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, 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.

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 ), t_кип=287 ^оС, М=226 кг/кмоль.

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

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

3. Фракция 500-КК ^оС

Принимаем: н-пентатриаконтан (С₃₅Н₇₂), t_кип=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 P_атм- атмосферное давление, P_НК и P_ВК –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: P_НК и P_ВК рассчитываются при температуре равной 500 ^оС.

Расчёт состава дистиллата: P_НК и P_ВК 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: t_D=363 ^оС

Температура на выходе из куба равна: t_W=408 ^оС

Температура на входе равна: t_F=376 ^оС

Определяем относительную летучесть по формуле:

При температуре t_D=363 ^оС

При температуре t_W=408 ^оС

Средняя относительная летучесть:

Строим кривую равновесия по формуле:

Рис.1 Кривая равновесия

Состав пара уходящего с питательной тарелки равен y_f=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 N_ТТ=6

Число теоретических тарелок в нижней части N_Н=4

Число теоретических тарелок в верхней части N_В=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 t_Н=388 ^оС равна

Плотность ВК компонента при температур t_Н=388 ^оС равна

Плотность НК компонента при температур t_В=369 ^оС равна

Плотность ВК компонента при температур t_В=369 ^оС равна

Средние вязкости жидкости:

Вязкость НК компонента при температур t_Н=388 ^оС равна

Вязкость ВК компонента при температур t_Н=388 ^оС равна

Вязкость НК компонента при температур t_В=369 ^оС равна

Вязкость ВК компонента при температур t_В=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 D_К=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 h_б=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 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 (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:

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 D_К= 3,6 м

1.Действительную скорость пара в верхней части:

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

3. Фактор нагрузки для верхней части колонны:

Коэффициент поверхностного натяжения для верхней части секции:

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

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 h_б=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 (табл. 6.6. [1]). Коэффициент запаса сечения тарелок:

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

Выбираем площадь прорезей колпачка S₃ =0,0046 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: l_w = 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: