2 = (381,2 + 477,5)/2= 429,35 К и среднем давлении, равном Рк ср. =(Рш + Рср. )/2 = (250+260)/2 = 255 кПа.

- расход флегмы:

м3/ч, (55)

где ρф.к. – абсолютная плотность флегмы при Tк ср, кг/м3 [4],

ρф.к. = 1000*( - (0,001838-0,00132* )*(Tк ср -293)), (56)

ρф.к. = 1000*(0,6682 - (0,001838-0,00132*0,6682)*( 429,35 - 293)) =

= 537,84 кг/м3.

- объёмный расход паров в концентрационной секции [4]:

, (57)

м3/с = 20042,1 м3

Отгонная часть колонны.

Массовые расходы:

- стекающей флегмы:

74632,1+ 453598,3 = 528230,4 кг/ч; (58)

- поднимающихся паров:

= 528230,4 – 453598,3 = 74632,1 кг/ч. (59)

Мольные расходы:

- стекающей флегмы:

894,0+1740,43 = 2634,43 кмоль/ч; (60)

- поднимающихся паров:

= 894,0 кмоль/ч. (61)

Объёмные расходы при средней температуре отгонной секции, равной Tн ср.= (Тк + ТF)/2 = (521,03 + 477,5)/2= 499,265 К и среднем давлении, равном РО ср. =(Рк + Рср. )/2 = (270+260)/2 = 265 кПа

- расход флегмы:

м3/ч, (62)

где ρф.к. – абсолютная плотность флегмы при TО ср, кг/м3,

ρф.к. = 1000*( - (0,001838-0,00132* )*(TО ср -293)), (63)

ρф.к. = 1000*(0,8749 - (0,001838-0,00132*0,8749)*( 499,265 - 293)) =

= 733,99 кг/м3.

- объёмный расход паров в отгонной секции [4]:

, (64)

14108,4 м3/ч.

12. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС КОЛОННЫ

Ректификационная колонна снабжена холодным испаряющимся орошением: пары дистиллята поступают в конденсатор-холодильник (обычно сначала воздушный, затем водяной), конденсируются, конденсат охлаждается до температур 35-40оС, и часть холодного конденсата подаётся как орошение на верхнюю тарелку, а балансовый избыток отводится как верхний продукт колонны. В нашем случае температура в конденсата, Тсеп, равна 313 К (40 оС).

Уравнение теплового баланса колонны в этом случае будет иметь вид [3]:

, (65)

где QF – тепло, поступающее в колонну с сырьём, кДж/ч;

QГ.С – тепло, подводимое в куб колонны «горячей струёй», кДж/ч;

QОР - тепло, поступающее в колонну с холодным орошением, кДж/ч;

QD – тепло, отводимое из колонны с парами дистиллята и орошения, кДж/ч;

QW – тепло, отводимое из колонны с остатком, кДж/ч;

QПОТ – потери тепла в окружающую среду, кДж/ч.

, (66)

(67, 68)

где GF, GFж, GFп – массовый расход сырья, жидкой и паровой фаз сырья, кг/ч;

iFж – энтальпия жидкой фазы сырья, кДж/кг;

IFп – энтальпия паровой фазы сырья, кДж/кг;

ЕF = 0,109 – массовая доля отгона сырья при температуре питания колонны, ТF, равной 477,5 К, или 204,5 0С (см. раздел 10);

, (69)

где Gгс – массовый расход «горячей струи», подающей тепло в колонну, кДж/кг;

Егс - массовая доля паров в составе «горячей струи» при температуре подачи в колонну;

Iгс – энтальпия паровой фазы «горячей струи», кДж/кг;

iгс – энтальпия жидкой фазы «горячей струи», кДж/кг;

, (70)

, (71)

где Gор – массовый расход холодного орошения, кг/ч;

GD – массовый расход дистиллята, кг/ч;

Rопт = 1,61 - оптимальное флегмовое число (раздел 11) ;

ID - энтальпия паров дистиллята при температуре шлема колонны, Tш, 381,2 К, или 108,2 0С, кДж/кг;

iD – энтальпия жидкого дистиллята при температуре шлема колонны, Tш, 381,2 К, или 108,2 0С (температуре конденсации), кДж/кг;

iхол – энтальпия холодного орошения при температуре в сепараторе, Тсеп, 313,0 К или 40 оС, кДж/кг;

, (72)

, (73)

где GW – массовый расход остатка, кг/ч;

iW – энтальпия остатка при температуре куба колонны, Тк, равной 521,03 К, или 248,03 0С, кДж/кг;

Примем потери тепла в колоне, QПОТ, равными 5% от расхода тепла .

Энтальпии жидких нефтепродуктов при соответствующих температурах рассчитываются по уравнению Крэга [3]:

, кДж/кг. (74)

Энтальпии паров нефтепродуктов рассчитываются по уравнению Уэйра и Итона [3]:

, кДж/кг. (75)

Например, энтальпия сырья, поступающего в колонну при, ТF, равной 477,5 К, или 204,5 0С:

- жидкая фаза:

кДж/кг.

- паровая фаза:

=

= 782,57 кДж/кг.

Результаты расчёта энтальпий потоков:

iF = 455,18 кДж/кг   при ТF = 477,5 К (204,5 0С);
IF = 782,57 кДж/кг   при ТF = 477,5 К (204,5 0С);
ID = 577,32 кДж/кг   при Tш = 381,2 К (108,2 0С);
iD = 216,88 кДж/кг   при Tш = 381,2 К (108,2 0С);
iхол = 75,55 кДж/кг   при Тсеп = 313,0 К (40 оС);
iW = 559,42 кДж/кг   при Тк = 521,03 К (248,03 0С);

Количество холодного орошения:

Gор = 1,61*46401,7*(577,32 -216,88)/( 577,32 - 75,55) = 53610,7 кг/ч

Кратность орошения:

Kо = Gор /GD = 53610,7/46401,7 = 1,16. (76)

Рассчитываем количество теплоты паровых и жидких потоков по формулам [4]:

, (77)

. (78)

На основе расчётов составляем тепловой баланс колонны (таблица 13).

Таблица 13 - Тепловой баланс колоны

Поток Температура, К Энтальпия, кДж/кг Расход, кг/ч Количество тепла, кДж/ч
 
ПРИХОД:
С сырьём:        
паровая фаза 477,5 782,57 500000*0,109 42650065,0
жидкая фаза 477,5 455,18 500000*0,891 202782690,0
С орошением, GD 313,0 75,55 53610,7 4050288,4
Всего:       249483043,4
 
РАСХОД:
С парами дистиллята, GD*(К+1) 381,2 577,32 46401,7*2,61 69918322,9
С остатком 521,03 559,42 453598,3
Всего, ∑Q расх:       323670283,9
Потери, 0,05*∑Q расх     0,05*323670283,9 16183514,2
         
Итого:       339853798,1
           

Недостающее тепло вводят в колонну потоком паров кубового продукта, частично испарённого в рибойлере, или «горячей струёй» - парожидкостным потоком нагретого в печи кубового продукта. В отбензинивающих колоннах традиционно используют «горячую струю», нагретую до температуры 300 – 360 0С. В нашем случае, «горячей струёй» необходимо подвести следующее количество тепла:

Qгс = 339853798,1 – 249483043,4 = 90370754,7 кДж/ч.

Массовый расход «горячей струи», GГС, кг/ч, находим по уравнению [4]:

(79)

где EГС – массовая доля отгона (доля паров) «горячей струи»;

Iгс – энтальпия паровой фазы «горячей струи» при температуре, ТГС, кДж/кг;

iгс - энтальпия жидкой фазы «горячей струи» при температуре, ТГС, кДж/кг.

Задавшись температурой «горячей струи», ТГС, в пределах 300– 360 0С, подбираем мольную долю отгона «горячей струи», Е'ГС, при которой выполняются тождества [5]:

, (80, 81)

где X’Wi – мольная доля i-ого компонента в остатке;

- мольная доля i-ого компонента в жидкой фазе;

Е'ГС - мольная доля отгона «горячей струи»;

- константа фазового равновесия i-ой фракции;

PГСi – давление насыщенных паров фракции при ТГС, найденное по уравнению (18);

Рк – давление в кубе колонны, в примере расчёта равно

270 кПа;

- мольная доля i-ого компонента в паровой фазе «горячей струи».

Определяем молекулярную массу, МГС, кг/кмоль, паровой фазы

(82)

где Мi – молекулярная масса i-ой фракции.

В нашем случае, ТГС равна 623 К (350 0С), искомая мольная доля отгона, Е'ГС, равна 0,5547, IГС = 1070,97 кДж/кг, iГС = 853,93 кДж/кг.

Расчёт доли отгона и молекулярной массы паровой фазы «горячей струи» представлен в таблице 14.

Молекулярная масса паровой фазы, МГС , равна 172,13 кг/кмоль.

Массовая доля отгона «горячей струи»:

. (83)

Таким образом, в змеевике печи в паровою фазу переходит 36,3 мас.% отбензиненной нефти.

Массовый расход «горячей струи»:

Таблица 14 – Расчёт доли отгона «горячей струи» при температуре 623 К (350 0С)

Пределы выкипания фракций, оС Молекулярная масса, Мi, кг/кмоль X’W, мольн. доли Давление насыщных паров, РГСi, кПа Константа фазового равновсия, kГСi , мольн. доли , мольн. доли
до 28 (газ)   0,0255 11798,63 43,6986
28-80 59,85 0,1393 7213,57 26,7169 4,2*10-06 0,00011 0,01
80-95 79,116 0,0373 5118,47 18,9573 0,00016 0,00298 0,28
95-110 93,91 0,0400 4344,82 16,0919 0,00141 0,02265 2,29
110-125 101,26 0,0439 3664,36 13,5717 0,00560 0,07593 8,28
125-140 109,06 0,0453 3070,23 11,3712 0,00861 0,09795 11,49
140-176 117,31 0,1003 2237,96 8,2887 0,02624 0,21752 28,79
176-256 132,36 0,1687 1010,02 3,7408 0,08829 0,33027 56,63
256-326 171,46 0,1325 303,06 1,1224 0,16374 0,18379 42,64
326-411 231,98 0,1093 68,29 0,2529 0,24630 0,06230 19,08
411-502 306,34 0,0706 8,57 0,0317 0,20119 0,00638 2,59
502-700 405,34 0,0873 0,08 0,0003 0,25850 0,00008 0,045
  Итого: - 1,0000 - - 1,00004 0,99998 172,13

13. ДИАМЕТР КОЛОННЫ

Диаметр колонны рассчитываем по объему паров в критических сечениях колонны, которым относятся сечения ввода жидкого (верхняя тарелка) и парового («горячая струя» под нижней тарелкой) орошения колонны.

Объемный расход паров на первой тарелке, Vш, м3/с:

(84)

Плотность паров в шлеме колонны:

= 6,58 кг/м3. (85)

Максимальная допустимая скорость паров , Wmax, м/с [2]:

, (86)

где m1, Сmax – коэффициенты, зависящие от типа тарелки, расстояния между тарелками, условий работы колонны;

rж и rп – плотность жидкой и паровой фазы, кг/м3.

Ниже приведены значения коэффициента m1для тарелок различных типов [2, 10]:

- желобчатые тарелки 0,8
- колпачковые тарелки 1,0
- тарелки с S – образными элементами 1,0
- клапанные тарелки 1,15
- ситчатые (струйные) тарелки 1,2
- струйные тарелки с отбойниками 1,4

Значения коэффициента Сmax для различных технологических режимов работы колонн в зависимости от расстояния между тарелками следующие [ 2 ]:

Вид колонн : Расстояние между тарелками, мм
- отбензинивающие, атмосферные -
- стабилизации бензина -
- вакуумные -

Для большинства колонн расстояния между тарелками принимают таким образом, чтобы облегчить чистку, ремонт и инспекцию тарелок: в колоннах диаметром до 2 м – не менее 450 мм, в колоннах большего диаметра – не менее 600 мм, в местах установки люков – не менее 600 мм.

Примем к установке в верхней части колонны клапанные двухпоточные тарелки, а в нижней, наиболее нагруженной по жидкой фазе, части - клапанные четырёхпоточные тарелки. При расстояние между клапанными тарелками, hT , 600 мм, коэффициенты m1= 1,15, Сmax= 760.

Абсолютная плотность флегмы при температуре шлема колонны, Tш, 381,2 К (108,2 0С), по формуле ( 65 ) равна:

ρф.ш. = 1000*(0,6682 - (0,001838-0,00132*0,6682)*( 381,2 - 293)) =

= 583,88 кг/м3.

Максимальная допустимая скорость паров в шлеме колонны:

= 0,693 м/с.

Диаметр колонны рассчитывается из уравнения расхода [ 2 ]:

, м , (87)

где VП – объёмный расход паров, м3/с;

Wmax – максимальная допустимая скорость паров, м/с.

Полученный диаметр округляется в большую сторону до ближайшего стандартного значения [11]. Для стальных колонн рекомендованы значения диаметров от 0,4 до 1,0 м через каждые 0,1 м; от 1,2 до 4,0 м через 0,2 м; далее 4,5 м, 5,0 м, 5,6 м, 6,3 м; от 7,0 до 10 м через 0,5 м, от 11,0 до 14,0 м через 1,0 м, от 16,0 до 20,0 м через 2,0 м.

Диаметр колонны в концентрационной части :

.

Объемный расход паров «горячей струи» под нижней тарелкой, Vк, м3/с:

(88)

Плотность паров в шлеме колонны:

. (89)

Абсолютная плотность отбензиненной нефти при температуре куба колонны, Тк = 521,03 К (248,03 0С), по формуле (63) равна:

ρW.к. = 1000*(0,8749 - (0,001838-0,00132*0,8749)*( 521,03 - 293)) =

= 719,13 кг/м3.

Максимальная допустимая скорость паров в кубе колонны:

= 0,602 м/с.

Диаметр колонны в отгонной части:

Диаметр всей колонны, DK, принимаем по большему из двух найденных значений, выбирая стандартного ряда ближайшее большее число -

3,2 м.

Проверяем нагрузку тарелки по жидкости, Lv, м3/(м .ч) [10]:

, (90)

где Vф – объёмный расход флегмы, рассчитанный в разделе 12, м3/ч;

n – число потоков на тарелке;

W - относительная длина слива, обычно находится в пределах 0,65-0,8 от диаметра колонны.

Нагрузка на периметр слива двухпоточной клапанной тарелки в концентрационной части колонны:

.

Нагрузка на периметр слива четырёх поточной клапанной тарелки в отгонной части колонны:

.

Полученное значение расхода жидкости на единицу длины слива больше допустимого, которое составляет для данного типа тарелок м3/(м*ч) [10]. Тарелки в отгонной части колонны перегружены жидкостью.

14. РАБОЧЕЕ ЧИСЛО ТАРЕЛОК В КОЛОННЕ

Определяем минимальное число теоретических тарелок в концентрационной части колонны [3, 9]:

, (91)

где k4 и k5 – константы фазового равновесия 4 и 5 компонентов при температуре ввода сырья, TF , (см. таблицу 12).

= 4,2.

Оптимальное число теоретических тарелок определяем по эмпирической формуле [ 9 ]:

Nопт=1,7 . (92)

Оптимальное число теоретических тарелок в колонне равно

Nопт=1,7·6,7 +0,7=12,1.

Оптимальное число теоретических тарелок в концентрационной части

1,7*4,2 +0,7 = 7,8.

Рабочее число тарелок в колонне:

(93)

где - к.п.д. тарелки, изменяющийся в пределах от 0,4 до 1.

Конкретное значение зависит от конструкции, размеров, гидродинамических условий работы тарелки, летутечести, вязкости и других физико-химических свойств пара и жидкости. При разделении углеводородных смесей для ориентировочной оценки величины к.п.д. тарелки можно использовать уравнение [ 3 ]:

, (94)

, (95)

, (96)

где µt – динамическая вязкость жидкой фазы сырья при средней температуре в колонне, Па*с;

νt - кинематическая жидкой фазы сырья при средней температуре в колонне, м2/с;

ρ – плотность жидкой фазы сырья при средней температуре в колонне, кг/м3;

- коэффициент относительной летучести ключевых компонентов при средней температуре в колонне;

k4 , k5 – константы фазового равновесия 4 и 5 компонентов при средней температуре в колонне.

В нашем случае, кинематическая вязкость Катунской нефти при температурах 293 и 323 К (20 и 50 0С) равна: ν293 , 15,72*10-6 м2/с и ν323 , 7,24*10-6 м2/с соответственно [12], средняя температура в колонне, TКср., равна 459,9 К.

Пересчёт кинематической вязкости на температуру Tср выполняем по уравнению Гросса [3] :

(97)

= lg (15,72*10-6/7,24*10-6)/lg [(323-273)/293-273)] = 0,8461,

15,72*10-6/10 0,8461* lg [(459,9 -273)/293-273)] = (98)

= 2,32*10-6 м2/с.

Пересчитываем относительную плотность сырья в по формуле (10):

=1,00664*0,8559-0,00925 = 0,85233

Плотность сырья при средней температуре колонны:

ρ= 1000*( - (0,001838-0,00132* )*(TКср -293)), (99)

ρ = 1000*(0,85233 - (0,001838-0,00132*0,85233)*(459,9 - 293)) =

= 733,35 кг/м3.

Вязкость динамическая при средней температуре колонны:

= 2,32*10-6*733,35 = 1,7*10-3 Па*с.

Константы фазового равновесия ключевых компонентов, найденные по формулам (17), (18) при средней температуре колонны: k4 = 2,5051, k5 =1,8465.

Средний по колонне к.п.д. тарелки:

=

= 0,492*(1000*1,7*10-3*2,5051/1,8465)-0,245 = 0,4.

В колоннах большего диаметра, с длиной пути жидкости на тарелке l > 0,9 м, к значениям к.п.д. тарелок, , вводят поправкуΔ, определяемую по рисунку 2 [10, 13]:

.

Длину пути жидкости на тарелке оценивают по уравнению

. (100)

В нашем случае, диаметр колонны, Dк, равен 3,2 м, длина пути жидкости на тарелке, l = 3,2*0,6 = 1,92 м, Δ = 0,203, уточнённый средний по колонне к.п.д. тарелок

=0,4*(1+0,21) = 0,484.

Рисунок 2 – Зависимость поправки Δ .от длины пути жидкости на

тарелке [13]

Рабочее число тарелок в колонне

= 25.

Рабочее число тарелок в концентрационной части колонны:

,

=16,1, принимаем 16 тарелок.

В нижней, исчерпывающей части колонны, будет 25 – 16 = 9 тарелок.

15. ВЫСОТА КОЛОННЫ

Высоту колонны рассчитывается по уравнению [4]:

НК = H1 + Hк + Ни + Нп + Н2 + Нн + Но, м, (101)

где Н1 – высота верхнего днища, м;

Нк – высота концентрационной тарельчатой части колонны верхним сепарационном пространством, м;

Ни – высота отгонной, исчерпывающей тарельчатой части колонны, м;

Нп – высота секции питания, м;

Н2 – расстояние от нижней тарелки до штуцера ввода «горячей струи», м;

Н3 - расстояние от уровня жидкости в кубе колонны до штуцера ввода «горячей струи», м;

Нн – высота куба колонны, от уровня жидкости до нижнего днища, м;

Но – высота опоры, м.

Высота Н1 зависит от формы днища: для стандартных эллиптических днищ Н1 =DК/4, сферических днищ Н1 =DК/2. Сферические днища применяют для вакуумных колонн, колонн, работающих при давлениях более 1 МПа при диаметре более 4 метров [10]. Поэтому Н1 = 3,2/4 = 0,8 м.

Высота концентрационной тарельчатой части колонны с учётом верхнего сепарационного пространства, при расстоянии между тарелками, hт = 0,6 м:

Нк = Nконц *hт = 16*0,6 = 9,6 м. (102)

Высота отгонной, исчерпывающей тарельчатой части колонны:

Ни = (Nотг – 1)*hт = (9 – 1)0,6 = 4,8 м. (103)

Высота секции питания, Нп , берётся из расчёта расстояния между тремя-четырьмя тарелками, принимаем 3 тарелки:

Нп = 3hт= 3*0,6 =1,8 м. (104)

Для равномерного распределения по сечению колонны паров, поступающих из печи, высота Н2 должна быть от 1 до 2 м, в нашем случае

Н2 = 2 hт = 2 * 0,6 = 1,2 м. (105)

Расстояние от уровня жидкости в кубе колонны до штуцера ввода «горячей струи», Н3 , должно быть от 1 до 2 м, принимаем

Н3 = 2 hт = 2 * 0,6 = 1,2 м. (106)

Высота куба колонны, Нн, рассчитывается, исходя из 3-5 минутного запаса остатка, необходимого для нормальной работы насоса в случае прекращения подачи сырья в колонну [4]:

м (107)

где τ – запас времени работы насоса, примем 4 мин;

r – абсолютная плотность остатка при температуре куба колонны, равная 719,13 кг/м3 (см. раздел 13);

Fк = - площадь поперечного сечения колонны, м2.

Для нормальной работы горячего насоса штуцер отбора нижнего продукта должен находится на отметке, обеспечивающей кавитационный запас насоса, равный 4,5-5 м. Высота опоры, Но, выбирается с учётом обеспечения необходимого подпора жидкости: 4-5 м. Примем Но = 4,5 м.

Полная высота колонны:

НК = 0,8+9,6 +4,8 +1,8+1,2+1,2+5,23+4,5 = 29,13 м.

С учётом вылета штуцера для вывода паров дистиллята принимаем высоту колонны равной 29,3 м.

Высота цилиндрической части колонны без опоры с учётом вылета штуцера вывода отбензиненной нефти [4]:

НЦ = НК - Но + DК/4 = 29,3 - 4,5 + 0,8 + 0,17= 25,77 м. (108)

16. ДИАМЕТРЫ ШТУЦЕРОВ

Диаметры штуцеров определяют из уравнения расхода по допустимой скорости потока, Wдоп [10]:

, м, (109)

где – объёмный расход i-го потока через штуцер, м3/ч;

Gi – массовый расход i-го потока через штуцер, кг/ч;

ρi – абсолютная плотность i-го потока при температуре выхода из колонны, кг/м3.

Величина допустимой скорости, Wдоп, м/с, принимается в зависимости от назначения штуцера и фазового состояния потока [ 10 ]:

Скорость жидкостного потока:

- на приёме насоса и в самотечных трубопроводах 0,2-0,6

- на выкиде насоса ......................................................................... 1-2

Скорость парового потока:

- в шлемовых трубах и из кипятильника в колонну...................... 10-30;

- в трубопроводах из отпарных секций......................................... 10-40;

- в шлемовых трубах вакуумных колонн...................................... 20-60;

- при подаче сырья в колонну........................................................ 30-50.

Скорость парожидкостного потока при подаче сырья в колонну

(условно даётся по однофазному жидкостному потоку)…………..0,5-1,0.

Рассчитанный диаметр штуцера далее округляется в большую сторону до ближайшего стандартного значения: 10; 15; 20; 25; 32; 40; 50; 70; 80; 100; 125; 150; 200; 225; 250; 300; 350; 400; 450; 500; 600; 700; 800; 900; 1000; 1200; 1400; 1600 [14].

Штуцер паров дистиллята и орошения: объёмный расход паров, Vш, равен 5,11 м3/с (см. раздел 13), принимаем Wдоп = 20 м/с, тогда

, принимаем 600 мм.

Результаты расчёта остальных штуцеров представлены в таблице 15.

Таблица 15 – Диаметры штуцеров отбензинивающей колонны

Назначение штуцера Массовый расход потока, Gi, кг/ч Абсолютная плотность потока, ρi, кг/м3 Объёмный расход потока, м3 Допустимая скорость, Wдоп, м/с Диаметр штуцера, Dш,
рассчитано, м принято, мм
для орошения 53610,7 653,85 0,0023 1,5 0,138
для сырья 724,37 0,1917 0,75 0,570
для ввода «горячей струи» 242089,04 564,20 0,1192 0,75 0,450
для вывода «горячей струи» 242089,04 719,13 0,0935 0,5 0,487
для вывода отбензиненой нефти 453598,3 719,13 0,1753 0,5 0,664

Кроме рассчитанных штуцеров, колонну комплектуют штуцерами для установки датчиков контрольно-измерительных приборов: в шлеме, в зоне питания и кубовой части колонны принимаем по два штуцера диаметром 40 мм для манометрических и температурных преобразователей (всего 6 шт.). В кубовой части устанавливаем 4 штуцера диаметром 50 мм для установки основного и резервного уровнемеров.


Список рекомендуемой литературы

1. Ахметов С.А. Технология глубокой переработки нефти и газа: Учебное пособие для вузов. - Уфа: Изд-во «Гилем», 2002. - 672 с.

2. Мановян А.К. Технология первичной переработки нефти и природного газа: Учебное пособие для вузов. – М.: Химия, 2001. – 568 с.

3. Расчеты основных процессов и аппаратов нефтепереработки: Справочник / Под ред. Е.Н.Судакова. - М.: Химия, 1979. - 569 с.

4. Сарданашвили А.Г., Львова А.И. Примеры и задачи по технологии переработки нефти и газа. - М.: Химия, 1973. - 272 с.

5. Технологические расчеты установок переработки нефти / М.А. Танатаров [и др.]. - М.: Химия, 1987. - 352 с.

6. Эмирджанов Р.Т., Лемберанский Р.А. Основы технологических расчетов в нефтепереработке и нефтехимии. - М.: Химия, 1989. - 192 с.

7. Александров И.А. Перегонка и ректификация в нефтепереработке. - М.: Химия, 1981. 352 с.

8. ВНТП 81-85. Нормы технологического проектирования предприятий по переработке нефти и производству продуктов органического синтеза.

9. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии / А.И. Скобло [и др.].. - М.: ООО "Недра-Бизнесцентр", 2000. - 677 с.

10. Александров И.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. - М.: Химия, 1979. - 280 с.

11. Альперт Л.З. Основы проектирования химических установок – 3 изд., перераб и доп. – М.: Высш. школа, 1982 – 304. с.

12. Хорошко С.И. Нефти северных регионов. Справочник. – Новополоцк: Изд. ИПК УО "ПГУ", Мин. образ. Республики Беларусь, 2004. – 125с.

13. Поникаров И.И., Поникаров С.И., Рачковский С.В. Расчеты машин и аппаратов химических производств и нефтегазопереработки (примеры и задачи): Учебное пособие.- М.: Альфа-М, 2008.-720 с.

14. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Под ред. Ю.И.Дытнерского. М.: Химия, 1983. - 272 с.

← Предыдущая страница | Следующая страница →