Курсовая работа (т): Ректификационная установка
Ректификационная установка
Введение
ректификация тепловой флегмовый изоляция
Ректификация известна с начала ХIХ века как один из важнейших технологических процессов главным образом спиртовой и нефтяной промышленности. В настоящее время ректификацию всё шире применяют в самых различных областях химической технологии, где выделение компонентов в чистом виде имеет весьма важное значение (в производствах органического синтеза, изотопов, полимеров, полупроводников и различных других веществ высокой чистоты). Таким образом, процесс ректификации позволяет решить одну из главных задач химической технологии - выделение целевых продуктов требуемой чистоты.
Ректификация - это процесс разделения жидких смесей, который сводится к одновременно протекающим и многократно повторяемым процессам частичного испарения и конденсации разделяемой смеси на поверхности контакта фаз. Ректификационные колонны предназначены для проведения процессов массообмена в химической, нефтехимической промышленности. В зависимости от диаметра, колонные аппараты изготавливают с тарелками различных типов [1].
Наряду с общими требованиями (высокая интенсивность единицы объема аппарата, его стоимость и т.д.) ряд требований может определяться спецификой производства: большим интервалом устойчивой работы при изменении нагрузок, способность тарелки работать в среде загрязненных жидкостей, защиты от коррозии и т.п. Зачастую эти качества становятся превалирующими, определяющими, пригодность конструкции для использования в каждом конкретном процессе [2].
Расчет ректификационной колонны сводится к определению
основных геометрических размеров диаметра и высоты. Оба параметра в
значительной мере определяются нагрузками по пару и жидкости, типом тарелки,
свойствами взаимодействующих фаз.
1. Теоретические основы процесса ректификации
Ректификация - массообменный процесс разделения однородной смеси летучих компонентов, осуществляемый путем противоточного многократного взаимодействия паров, образующихся при перегонке с жидкостью, образующейся при конденсации этих паров. Разделение жидкой смеси основано на различной летучести веществ. При ректификации исходная смесь делится на две части: дистиллят - смесь, обогащенную низкокипящим компонентом (НК), и кубовый остаток - смесь, обогащенную высококипящим компонентом (ВК). Процесс ректификации осуществляется в ректификационной установке. Основным аппаратом является ректификационная колонна, в которой пары перегоняемой жидкости поднимаются снизу, а навстречу парам стекает жидкость, подаваемая в виде флегмы в верхнюю часть аппарата. Процесс ректификации может протекать при атмосферном давлении, а также при давлениях выше и ниже атмосферного. Под вакуумом ректификацию проводят, когда разделению подлежат высококипящие жидкие смеси. Повышенное давление применяют для разделения смесей, находящихся в газообразном состоянии при более низком давлении. Атмосферное давление применяют при разделении смеси жидкостей на составляющие компоненты и чистота получаемых дистиллята и кубового остатка зависят от того, насколько развита поверхность контакта фаз, от количества подаваемой на орошение флегмы и устройства ректификационной колонны.
Процесс ректификации применяется для разделения жидкостей, отличающихся по температурам кипения, за счет противоточного многократного контактирования паров и жидкостей. Для создания тесного контакта между паром и жидкостью ректификационные колонны снабжаются специальными устройствами - насадкой или ректификационными тарелками.
Насадочные колонны применяются в малотоннажных производствах и используются в тех случаях, когда необходим малый перепад давления. Для заполнения насадочных колонн применяются кольца Рашига, изготовленные из различных материалов, кольца Паля, наемки из элементов седлообразного профиля (седла Инталлокс и Берля).
Тарельчатые колонны широко распространены на НПЗ. Различают тарелки по способу передачи жидкости с тарелки на тарелку (провальные и со специальными переточными устройствами), по характеру движения фаз на тарелке (барботажные и струйные), по конструкции устройств для ввода пара в жидкость (контактные, колпачковые, клапанные и др.). В табл. 5.7 представлены сведения об основных типах тарелок, применяемых в химической и нефтеперерабатывающей промышленности.
Технологический расчет ректификационной колонны состоит из следующих операций: 1) составление материального баланса; 2) определение давления в колонне; 3) расчет температурного режима (температуры входа сырья, верха и низа колонны, отбора боковых погонов в сложных колоннах); 4) определение флегмового числа (кратности орошения), т.е. отношения количества орошения, подаваемого в верхнюю часть колонны, к количеству дистиллята; 5) составление теплового баланса; 6) определение внутренних материальных потоков; 7) расчет числа теоретических тарелок; 8) определение числа реальных (действительных) тарелок.
Для непрерывного протекания процесса ректификации необходимо, что бы поступающая на разделение смесь соприкасалась со встречным потоком пара с большей концентрацией труднолетучего (высококипящего) компонента, чем в смеси. Поэтому в установках для непрерывной ректификации (рис. 1) колонны выполняют из двух частей: нижней (исчерпывающей) и верхней (укрепляющей). В исчерпывающей части колонны происходит удаление легколетучего компонента из стекающей вниз жидкости, а в верхней - обогащение поднимающихся вверх паров легколетучим компонентом.
Принципиальная схема ректификационной установки приведена на рисунке 1:
Рисунок 1. - Принципиальная схема ректификационной установки:
- емкость для исходной смеси; 2,9 - насосы; 3 -
теплообменник-подогреватель; 4 - кипятильник; 5 - ректификационная колона; 6 -
дефлегматор; 7 - холодильник дистиллята; 8 - емкость для сбора дистиллята; 10 -
холодильник кубовой жидкости; 11 - емкость для кубовой жидкости.
Исходную смесь из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подают в теплообменник 3, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5, где состав жидкости равен составу исходной смеси.
Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка ХW, т.е. обеделен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой), получаемой в дефлегматоре 6 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в промежуточную емкость 8. Из кубовой части колонны насосом 9 непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 10 и направляется в емкость 11.
Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента) и кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).
Ректификация известна с начала 19 века как один из важнейших технологических процессов главным образом спиртовой и нефтяной промышленности. В настоящее время ректификацию все шире применяют в самых различных областях химической технологии, где выделение компонентов в чистом виде имеет весьма важное значение (в производствах органического синтеза, изотопов, полимеров, полупроводников и различных других веществ высокой чистоты).
. Задание на проектирование
Исходные данные для расчета:
Расход исходной смеси 13500 кг/ч,
давление Р=0,15 МПа,
дистиллят с температурой н.к. -100 оС.
В табл. 1 приведен исходный состав сырья.
Таблица 1 - Состав исходного сырья
№
Температура
Выход на нефть,
% масс.
Плотность
Показатель
Молекул.
фракции
выкипания
отдельных
суммарный
г/см3
преломлен.,
масса
фракции, оС
фракций
n 1
28-40
7,96
7,96
0,6195
1,3580
67
2
40-60
2,68
10,64
0,6462
1,3680
75
3
60-70
6,27
16,91
0,6744
1,3805
82
4
70-80
1,67
18,58
0,7025
1,3930
92
5
80-90
3,59
22,17
0,7120
1,3980
98
6
90-100
7,23
29,40
0,7171
1,4010
101
7
100-110
2,73
32,13
0,7307
1,4078
106
8
110-120
5,01
37,14
0,7315
1,4080
109
9
120-130
4,10
41,44
0,7357
1,4115
113
10
130-140
2,96
44,40
0,7470
1,4170
121
11
140-150
4,04
48,44
0,7505
1,4190
127
12
150-160
3,49
51,93
0,7585
1,4238
133
13
160-170
3,24
55,17
0,7662
1,4270
138
14
170-180
3,06
58,23
0,7722
1,4308
144
15
180-200
4,95
63,18
0,7879
1,4385
154
16
200-220
5,86
69,04
0,7984
1,4450
171
17
220-240
4,30
73,34
0,8139
1,4535
191
18
240-260
2,73
76,07
0,8248
1,4600
206
19
260-290
4,70
80,77
0,8349
1,4660
222
20
290-320
4,04
84,81
0,8479
1,4735
248
21
320-350
3,01
87,82
0,8676
1,4855
280
22
474
12,18
100,00
0,9324
-
421
. Определение минимального числа тарелок
Уравнение материального баланса в мольных единицах имеет вид:
где F -
число молей исходного сырья;
W и P -
число молей жидкости и пара в смеси;
xFi, xWi и yPi - мольные доли компонента в смеси,
жидкости и паре.
Рассчитываем давление насыщенных паров и константу фазового
равновесия для каждой фракции по методу Ашворта:
где Т - температура в колонне, К;
Т0 - температура кипения для фракции, К;
Pi - давление насыщенного
пара для каждой фракции, Па;
P0 - давление в колонне,
Па;
ki - константа фазового
равновесия для i-й фракции.
Относительные летучести определяем как для идеального
раствора, паровая фаза которого близка к идеальному газу.
Пусть высококипящего ключевого компонента в дистилляте находится в
20 раз больше, чем в кубовом остатке (по мольному соотношению), то есть
коэффициент обогащения ψk = 20.
Коэффициент обогащения для i-го компонента
определяем по уравнению:
i - индекс i-го компонента; k - индекс тяжелого ключевого компонента;
Доля отгона ε будет рассчитываться по
уравнению:
где xiF - мольная доля i-го компонента в исходном
потоке нефти;
xiW - мольная доля i-го компонента в кубовом
остатке;
xiD - мольная доля i-го компонента в
дистилляте.
Составы дистиллята и кубового остатка определяем по следующим
уравнениям:
Температуру Т определяем таким образом, чтобы
выполнялись условия:
Зная составы дистиллята и кубового остатка, выполнение
вышеуказанных условий рассчитываем минимальное число теоретических тарелок по
уравнению Фенске-Андервуда:
где i и k - любые два компонента смеси, Результаты расчета выполнены в приложении программы Microsoft Excel и приведены ниже в таблице 2,.
Табл.2 Результаты расчета минимального числа тарелок
№
Т кип, ср С
Мол куба
Мол Дист
Масс дист
Масс куба
1
34,00
0,000336241
0,177425164
11,88748598
0,022528174
2
50,00
0,000165317
0,053354429
4,001582175
0,012398749
3
65,00
0,000572441
0,114136149
9,359164237
0,046940159
4
75,00
0,000189398
0,027087369
2,492037943
0,017424572
5
85,00
0,000537443
0,054640876
5,354805846
0,052669393
6
95,00
0,001489844
0,106706844
10,77739122
0,150474197
7
105,00
0,000767117
0,038355848
4,065719875
0,081314398
8
115,00
0,001976408
0,068358967
7,451127438
0,215428494
9
125,00
0,002271616
0,053853249
6,085417098
0,256692624
10
135,00
0,002248394
0,0361991
4,38009106
0,272055698
11
145,00
0,004325486
0,04685803
5,950969842
0,549336783
12
155,00
0,005315241
0,038385156
5,105225727
0,706927037
13
165,00
0,0071243
0,033981622
4,689463899
0,983153427
14
175,00
0,009694124
0,030259409
4,357354921
1,39595391
15
190,00
0,027012187
0,043879373
6,757423448
4,159876777
16
210,00
0,063005838
0,041543231
7,10389258
10,77399832
17
230,00
0,08156476
0,021139605
4,0376646
15,57886925
18
250,00
0,078416834
0,007787784
1,604283427
16,1538679
19
275,00 0,005103143
1,132897815
38,44800504
20
305,00
0,151820064
0,00108454
0,268965972
37,65137582
21
335,00
0,103460365
0,000214268
0,059994942
28,96890227
22
474,00
0,281536009
0,000102425
0,043120785
118,5266599
сумма
0,99701864
1,000456581
106,9660808
275,0248529
В качестве ключевого компонента приняли фракцию №7, средняя
температура кипения которой составляет 105 оС, т.к. целевым
продуктом является бензиновая фракция.
Температурная граница деления смеси ТГДС = 218 оС;
Давление в колонне приняли P = 150 кПа;
Доля отгона ключевого компонента ξ=0,867;
Минимальное число тарелок в колонне Nmin = 22.
4. Определение минимального флегмового числа
Определяем давление насыщенных паров и константы фазового
равновесия для каждой фракции в низу и верху колоны по уравнениям Ашворта,
приведенными выше. Затем устанавливаем давления в колонне таким образом, чтобы
давления низа колонны Рниза было больше давления верха Рверха на 30 кПа. То
есть Рверха =140, Рниза =170. Среднее давление равно 155 кПа. Температуру верха
колоны определяем итерациями при следующем условии сходимости:
Температура низа колоны определяем итерациями при выполнении
следующего условия:
Рассчитываем среднюю температуру в колоне, давление насыщенных
паров при этой температуре, среднюю константу равновесия для каждой фракции.
Определяем относительные летучести каждого компонента αi/ν по высококипящему ключевому компоненту:
Находим промежуточную характеристическую величину ω:
Данную величину находим итерациями, чтобы получаемая величина ε
была равна мольной доле
отгона.
Минимальное значение флегмового числа определяем по уравнению
Андервуда:
Табл.3 Результаты расчета минимального флегмового числа
n
Tк ср
kiсредн.
αi -
т.к. №8
расчет ω
Rmin
1
34,00
22,73311896
2,757648509
1,809249987
2,08572283
2
50,00
18,3288033
2,223381543
-0,343434349
-0,39584188
3
65,00
14,87258793
1,804124195
-0,248568411
-0,28641551
4
75,00
12,89016255
1,563645428
-0,03832457
-0,04414653
5
85,00
11,13872405
1,351186603
-0,054716725
-0,06300144
6
95,00
9,596705029
1,164131475
-0,079440082
-0,0914105
7
105,00
8,243660817
1
-0,021905708
-0,02518333
8
115,00
7,060383185
0,856462116
-0,030598927
-0,03512946
9
125,00
6,028968842
0,731346058
-0,019185689
-0,02198189
10
135,00
5,132850347
0,622642108
-0,010382777
-0,01186004
11
145,00
4,356796366
0,528502623
-0,010919333
-0,01241605
12
155,00
3,686887572
0,447239115
-0,007323886
-0,00827013
13
165,00
3,110473756
0,377317047
-0,005348261
-0,00597547
14
175,00
2,616117014
0,317348939
-0,00396064
-0,00435359
15
190,00
2,006220084
0,24336519
-0,004445127
-0,00468426
16
210,00
1,39294644
0,168971828
-0,003186479
-0,00298189
17
230,00
0,955219319
0,115873195
-0,001403868
-0,00101758
18
250,00
0,647250987
0,078514995
-0,000551402
-0,00025013
19
275,00
0,391975821
0,047548756
-0,00052679
-9,8019E-05
20
305,00
0,211548481
0,025661958
-0,000216845
-1,1144E-05
21
335,00
0,114463895
0,013885081
-7,70627E-05
-1,1857E-06
22
474,00
0,022228346
0,002696417
-4,00966E-05
-1,0958E-07
Сумма
0,924692959
1,070692698
Результаты расчета минимального флегмового числа:
N1/N2=0,158;
Рверха приняли равным 140 кПа;
Pниза приняли равным 170 кПа;
Pср = 155 кПа;
Тверха = 166,731 оС;
Тниза = 284,93 оС;
Тпитания = 225,8 оС;
Доля отгона при Тпитания = 0,92467;
Промежуточная характеристическая величина w = 0,92469;
Rmin = 1,07069.
5. Определение оптимального числа тарелок,
флегмового числа и диаметра колоны
Определяем число укрепляющей и исчерпывающей частей колоны по
уравнению Керкбрайда:
N1 - число
укрепляющей части колоны;
N2 - число
исчерпывающей части колоны;
i - индекс тяжелого ключевого компонента;
k - индекс легкого ключевого компонента.
Определяем оптимальное число тарелок по уравнению:
Оптимальное флегмовое число:
Таблица 4. Результаты расчета оптимального числа тарелок и
флегмового числа
N min
21,8
N opt
37,8
N1/N2
0,157
R min
1,07
R opt
1,795
Рассчитываем плотность паров каждой узкой фракции по закону
Менделеева-Клапейрона, учитывая коэффициент сжимаемости:
r - плотность, кг/м3;
P - среднее давление в колонне, Па;
M - молекулярная
масса, кг/моль;
R - универсальная
газовая постоянная, Дж/моль·К;
T - средняя
температура в колонне, K;
z - коэффициент
(фактор) сжимаемости газа.
Коэффициент сжимаемости рассчитывается в зависимости от
приведенных параметров:
Для соединений, нормальная температура которых не превышает 235К,
использует выражение для расчета критической температуры:
Для соединений с более высокими нормальными температурами кипения:
Критическое давление (Па) рассчитываем по уравнению Льюиса:
К - константа, для прямой перегонки нефти принимаем 6,3.
Плотность газовой смеси вычисляем, используя правило аддитивности:
rсм - плотность
смеси газов, кг/м3;
ri - плотность i-го
компонента, кг/м3;
yi - мольная доля i-го
компонента в смеси (дистилляте).
Рассчитываем плотность жидких нефтяных фракций при средней
температуре в колоне по уравнению:
rT - плотность
нефтепродукта при температуре T, кг/м3;
T - средняя
температура в колонне, К.
Коэффициент γ рассчитываем
по формуле:
Плотность жидкой смеси фракций определяем по уравнению:
Поверхностное натяжение флегмы определяем в зависимости от
плотности жидкости при средней температуре в колонне по уравнению:
Объемный расход пара находим из массового расхода и плотности
пара:
Массовый расход пара рассчитываем исходя из массовой доли отгона,
которую определяем из соотношения:
εm - массовая доля отгона;
MF - средняя мольная масса сырья;
MG - средняя мольная масса пара.
Средние молярные массы потоков находим по правилу аддитивности:
Определяем массовый расход пара:
Рассчитываем допустимую скорость пара в свободном сечении колоны:
rж -
плотность жидкости, кг/м3;
rп - плотность
пара, кг/м3;
Задаемся межтарельчатым расстоянием h = 400 мм;
Коэффициент С1находим из графика и принимаем равным 750.
Рисунок 2 - Зависимость коэффициента С1 от межтарельчатого
расстояния
Определяем внутренний диаметр ректификационной колоны:
Dk - внутренний диаметр колонны, м;
V0 -
объемный расход пара в колонне, м3/с;
w0 -
допустимая скорость пара, м/с.
Высоту тарельчатой части колоны определяем по уравнению:
где N - число тарелок;
h - расстояние между тарелками, мм;
s - толщина тарелки, принимаем равную 0,1 мм.
Это высота тарелочной части колонны, нужно еще учесть высоту
вверху и внизу колонны, по полметра. То есть полная высота колонны равна 15,96
м.
Колонна имеет эллиптические днища, ограничивающие ее
цилиндрическую часть сверху и снизу. Длина цилиндрической обечайки от верхнего
днища до первой тарелки колонны должна составлять не менее 500 мм, т.к. в этой
части обечайки необходимо разместить штуцеры для ввода флегмы и термометра,
измеряющего температуру в верхней части колонны. Кроме того, в этой части
колонны должно быть размещено распределительное устройство для создания
равномерного потока орошения.
Результаты расчета приведены ниже в таблицах 5,6.
Табл.5 Расчет конструкционных параметров колонны
n
Tк ср
yi, мольн.
xi, мольн.
z
Т кр., К
Р кр., Па
Т прив., К
Р прив. Па
1
34,00
0,16585043
0,00728657
0,952
328,8
3091701
1,517124833
0,051751439
2
50,00
0,049836398
0,00276267
0,954902
356
2990400
1,401209677
0,053504548
3
65,00
0,106519143
0,00741538
0,957721
381,5
2931037
1,307550839
0,054588196
4
75,00
0,025263067
0,00205798
0,956976
398,5
2728859
1,251770753
0,058632571
5
85,00
0,050924245
0,00487505
0,958285
415,5
2671071
1,200555102
0,059901056
6
95,00
0,099372897
0,01122748
0,960741
432,5
2697772
1,153365653
0,059308193 105,00
0,035692295
0,00477992
0,962262
449,5
2671557
1,109745595
0,059890178
8
115,00
0,063567804
0,01013439
0,96436
466,5
2696284
1,069304705
0,059340921
9
125,00
0,050054522
0,00954142
0,965981
483,5
2695619
1,031707642
0,059355559
10
135,00
0,03364434
0,00770189
0,96638
500,5
2605909
0,996664625
0,061398919
11
145,00
0,043585971
0,0120355
0,967362
517,5
2567126
0,963923952
0,062326509
12
155,00
0,035787057
0,0119729
0,968321
534,5
2531842
0,93326594
0,063195094
13
165,00
0,031836493
0,01296231
0,969478
551,5
2517717
0,904497996
0,063549627
14
175,00
0,028610713
0,01423956
0,970374
568,5
2487188
0,877450563
0,06432969
15
190,00
0,042673618
0,02894222
0,971487
594
2430000
0,839782231
0,065843621
16
210,00
0,044259506
0,04603981
0,972349
628
2313684
0,794316314
0,069153776
17
230,00
0,0278603
0,04517411
0,972883
662
2183560
0,753520612
0,073274829
18
250,00
0,015359964
0,03936025
0,974202
696
2128544
0,716710697
0,075168765
19
275,00
0,021581067
0,09917824
0,976097
738,5
2095743
0,675464651
0,07634523
20
305,00
0,013047936
0,11998804
0,977564
789,5
2005585
0,631831089
0,079777235
21
335,00
0,006258186
0,10805482
0,978574
840,5
1891125
0,593492737
0,084605724
22
474,00
0,008404282
0,39438938
0,984294
1076,8
1611363
0,463252828
0,099294795
Сум- ма
1
1,00011989
Таблица 6. Характеристики и конструкционные размеры колоны
N2=
32,6
Gn/Lж=
1
ω=
0,924
N1/N2=
0,158
Nopt=
37,793
Ropt=
1,795
G пит масс =
13500
G пит моль =
104,308
V0=
0,408
ω0=
7,2274
ε m =
0,92467
Gпара масс =
9666,46
Gпара моль =
96,5573
G куб масс =
3833,54
G куб моль =
13,9389
D=
0,268
Hполн=
16224,4
Табл. 7. Характеристика тарелок различных конструкций
Тарелка
Относительная
паровая нагрузка (Gn/Lж)
К.п.д. тарелки,
%
Рабочий
диапазон (Gmax/Gmin)
Сопротивление
тарелки, мм. вод. ст.
Возможное
расстояние между тарелками, мм
Мас-са, кг/м2
Колпачковая
1
80
4 - 5
45 - 80
400 - 800
105
туннельная
(желобчатая)
0,7 - 0,8
65
3 - 4
50 - 85
400 - 600
110
из S-образных элементов
1.1 -1.2
85
4 - 5
45 - 80
400 - 800
55
клапанная
1,2 - 1,3
80
5 - 8
45 - 60
300 - 600
55
ситчатая
1,2 - 1,3
80
4 - 5
40 - 60
400 - 800
35
струйная
1,0 - 1,35
80
3 - 4,5
40 - 70
400 - 600
65
решетчатая
провальная
1,5 - 2,0
70
1,5 - 2,5
25 - 40
200 - 400
40
С1=750
Расстояние между тарелками 400 мм
Тарелка колпачковая, рабочий диапазон 4-5
Это высота тарелочной части колонны, нужно еще учесть высоту
вверху и внизу колонны, по полметра. То есть полная высота колонны равна
16224,4 мм.
Колонна имеет эллиптические днища, ограничивающие ее
цилиндрическую часть сверху и снизу. Длина цилиндрической обечайки от верхнего
днища до первой тарелки колонны должна составлять не менее 500 мм, т.к. в этой
части обечайки необходимо разместить штуцеры для ввода флегмы и термометра,
измеряющего температуру в верхней части колонны. Кроме того, в этой части
колонны должно быть размещено распределительное устройство для создания
равномерного потока орошения.
6. Тепловой расчет установки
Определяем тепловую нагрузку на конденсат по уравнению:
где Расход паров верха колонны находим по уравнению:
Где R - количество флегмы;
GD - массовый расход дистиллята, кг/ч.
7. Конструктивно-механический расчет установки
В задачу конструктивно-механического расчета входит
определение необходимых геометрических размеров отдельных деталей и узлов,
которые определяют конструкцию колонны, ее механическую прочность и
геометрические размеры.
Расчет толщины обечайки
Толщина обечайки рассчитывается по формуле:
где Т.к. среда является агрессивной и токсичной, то принимаем материал
стали 12х18Н10Т, для которой где К2=0,35;
где Принимаем Для обечаек с диаметром больше 200 мм должно выполняться условие:
Расчет толщины крышки и днища
Наиболее рациональной формой для цилиндрических аппаратов является
эллиптическая. Эллиптические днища и крышки изготавливаются из листового
проката штамповкой и могут использоваться в аппаратах с избыточным давлением до
10 МПа. Крышки и днища подбирают стандартными по таблицам из справочной
литературы.
Принимаем толщину крышки и днища равной толщине обечайки S=8 мм.
Подбираем стандартные стальные отбортованные днище и крышку по
ГОСТ 6533-78 [4] с Dк=400.
Рис. 3 Днище колонны
Характеристика днища:
h = 25 мм - высота борта днища;
Масса днища mд = 26,6 кг.
Объем днища Vд 0,01037 м3.
Расчёт и подбор штуцеров
где Штуцер для ввода исходной смеси:
По ОН 26-01-34-66 принимаем штуцер с Штуцер для ввода флегмы:
По ОН 26-01-34-66 принимаем штуцер с Штуцер для отвода кубового остатка:
По ОН 26-01-34-66 принимаем штуцер с Штуцер для вывода паров дистиллята:
G=Gp(R+1)=(13500/3600)
(1,07+1)=7,76кг/с
По ОН 26-01-34-66 принимаем штуцер с Штуцер для ввода паров кубовой смеси:
G=Gw(R+1)=(3833,54/3600)
(1,07+1)=2,2кг/с
По ОН 26-01-34-66 принимаем штуцер с Фланцевое соединение о опоры
Общая высота колонны (без опоры) рассчитывается с учетом
вышеприведенных замечаний. Для колонн данного типа, как правило, применяется
юбочная опора, стандартная высота который зависит от рассчитанной общей высоты
колонны и ее диаметра. Определение высоты и типа опоры требует расчета колонны
на ветровую и сейсмические нагрузки. Рекомендуется принять цилиндрическую опору
высотой 500 - 1000 мм.
Принимаем стандартные размеры болтов и фланца, рекомендуемые
по ГОСТ 1255-67.
8. Расчет тепловой изоляции
Целью расчета тепловой изоляции является определение толщины
слоя теплоизоляционного материала, покрывающего наружную поверхность
теплообменника с целью снижения тепловых потерь и обеспечения требований
безопасности и охраны труда при обслуживании теплоиспользующих установок. С
этой точки зрения температура поверхности слоя изоляции не должна превышать 45.
Расчет толщины теплоизоляционного слоя материала можно проводить по упрощенной
схеме, используя следующее уравнение [7]:
где
ан=9,74+0,07*Δt
где Δt=tиз-tокр
В качестве материала изоляции выбираем совелит с Δt=45-25=20оС
ан=9,74+0,07*20=11,14
δиз=0,098*(285-45)/11,14*(45-25)=
0,106 м= 106 мм
Т.к. наиболее горячая часть колонны это куб, то для всей
остальной колонны можно принять ту же толщину слоя изоляции.
В работающей ректификационной колонне число тарелок или
высота насадки величины постоянные. Основными условиями достижения требуемой
степени разделения компонентов являются: подвод соответствующей тепловой
энергии в куб колонны и подача на ее орошение необходимого количества флегмы.
Оба эти условия неразрывно связаны друг с другом. Изменяя количество подводимой
тепловой энергии в куб и подачи флегмы можно регулировать работу колонны.
Степень разделения компонентов обычно контролируется по температурам в верхней
и нижней частях колонны. Внизу колонны температура должна соответствовать
температуре кипения остатка, температура на верху колонны - температуре кипения
дистиллята. Наряду с этим применяют и другие методы контроля (определение
плотности, показателя преломления, химический анализ).
Если, например, содержание высококипящего компонента в
дистилляте велико (температура верха выше нормы) необходимо увеличить подачу
флегмы в колонну, при этом прежнего количества теплоты в кубе будет
недостаточно и избыток флегмы не испарится в кубе, а перейдет в остаток, в
котором, вследствие этого повысится содержание низкокипящего компонента.
Поэтому одновременно с увеличением подачи флегмы надо
увеличивать подвод тепловой энергии, чтобы температура низа колонны не стала
ниже нормы. Поток флегмы регулируют изменением отбора дистиллята при частичной
конденсации, путем регулирования подаваемой в дефлегматор воды в случае полной
конденсации паров с помощью делителя флегмы. Подвод теплоты в кубе регулируется
изменением подачи тепла конвертированного газа.
Регулирование процесса ректификации может также производиться
изменением состава и количества подаваемой смеси, но чаще бывает наоборот,
необходимо настроить установку на переработку потока с изменившимся составом
питания. При изменении количества смеси, меняется производительность установки
и соответственно должны быть отрегулированы подвод тепла в кубе и подача
флегмы. Существенное влияние на работу установки оказывает изменение состава
смеси. Если, например, содержание низкокипящего компонента в смеси уменьшилось,
то понизится его содержание в дистилляте, т.е. повысится температура вверху
колонны. Для сохранения требуемого состава дистиллята надо уменьшить его отбор,
следовательно, увеличить количество подачи флегмы. Отбор остатка регулируется
так, чтобы уровень жидкости в кубе был постоянен. Если, вследствие увеличения
подачи смеси или увеличения содержания высококипящего компонента, уровень
жидкости в кубе увеличился, то следует увеличить отбор остатка.
Рис. 4. Автоматизация процесса ректификации. 1 - теплообменник, 2
- колонна, 3 - сепаратор
Для стабильной работы колонны и обеспечения необходимой
четкости разделения фракций необходимо регулировать следующие технологические
параметры:
Заключение
В результате проведенного итерационного расчета определили
основные размеры Проектируемой колонны, также выполнили конструкционный расчет.
В работе использовался итерационный метод расчета высоты
сложной колонны по методу Андервуда. с использованием формул Фенске -
Андервуда. Все необходимые для расчета колонны свойства определяли
эмпирическими методами.
Был произведен материальный и тепловой расчет
ректификационной колонны непрерывного действия для разделения легких
прямогонных дистиллятов. Продукты: ректификат - прямогоннные бензиновые
фракции, кубовый остаток.
Диаметр колонны 400 мм, ориентировочная высота колонны -
тарельчатая часть 15,962 м, общая высота 16,224 м. Тип тарелок - колпачковые
TCK-I. общее число тарелок - 38. Выбираем тарелку ТСК-1 диаметром 400 мм.
Периметр слива L = 0,325 м, диаметр колпачка dк = 60 мм, количество колпачков -
7, расстояние между колпачками - 100 мм. Суммарная площадь прорезей всех
колпачков - 9%.
Обобщив все имеющиеся данные можно составить следующее описание
колонны предназначенной для разделения многокомпонентной смеси. На питание в
колонну поступает смесь при температуре 226°С с расходом 13500 кг/ч.
Температура в кубе колонны составляет 285°С и отбор кубового остатка 3833,54
кг/ч. Верх колонны с расходом 9666,45 кг/ч и температурой 167°С, флегмовое
число 4,820972. Процесс разделения осуществляется при давлении: верха колонны
0,140 МПа, низа 0,170 МПа.
Рассчитана изоляция колонны, её толщина составляет 106 мм (в
качестве изоляции был выбран совелит). Ректификационная колонна установлена на
опору типа OB по МН 5131-63. Контроль процесса осуществляется: термометрами
сопротивления, манометрами и расходомерами.
1.
Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия,
1973. - 752 с.
.
Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и
аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1987. - 576 с.
.
Машины и аппараты химических производств. Под ред. И.И. Чернобыльского. Изд.З-е
перераб. и доп.-М.: Машиностроение, 1975. - 456 с.
.
Бакластов A.M., Горбенко В.А., Удыма П.Г. Проектирование, монтаж и эксплуатация
тепломассообменных установок.-М.:Энергоиздат, 1981. - 336 с.
.
Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии: Учебник
длятехникумов.-Л.: Химия, 1981.-352 с.
.
Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/
Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-е
изд. перераб. и доп. М.: Химия, 1991. - 496 с.
.
Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической
аппаратуры.-Л. Машиностроение, 1970-752 с.
.
Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов: Справочник.-Л.:
Машиностроение, Ленинградское отд-е, 1981. - 382 с.
.
Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для
ВУЗов.-Изд. 2-е. В 2-х кн.: Часть 1. Теоретические основы процессов химической
технологии. Гидромеханические процессы и аппараты.-М.: Химия, 1995. - 400 с.
(3.1)
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
- относительные летучести этих компонентов.
, (2.24)
- энтальпии нефтяных жидкости и пара,
кДж/кг (справочная величина);
- расход паров верха колонны, кг/ч;
, (2.25)
- наружное давление, 
.
- прибавка к расчетной толщине, 
- скорость коррозии или эрозии, мм/год,
примем 
;
- срок эксплуатации аппарата, 
- поправочный коэффициент, учитывающий
вид заготовки (листовой прокат).
.
- условие выполнено.
- скорость движения жидкости или пара,
принимаем скорость движения жидкости равную 1,5 м/с, для пара - 30 м/с.
.
.
.
.
.
- коэффициент теплопроводности
изоляционного слоя; 
- температура наружной стенки корпуса; 
- температура поверхности изоляционного
слоя; 
- коэффициент теплоотдачи, определяющий
суммарную скорость переноса теплоты конвекцией и тепловым излучением.
Температуру стенки - принимаем равной 285°C (близкой к средней температуре в кубе колонны).
Температуру изоляционного слоя примем равной 45°C.
9.
Автоматизация процесса
-
температуру на тарелке питания (TRC-1) регулируем изменением подачи пара в
подогреватель.
температуру
верха колонны (TRC-2) регулируем изменением потока флегмы
на
орошение регулируется регулирующим клапаном. Уровень (LRCA-3) в сепараторе
поддерживается регулирующим клапаном.
давление
вверху колонны регулируется (PRC-4) клапаном.
уровень
жидкости в кубе колонны регулируется системой (LRCA-6)
системы
регулирования уровня жидкости в кубе колонны и во флегмовой емкости
предусматривают сигнализацию по верхнему и нижнему предельному значениям.
так
же расход низкокипящей фракции (FR-10)
Список
использованной литературы