|
Рефераты |
Расчет колонны выделения фракции 120-128Расчет колонны выделения фракции 120-128Санкт-Петербургский государственный технологический институт (Технический университет) Кафедра технологии Факультет химической технологии нефтехимических и органических веществ и углехимических производств полимерных материалов Курс 5 Группа 443 Курсовая работа Тема: «Расчет колонны выделения фракции 120-128» Студент Николаев Ю.В. Личная подпись Руководитель Пекаревский Б.В. Личная подпись Оценка Подпись руководителя Санкт-Петербург 2008 г. Содержание Исходные данные для расчета 1. Определение физико-химических свойств компонентов питания 2. Состав и расходы компонентов питания 3. Состав и расходы компонентов дистиллята 4. Состав и расходы компонентов остатка 5. Расчет мольной доли отгона. Определение составов паровой и жидкой фаз двухфазного питания 6. Определение температур верха и низа колонны 7. Определение флегмового числа 8. Тепловой баланс ректификационной колонны 9. Расчет величин внутренних потоков жидкости и пара в колонне Предварительный расчет диаметра колонны для укрепляющей секции Предварительный расчет диаметра колонны для отгонной секции Литература Исходные данные Производительность колонны по сырью: F=214480 Температура ввода сырья: tF=180 ?C Давление в секции питания: PF=0,25 МПа Давление наверху колонны: РВ=0,22 МПа Давление внизу колонны: РН=0,28 МПа Состав сырья: Фракция XF 102 - 120 0,18 Легко кипящий компонент 120 - 124 0,05 Тяжело кипящий компонент 124 - 128 0,05 128 - 150 0,295 150 - 179 0,425 Содержание легко кипящего компонента в дистилляте: yD=0,16 Содержание легко кипящего компонента в кубовом остатке: xW=0,016 1. Определение физико-химических свойств компонентов питания
1.1. Определяем относительную плотность компонентов при 20 ?C. 1.2. Определяем относительную плотность компонентов при 15 ?C. где а - температурная поправка 1.3. Рассчитываем величину характеризующего фактора. Рассчитываем молекулярные массы узких фракций (по уравнению Войнова). 1.4. Определяем среднюю молекулярную массу питания MF=123,38 кг/кмоль 1.5. Определяем мольные доли компонентов питания Состав и расходы компонентов питания
1.6. Определяем мольный расход питания F'=F/MF=1738,4 кмоль/час 1.7. Рассчитываем массовые и мольные расходы компонентов питания 1.8. 1.9. Определяем относительную плотность d15F=0,724+5*8,997*10^-4=0,799 кг/м? tF=180 ?C => d20iF=0,794 кг/м? 3. Состав и расходы компонентов дистиллята 3.1 Определяем массовый расход дистиллята D=50641,1 кг/час 3.2 Определяем расход легкого ключевого компонента в дистилляте d120-124=D*yD=50641,1*0,16=8102,6 кг/час
3.3. Определяем расход тяжелого ключевого компонента в дистилляте d(124-128)=50641,1 - (38606,4 + 8102,6)=3932,1 Если в дистилляте присутствуют компоненты более легкие, чем ЛКК, то: 1) их расходы в дистилляте численно равны их расходам в питании 2) суммы их расходов необходимо вычитать из общего расхода дистиллята при определении d ТКК. 3.4. Определяем массовую долю ТКК в дистилляте. yDткк=dткк/D=3932,1/50641,1=0,078 3.5 Определяем мольные расходы компонентов дистиллята. di' = di / Mi Найдем суммарный мольный расход дистиллята D'=?di'=470,10 кмоль/час 3.6. Определяем среднюю молекулярную массу дистиллята. MD=D/D'=50641,1/470,1=107,72 кг/кмоль 3.7. Определяем относительную плотность d15=0,753 кг/м? 3.8. Определяем мольные доли компонентов дистиллята yD'=( yDi*MD)/Mi 4. Состав и расходы компонентов остатка
4.1. Определяем расходы компонентов в кубовом остатке и массовый и мольный расход в остатке в целом Wi=fi - di Wi'=fi' - di' W=F - D W'=F' - D' W=214480 - 50641,1 = 163838,9 кг/час W'=1738,4 - 470,1 = 1268,3 кмоль/час 4.2. Определяем массовые и мольные доли xWi = Wi / W xWi' = Wi' / W' 4.3. Определяем относительную плотность и среднюю молекулярную массу кубового остатка d15W = 0,782 кг/м? MW = W/W'=129,2 кг/кмоль 5. Расчет мольной доли отгона. Определение составов паровой и жидкой фаз двухфазного питания 5.1. Рассчитываем величину вспомогательной функции f(Ti)=f(180+273)=3.96 5.2. Рассчитываем значение давления насыщенных паров узких фракций по формуле Ашворта
5.3. Рассчитаем константу фазового равновесия. KPi=Pi/PF PF = 0,25 МПа 5.4. Определяем мольную долю отгона по формуле Трегубова
5.5. Определяем мольные доли компонентов в жидкой фазе питания 5.6. Рассчитываем мольные доли компонентов в паровой фазе питания yi'=Kpi * Xi' 5.7. Определяем средние молекулярные массы жидкой и паровой фаз Mx= ? Xi'*Mi Mx=125,73 кг/кмоль My= ? yi'*Mi My=120,57 кг/кмоль 5.8. Определяем относительную плотность d15x= ? Xi'* d15i = 0,777 кг/м? d15y= 0,771 кг/м? 5.9 Определяем массовые доли xi и yi 5.10. Определяем массовую долю отгона e = e'*(My/MF) = 0,435 * (120,57/123,38) = 0,425 6. Определение температуры продуктов в верхнем и нижнем сечении колонны Давление насыщенных паров узких нефтяных фракций при умеренных давлениях в системе может быть рассчитано по уравнению Ашворта: Значения вспомогательной функции от рабочей температуры f(Ti) и средних температур выкипания узких фракций f(Tсрi) определяются из соотношения: Константы фазового равновесия компонентов: KPi = P0i / P Температуры верха и низа колонны определяются как корни уравнений численным методом Ньютона - Рафсона: g (T) = ? (yDi / Ki,в) - 1 = 0, g (T) = ? (Ki,н ?xi) - 1 = 0 Итерационная формула для определения улучшенного значения корня выглядит следующим образом: T(r+1) = T(r) - g (T(r))/ g' (T(r)), где r - номер итерации. Для упрощения расчетов примем: g' (T) ? [g(T+?T) - g(T)] / ?T, ?T = 0,001?Т В качестве начального приближения примем значение температуры в секции питания (120 ?С). 6.1. Температура верха колонны Из условия: Pв = 0,22 МПа
Результаты расчетов tB = 143,3°С ; f(143,3+273) = 4,611
6.2. Температура низа колонны Из условия Pн = 0,28 МПа
Результаты расчетов TН = 194,5°С ; f(194,5+273) = 3,737
7. Определение флегмового числа Рн = 0,28 МПа Рв = 0,22 МПа РF = 0,25 МПа tн = 194,5 ?C tв = 143,3 ?C tF = 180 ?C 7.1 Определяем значения коэффициентов относительной летучести
Находим среднее геометрическое значение коэффициентов относительной летучести 7.2. Определяем значения вспомогательного параметра уравнения Андервуда ? ?i* XFi' / (?i - ?) = e' Корень уравнения будем оттискивать на участке 2,65< ? <2,43 Зададимся значениями ?: 2, 3. И найдем при этих значениях величину ? ?i* XFi' / (?i - ?) = e' e'(2) = 0,516 + 0,224 + 0,305 - 3,023 - 0,383 = - 2,36. e'(3) = 1,951 - 0,416 - 0,23 - 0,461 - 0,192 = 0,65 ? = 2,94 7.3. Определяем минимальное флегмовое число Rmin = 6,176 - 1,407 - 0,353 - 1 = 3,42 7.4. Определяем min и рабочее число теоретических тарелок Nmin = 0,735/0,038 - 1 = 18,34 Рабочее число N =(0,4+18,34)/(1-0,4) = 31,23 Рассчитываем min и рабочее число тарелок для укрепляющей секции. Nmin(укр) = 6,96 Nукр = (0,4 + 6,96)/(1 - 0,4) = 12,27 Для отгонной секции Nотг = 18,96 8. Тепловой баланс
8.1. Рассчитываем энтальпии основных потоков 8.2. Рассчитываем энтальпию парожидкостного питания Температура холодного острого орошения - 80 ?C. Потери в окружающую среду принимаем 5% от общего количества расходуемого тепла и с учетом этого находим дополнительное количество тепла, которое следует подвести в куб колонны QВ = 1,05*(QD + QW + Qd - QF) = 11,45*10^7 кДж/час 9. Расчет величин внутренних потоков жидкости и пара в колонне (в массовых долях) Укрепляющая секция Gв = D*(R + 1) = 50641,1*5,97 = 302327,4 кг/час Lв = Gв - D = 251686,3 кг/час Отгонная секция Gн = Qв/(itн(пара) - itн(жидкости)) = 11,45*10^7/(725,6 - 446,4) = 410100,3 кг/час Lн = Gн + W = 573939,2 кг/час 10. Предварительный расчет диаметра колонны 10.1. Укрепляющая часть колонны Выбор типа тарелки. К тарельчатым массообменным устройствам предъявляются следующие основные требования: низкая металлоемкость; высокая производительность, высокая эффективность (т.е. высокий коэффициент полезного действия практической тарелки); малое гидравлическое сопротивление тарелки; широкий диапазон устойчивой работы (тарелка должна эффективно работать как при больших, так и при малых нагрузках по жидкости и пару). Для данной колонны выбираются клапанные прямоточные тарелки. Клапанные тарелки являются барботажными. Главными конструктивными элементами клапанных тарелок являются перфорированное основание тарелки и клапаны, в нерабочем состоянии перекрывающие отверстия в основании тарелки, а под действием потока пара поднимающиеся на некоторую высоту, которая определяется их массой или ограничителями подъема. Клапанные тарелки, благодаря регулируемому сечению, обеспечивают высокую эффективность в широком диапазоне нагрузок. К их достоинствам относятся также почти полное отсутствие «провала» жидкости на нижележащую тарелку и малый унос жидкости паром, поднимающимся не вертикально, а наклонно к плоскости тарелки. Примем расстояние между клапанными тарелками для верха колонны Н=800мм, высоту сливной перегородки hс=50мм, ориентировочную величину динамического подпора жидкости над сливной перегородкой ?hd=50мм. Расчет скорости паров в точке захлебывания. Линейная скорость паров в точке «переброса» жидкости рассчитывается по уравнению: где ? - поверхностное натяжение на границе пар - жидкость при рабочих условиях; - плотность пара, кг/м3. где Tkr - псевдокритическая температура, К, ?l - плотность жидкости при средней температуре укрепляющей секции колонны (84.5 ?С) ?l = (0.772 - 0.000515*143.3)*1000 = 698.201 кг/м3 Tkr = 204.6 + 273 Тогда поверхностное натяжение равно дин/см Плотность пара при температуре укрепляющей части колонны ?v = 7.665 кг/м3 Тогда скорость паров в точке захлебывания = 1.34 м/с Расчет рабочей площади тарелки. Объемная нагрузка по пару в верхнем сечении колонны: где Gmas - массовая нагрузка по парам в данном сечении колонны. V = 302327.4/(3600?7.665) = 10.956 м3/с. Рабочая площадь тарелки рассчитывается по уравнению: Sp = 1.269/(0.9 ? 1.722) = 0.819 м2 Расчет допустимой скорости жидкости в сливном устройстве. Допустимая скорость жидкости в сливном устройстве: Для случая малого пенообразования const = +300 мм, тогда Wdop = (H + const) ? 10-3/5 = (800+300) ? 10-3/5= 0.22 м/с. Расчет площади сливных устройств. Площадь сливных устройств: где Q - объемная нагрузка по жидкости в произвольном сечении укрепляющей секции колонны. Lmas - массовая нагрузка по жидкости в данном сечении колонны. Q = 251686.3/3600 ? 698.201 = 0.1 м3/с. Ssl = 0.1 /(0.9 ? 0.22) = 0.506 м2 Диаметр и основные геометрические размеры согласно ГОСТ. На основании проведенных расчетов выбираем следующие параметры клапанной однопоточной колонны: Диаметр колонны Dk = 5000 мм Длина пути жидкости на тарелке Lt = 1.455 м Площадь поперечного сечения колонны Sk = 19.625 м2 Периметр слива В = 6.44 м Площадь прохода паров S0 = 2.98 м2 Рабочая площадь тарелки Sp = 14.32 м2 Площадь сливных устройств Ssl = 2.48 м2 Зазор между сливом и приемной перегородкой b = 0.06 м Зазор под сливным стаканом а = 0.08 м 10.2. Отгонная часть колонны Предварительный расчет диаметра колонны для отгонной части колонны практически аналогичен расчету для укрепляющей части. Расчет скорости паров в точке захлебывания. Линейная скорость паров в точке «переброса» жидкости рассчитывается по уравнению: ?l = (d20 - 0.000515 ?t)?1000 = (0.783 - 0.000515?194.5)?1000=702.833 кг/м3 Поверхностное натяжение равно ? = 9.562 дин/см Плотность пара при температуре отгонной секции колонны: ?v = 9.308 кг/м3 Тогда скорость паров в точке захлебывания: = 1.232 м/с. Расчет рабочей площади тарелки. Объемная нагрузка по пару в верхнем сечении колонны: где Gmas - массовая нагрузка по парам в данном сечении колонны. V = 410100.3/(3600?9.308) = 12.238 м3/с. Рабочая площадь тарелки рассчитывается по уравнению: Sp = 11.04 м2 Расчет допустимой скорости жидкости в сливном устройстве. Допустимая скорость жидкости в сливном устройстве: Для случая малого пенообразования const = +300 мм, тогда Wdop = (H + const) ? 10-3/5 = 0.22 м/с. Расчет площади сливных устройств. Площадь сливных устройств: где Q - объемная нагрузка по жидкости в произвольном сечении укрепляющей секции колонны. Lmas - массовая нагрузка по жидкости в данном сечении колонны. Q = 573939.2/3600 ? 702.833= 0.227 м3/с. Ssl = 0.227/(0.9 ? 0.22) = 1.146 м2 Диаметр и основные геометрические размеры согласно ГОСТ. На основании проведенных расчетов выбираем следующие параметры клапанной однопоточной колонны: Диаметр колонны Dk = 5000 мм Длина пути жидкости на тарелке Lt = 1.45 м Площадь поперечного сечения колонны Sk = 19.625 м2 Периметр слива В = 6.44 м Площадь прохода паров S0 = 2.98 м2 Рабочая площадь тарелки Sp = 14.32м2 Площадь сливных устройств Ssl = 2.48 м2 Зазор между сливом и приемной перегородкой b = 0.06 м Зазор под сливным стаканом а = 0.08 м Проверочный гидравлический расчет выбранной тарелки Укрепляющая часть колонны. 1. Определение минимальной нагрузки по жидкости и проверка на отсутствие конусообразования. Удельная нагрузка по жидкости: Lv = Q ? 3600/B = 0.1?3600/6.44 = 55.975 м2/ч Динамический подпор жидкости над сливной перегородкой: ?hd = 2.84? Lv2/3 = 2.84?55.975 2/3 = 42 мм Минимально допустимая величина для клапанных тарелок ?hd ?13 мм. Условие выполняется. 2. Определение величины уноса жидкости парами. Отношение объемного расхода паров к рабочей площади тарелки: Wp = V/Sp = 0.765 м/с Высота пены на тарелках: Zf = 342 м Условие Zf < Н выполняется. 3. Расчет удельного уноса жидкости: е0 = (1.72?(83.3? Wp/(Н - Zf))1.38)/? = (1.72 ?(83.3?0.765/(800 - 342)1.38)/8.976 = 0.013 4. Расчетный объемный расход жидкости с учетом уноса: Qp = (Q + е0? Gmas/ (?l?3600))?3600 = 365.934 м3/ч 5. Проверка на захлебывание сливного устройства. Отношение скорости жидкости в сливе к площади слива: Wl = Qp / (3600? Ssl) =365.934/(3600?2.48) = 0.041 м/с Условие Wl ? Wdop выполняется. Отношение скорости жидкости под сливным стаканом к поперечному сечению зазора: Wc = Qp/(B?a?3600) =365.934/(6.44?0.08?3600)= 0.197 м/с Условие Wc < 0.45 выполняется. 6. Проверка на захлебывание тарелки. Удельная нагрузка по жидкости и динамический подпор жидкости с учетом уноса: Lv = Qp/B =56.822 м2/ч ?hd = 2.84? Lv2/3 = 42 мм Скорость паров в точке переброса: = 1.368 м/с Объемная нагрузка по пару в точке переброса: Vper = ? Sp = 1.368*14.32 = 19.588 м3/с Условие V=10.956< Vper выполняется. Проверка на отсутствие провала жидкости. Скорость паров в режиме провала для клапанных тарелок: W0pr =(0.00253? Lv+0.16)v(?l/?v)= 3.185 м/с Объемный расход паров на нижней границе эффективной работы тарелки: Vpr = W0pr?Sp = 9.492 м/с Условие Vpr < V выполняется Минимальная нагрузка по пару в устойчивом режиме работы: Vmin = 0.15?S0v(?l/?v) = 4.243м3/с Условие Vmin< V выполняется. Отгонная часть колонны. Для низа колонны проверочный расчет проводится аналогично верхней части колонны. 1. Определение минимальной нагрузки по жидкости и проверка на отсутствие конусообразования. Удельная нагрузка по жидкости: Lv = Q ? 3600/B =126.803 м2/ч Динамический подпор жидкости над сливной перегородкой: ?hd = 2.84? Lv2/3 = 2.84?126.803 2/3 = 72 мм Минимально допустимая величина для клапанных тарелок ?hd ?13 мм. Условие выполняется. 2. Определение величины уноса жидкости парами. Отношение объемного расхода паров к рабочей площади тарелки: Wp = V/Sp = 0.855м/с Высота пены на тарелках: Zf = 502мм Условие Zf < Н выполняется. 3. Расчет удельного уноса жикости: е0 = (1.72?(83.3? Wp/(Н - Zf))1.38)/? = (1.72 ?(83.3?0.855/(800 - 502)1.38)/9.562 = 0.025 4. Расчетный объемный расход жидкости с учетом уноса: Qp = (Q + е0? Gmas/ (?l?3600))?3600 = 831.155 м3/ч 5. Проверка на захлебывание сливного устройства. Отношение скорости жидкости в сливе к площади слива: Wl = Qp / (3600? Ssl) =831.155 /(3600?2.48) = 0.093м/с Условие Wl ? Wdop выполняется. Отношение скорости жидкости под сливным стаканом к поперечному сечению зазора: Wc = Qp/(B?a?3600) =831.155/(6.44?0.08?3600)= 0.488 м/с Условие Wc < 0.45 выполняется. 6. Проверка на захлебывание тарелки. Удельная нагрузка по жидкости и динамический подпор жидкости с учетом уноса: Lv = Qp/B =129.061 м2/ч ?hd = 2.84? Lv2/3 = 73 мм Скорость паров в точке переброса: = 1.191м/с Объемная нагрузка по пару в точке переброса: Vper = ? Sp = 17.057 м3/с Условие V=12.238< Vper выполняется. 7. Проверка на отсутствие провала жидкости. Скорость паров в режиме провала для клапанных тарелок: W0pr =(0.00253? Lv+0.16)v(?l/?v)= 4.488 м/с Объемный расход паров на нижней границе эффективной работы тарелки: Vpr = W0pr?Sp = 13.375 м/с Условие Vpr < V не выполняется Минимальная нагрузка по пару в устойчивом режиме работы: Vmin = 0.15?S0v(?l/?v) = 0.19 м3/с Условие Vmin< V выполняется. 11. Построение диаграммы производительности тарелки. Укрепляющая часть колонны. 1. Предельная нагрузка по жидкости из допустимой скорости жидкости в сливе: Qs1 = 3600?Wdop1?Ssl = 3600?0.22?2.48 = 1964.16 м3/с Qs2 = 3600?Wc?B?a =3600?0.197?6.44? 0.08 = 365.38 м3/с Меньшее из значений наносим на ось абсцисс и проводим через эту точку вертикальную линию, ограничивающую пропускную способность слива по жидкости. 2. Построение линии захлебывания тарелки. Произвольно выбираются два значения нагрузки по жидкости и для них рассчитываются значения Lv, ?hd, Wpper и Vper. Возьмем Q1 = Qp = 365.934м3/ч, тогда V1 = 1.22 м3/с Q2 = 50 м3/ч, тогда Lv = 50/1.12 = 44.6 м2/ч ?hd = 2.84 = 35.8 мм Wpper = 1.61?0.110.5 ? 9.0480.2 = 2.9 м/с Vper = 2.9 ?1.1 = 3.19 м3/с V2 = 3.19 м3/с Через точки [Q1,V1] и [Q2,V2] проведем линию захлебывания. 3. Построение линии, ограничивающей зону эффективной работы тарелки. При тех же выбранных нагрузках по жидкости Q1 и Q2 рассчитываются нагрузки по пару в режиме провала Vpr = 0.368 м/с. Для Q1 Vpr = 0.368 м3/с, для Q2: W0pr =(0.00253? 44.6+0.16)v(676.482/4.625)= 3.3 м/с Vpr = W0pr ? S0 = 3.3?0.121 = 0.4 м3/с 4. Построение линии, ограничивающей свободу устойчивости работы тарелки. Рассчитанное ранее значение Vmin = 0.19 м3/с наносится на ось ординат и через полученную точку проводим горизонтальную прямую. 5. Построение линии минимальных нагрузок по жидкости. Минимальная нагрузка по жидкости рассчитывается по уравнению: Qmin = Lvmin?В = 10?0.19 = 1.9 м3/ч Для клапанных тарелок Lvmin = 10 м2/ч Точка Qmin наносится на ось абсцисс и проводится прямая, параллельная оси ординат. На диаграмму производительности тарелки наносится рабочая точка М с координатами, равными рабочим нагрузкам Qp = 26.786 м3/ч, V = 1.26 м3/с. Рабочая точка находится в области удовлетворительной работы тарелки. Приложение 1. Аналогично строится диаграмма для отгонной части колонны. 12. Расчет высоты ректификационной колонны Полная высота колонны рассчитывается по уравнению: Hk = h1 + (Nykp - 1) ?H + h2 +(Nотг - 1) ?H + h3 + h4, где h1 - расстояние от верхнего днища до первой ректификационной тарелки, h1 = 0.5 Dk; Nykp, Nотг - число тарелок в укрепляющей и отгонной секциях; h2 - высота секции питания, h2 = 1м; h3 - высота между нижней тарелкой и нижним днищем; h4 - высота опорной части колонны, h4 = 4м. Величина h3 рассчитывается с учетом необходимого запаса жидкости на случай прекращения подачи сырья в колону. Необходимый для этого объем нижней части колонны рассчитывается по формуле: VH = Vw??, где ? - необходимый запас времени = 0.25 ч. Vw - объемный расход кубового остатка, м3/ч Vw = W/ ?w = 163838.9/702.833 = 233.11 м3/ч Vн = 233.11?0.25 = 58.28 м3 h3 = 4?Vн/(?Dk2) = 4?58.28 /(3.14?5 2 ) = 2.96 м Hk = 0.5?5 +(20 - 1)?0.8+1+(30 - 1)?0.8+2.96+4 = 48.86 м Литература 1. Пекаревский Б.В., Гайле А.А. Расчет ректификационных колонн. СПб., 2007. 2. Дытнерский Ю.И. и др. Основные процессы и аппараты химической технологии. М., 2008. 3. Соколов Р.Б., Волков А.К. Алгоритм поиска проектных решений при разработке конструкций химических аппаратов. СПб., 1998. |
|
