Ректификационная установка

метки: Ректификационный, Установка, Расчет, Температура, Число, Тарелка, Разделение, Штуцер

ректификация тепловой флегмовый изоляция Ректификация известна с начала ХХ 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.

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.

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

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.

Реконструкция ректификационной колонны К-301 с целью

... и выше) в газовую фазу. Этот недостаток обусловливает ограниченное применение данного способа. При втором способе стабилизация конденсата проводится в ректификационных колоннах по одноколонной ... переработке является применение процессов фракционирования с дальнейшим повышением октановой характеристики выделенных бензиновых фракций введением высокооктановых добавок. Газовый конденсат - ценное сырье ...

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:

1 — 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 Х _W , 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).

2. Задание на проектирование

Исходные данные для расчета:

Расход исходной смеси 13 500 кг/ч, давление Р=0,15 МПа, дистиллят с температурой н.к. -100 ^о С.

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/см 3	преломлен.,	масса
	фракции, о С	фракций			n
	28−40	7,96	7,96	0,6195	1,3580
	40−60	2,68	10,64	0,6462	1,3680
	60−70	6,27	16,91	0,6744	1,3805
	70−80	1,67	18,58	0,7025	1,3930
	80−90	3,59	22,17	0,7120	1,3980
	90−100	7,23	29,40	0,7171	1,4010
	100−110	2,73	32,13	0,7307	1,4078
	110−120	5,01	37,14	0,7315	1,4080
	120−130	4,10	41,44	0,7357	1,4115
	130−140	2,96	44,40	0,7470	1,4170
	140−150	4,04	48,44	0,7505	1,4190
	150−160	3,49	51,93	0,7585	1,4238
	160−170	3,24	55,17	0,7662	1,4270
	170−180	3,06	58,23	0,7722	1,4308
	180−200	4,95	63,18	0,7879	1,4385
	200−220	5,86	69,04	0,7984	1,4450
	220−240	4,30	73,34	0,8139	1,4535
	240−260	2,73	76,07	0,8248	1,4600
	260−290	4,70	80,77	0,8349	1,4660
	290−320	4,04	84,81	0,8479	1,4735
	320−350	3,01	87,82	0,8676	1,4855
		12,18	100,00	0,9324	;

3. Определение минимального числа тарелок

Уравнение материального баланса в мольных единицах имеет вид:

(3.1)

где F

W и P — число молей жидкости и пара в смеси;

x _Fi , x _Wi и y _Pi — мольные доли компонента в смеси, жидкости и паре.

Рассчитываем давление насыщенных паров и константу фазового равновесия для каждой фракции по методу Ашворта:

(1)

(2)

(3)

(4)

где Т — температура в колонне, К;

Т

P

P

k

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 ш_k = 20. Коэффициент обогащения для i-го компонента определяем по уравнению:

(5)

(6)

i — индекс i-го компонента; k — индекс тяжелого ключевого компонента;

Доля отгона е будет рассчитываться по уравнению:

(7)

где x_iF — мольная доля i-го компонента в исходном потоке нефти;

x _iW — мольная доля i-го компонента в кубовом остатке;

x _iD — мольная доля i-го компонента в дистилляте.

Составы дистиллята и кубового остатка определяем по следующим уравнениям:

(8)

(9)

Температуру

(10)

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, — относительные летучести этих компонентов.

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
	34,00	0,336 241	0,177 425 164	11,88 748 598	0,22 528 174
	50,00	0,165 317	0,53 354 429	4,1 582 175	0,12 398 749
	65,00	0,572 441	0,114 136 149	9,359 164 237	0,46 940 159
	75,00	0,189 398	0,27 087 369	2,492 037 943	0,17 424 572
	85,00	0,537 443	0,54 640 876	5,354 805 846	0,52 669 393
	95,00	0,1 489 844	0,106 706 844	10,77 739 122	0,150 474 197
	105,00	0,767 117	0,38 355 848	4,65 719 875	0,81 314 398
	115,00	0,1 976 408	0,68 358 967	7,451 127 438	0,215 428 494
	125,00	0,2 271 616	0,53 853 249	6,85 417 098	0,256 692 624
	135,00	0,2 248 394	0,361 991	4,38 009 106	0,272 055 698
	145,00	0,4 325 486	0,4 685 803	5,950 969 842	0,549 336 783
	155,00	0,5 315 241	0,38 385 156	5,105 225 727	0,706 927 037
	165,00	0,71 243	0,33 981 622	4,689 463 899	0,983 153 427
	175,00	0,9 694 124	0,30 259 409	4,357 354 921	1,39 595 391
	190,00	0,27 012 187	0,43 879 373	6,757 423 448	4,159 876 777
	210,00	0,63 005 838	0,41 543 231	7,10 389 258	10,77 399 832
	230,00	0,8 156 476	0,21 139 605	4,376 646	15,57 886 925
	250,00	0,78 416 834	0,7 787 784	1,604 283 427	16,1 538 679
	275,00	0,173 189 212	0,5 103 143	1,132 897 815	38,44 800 504
	305,00	0,151 820 064	0,108 454	0,268 965 972	37,65 137 582
	335,00	0,103 460 365	0,214 268	0,59 994 942	28,96 890 227
	474,00	0,281 536 009	0,102 425	0,43 120 785	118,5 266 599
сумма		0,99 701 864	1,456 581	106,9 660 808	275,248 529

В качестве ключевого компонента приняли фракцию № 7, средняя температура кипения которой составляет 105 ^о С, т.к. целевым продуктом является бензиновая фракция.

Температурная граница деления смеси ТГДС = 218 ^о С;

• Давление в колонне приняли P = 150 кПа;
• Доля отгона ключевого компонента о=0,867;

Минимальное число тарелок в колонне N _min = 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 б_{i /н} по высококипящему ключевому компоненту:

Находим промежуточную характеристическую величину, Данную величину находим итерациями, чтобы получаемая величина, Минимальное значение флегмового числа опр

Табл.3 Результаты расчета минимального флегмового числа

n	Tк ср	kiсредн.	бi — т.к. №8	расчет щ	Rmin
	34,00	22,73 311 896	2,757 648 509	1,809 249 987	2,8 572 283
	50,00	18,3 288 033	2,223 381 543	— 0,343 434 349	— 0,39 584 188
	65,00	14,87 258 793	1,804 124 195	— 0,248 568 411	— 0,28 641 551
	75,00	12,89 016 255	1,563 645 428	— 0,3 832 457	— 0,4 414 653
	85,00	11,13 872 405	1,351 186 603	— 0,54 716 725	— 0,6 300 144
	95,00	9,596 705 029	1,164 131 475	— 0,79 440 082	— 0,914 105
	105,00	8,243 660 817		— 0,21 905 708	— 0,2 518 333
	115,00	7,60 383 185	0,856 462 116	— 0,30 598 927	— 0,3 512 946
	125,00	6,28 968 842	0,731 346 058	— 0,19 185 689	— 0,2 198 189
	135,00	5,132 850 347	0,622 642 108	— 0,10 382 777	— 0,1 186 004
	145,00	4,356 796 366	0,528 502 623	— 0,10 919 333	— 0,1 241 605
	155,00	3,686 887 572	0,447 239 115	— 0,7 323 886	— 0,827 013
	165,00	3,110 473 756	0,377 317 047	— 0,5 348 261	— 0,597 547
	175,00	2,616 117 014	0,317 348 939	— 0,396 064	— 0,435 359
	190,00	2,6 220 084	0,24 336 519	— 0,4 445 127	— 0,468 426
	210,00	1,39 294 644	0,168 971 828	— 0,3 186 479	— 0,298 189
	230,00	0,955 219 319	0,115 873 195	— 0,1 403 868	— 0,101 758
	250,00	0,647 250 987	0,78 514 995	— 0,551 402	— 0,25 013
	275,00	0,391 975 821	0,47 548 756	— 0,52 679	— 9,8019E-05
	305,00	0,211 548 481	0,25 661 958	— 0,216 845	— 1,1144E-05
	335,00	0,114 463 895	0,13 885 081	— 7,70627E-05	— 1,1857E-06
	474,00	0,22 228 346	0,2 696 417	— 4,00966E-05	— 1,0958E-07
Сумма				0,924 692 959	1,70 692 698

Результаты расчета минимального флегмового числа

N ₁ /N₂ =0,158;

Р _верха приняли равным 140 кПа;

P _низа приняли равным 170 кПа;

P _ср = 155 кПа;

Т _верха = 166,731 ^о С;

Т _низа = 284,93 ^о С;

Т _{питания} = 225,8 ^о С;

Доля отгона при Т _{питания} = 0,92 467;

• Промежуточная характеристическая величина w = 0,92 469;

R _min = 1,7 069.

5. Определение оптимального числа тарелок, флегмового числа и диаметра колоны

Определяем число укрепляющей и исчерпывающей частей колоны по уравнению Керкбрайда:

N ₁ — число укрепляющей части колоны;

N ₂ — 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:

— плотность, кг/м³ ;

P

M

R

T

z

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:

_см

_i

y i — мольная доля i -го компонента в смеси (дистилляте).

Рассчитываем плотность жидких нефтяных фракций при средней температуре в колоне по уравнению:

_T

T

Коэффициент г 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:

е _m — массовая доля отгона;

M _F — средняя мольная масса сырья;

M _G — средняя мольная масса пара.

Средние молярные массы потоков находим по правилу аддитивности:

Определяем массовый расход пара:, Рассчитываем допустимую скорость пара в свободном сечении колоны:

_ж

_п

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:

D

V

w

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
	34,00	0,16 585 043	0,728 657	0,952	328,8		1,517 124 833	0,51 751 439
	50,00	0,49 836 398	0,276 267	0,954 902			1,401 209 677	0,53 504 548
	65,00	0,106 519 143	0,741 538	0,957 721	381,5		1,307 550 839	0,54 588 196
	75,00	0,25 263 067	0,205 798	0,956 976	398,5		1,251 770 753	0,58 632 571
	85,00	0,50 924 245	0,487 505	0,958 285	415,5		1,200 555 102	0,59 901 056
	95,00	0,99 372 897	0,1 122 748	0,960 741	432,5		1,153 365 653	0,59 308 193
	105,00	0,35 692 295	0,477 992	0,962 262	449,5		1,109 745 595	0,59 890 178
	115,00	0,63 567 804	0,1 013 439	0,96 436	466,5		1,69 304 705	0,59 340 921
	125,00	0,50 054 522	0,954 142	0,965 981	483,5		1,31 707 642	0,59 355 559
	135,00	0,3 364 434	0,770 189	0,96 638	500,5		0,996 664 625	0,61 398 919
	145,00	0,43 585 971	0,120 355	0,967 362	517,5		0,963 923 952	0,62 326 509
	155,00	0,35 787 057	0,119 729	0,968 321	534,5		0,93 326 594	0,63 195 094
	165,00	0,31 836 493	0,1 296 231	0,969 478	551,5		0,904 497 996	0,63 549 627
	175,00	0,28 610 713	0,1 423 956	0,970 374	568,5		0,877 450 563	0,6 432 969
	190,00	0,42 673 618	0,2 894 222	0,971 487			0,839 782 231	0,65 843 621
	210,00	0,44 259 506	0,4 603 981	0,972 349			0,794 316 314	0,69 153 776
	230,00	0,278 603	0,4 517 411	0,972 883			0,753 520 612	0,73 274 829
	250,00	0,15 359 964	0,3 936 025	0,974 202			0,716 710 697	0,75 168 765
	275,00	0,21 581 067	0,9 917 824	0,976 097	738,5		0,675 464 651	0,7 634 523
	305,00	0,13 047 936	0,11 998 804	0,977 564	789,5		0,631 831 089	0,79 777 235
	335,00	0,6 258 186	0,10 805 482	0,978 574	840,5		0,593 492 737	0,84 605 724
	474,00	0,8 404 282	0,39 438 938	0,984 294	1076,8		0,463 252 828	0,99 294 795
Сум; ма			1,11 989

Таблица 6. Характеристики и конструкционные размеры колоны

N2=	32,6
Gn/Lж=
щ=	0,924
N1/N2=	0,158
Nopt=	37,793
Ropt=	1,795
G пит масс =
G пит моль =	104,308
V0=	0,408
щ0=	7,2274
е m =	0,92 467
Gпара масс =	9666,46
Gпара моль =	96,5573
G куб масс =	3833,54
G куб моль =	13,9389
D=	0,268
Hполн=	16 224,4

Табл. 7. Характеристика тарелок различных конструкций

Тарелка	Относительная паровая нагрузка (G n /Lж)	К.п.д. тарелки, %	Рабочий диапазон (G max /Gmin )	Сопротивление тарелки, мм. вод. ст.	Возможное расстояние между тарелками, мм	Мас-са, кг/м 2
Колпачковая			4 — 5	45 — 80	400 — 800
туннельная (желобчатая)	0,7 — 0,8		3 — 4	50 — 85	400 — 600
из S-образных элементов	1.1 -1.2		4 — 5	45 — 80	400 — 800
клапанная	1,2 — 1,3		5 — 8	45 — 60	300 — 600
ситчатая	1,2 — 1,3		4 — 5	40 — 60	400 — 800
струйная	1,0 — 1,35		3 — 4,5	40 — 70	400 — 600
решетчатая провальная	1,5 — 2,0		1,5 — 2,5	25 — 40	200 — 400

С1=750

Расстояние между тарелками 400 мм, Тарелка колпачковая, рабочий диапазон 4−5

полная высота колонны равна

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:

(2.24)

где — энтальпии нефтяных жидкости и пара, кДж/кг (справочная величина);

• расход паров верха колонны, кг/ч;

Расход паров верха колонны находим по уравнению:

(2.25)

Где R — количество флегмы;

G _D — 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 — наружное давление,

Т.к. среда является агрессивной и токсичной, то принимаем материал стали 12×18Н10Т, для которой .

• прибавка к расчетной толщине,

где — скорость коррозии или эрозии, мм/год, примем ;

• срок эксплуатации аппарата,

К ₂ =0,35;

• где — поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки (листовой прокат) [25, «https:// «].

Принимаем .

Для обечаек с диаметром больше 200 мм должно выполняться условие:

• условие выполнено.

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.

ГОСТ 6533–78

Рис. 3 Днище колонны Характеристика днища:

• h = 25 мм — высота борта днища;

Масса днища m _д = 26,6 кг.

Объем днища V _д 0,1 037 м³ .

Расчёт и подбор штуцеров

где — скорость движения жидкости или пара, принимаем скорость движения жидкости равную 1,5 м/с, для пара — 30 м/с.

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=G _p (R+1)=(13 500/3600) (1,07+1)=7,76_кг/с

По ОН 26−01−34−66 принимаем штуцер с .

Штуцер для ввода паров кубовой смеси:

G=G _w (R+1)=(3833,54/3600) (1,07+1)=2,2_кг/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.

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 — коэффициент теплопроводности изоляционного слоя;
• температура наружной стенки корпуса;
• температура поверхности изоляционного слоя;
• коэффициент теплоотдачи, определяющий суммарную скорость переноса теплоты конвекцией и тепловым излучением.

а _н = 9,74+0,07*Дt

где Дt=t _из -t_окр

В качестве материала изоляции выбираем совелит с Температуру стенки — принимаем равной 285 °C (близкой к средней температуре в кубе колонны).

Температуру изоляционного слоя примем равной 45 °C.

Дt=45−25=20 ^о С

а _н = 9,74+0,07*20=11,14

д _из =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.

9. Автоматизация процесса

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:

• 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 — 1 0 )

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

Обобщив все имеющиеся данные можно составить следующее описание колонны предназначенной для разделения многокомпонентной смеси. На питание в колонну поступает смесь при температуре 226 °C с расходом 13 500 кг/ч. Температура в кубе колонны составляет 285 °C и отбор кубового остатка 3833,54 кг/ч. Верх колонны с расходом 9666,45 кг/ч и температурой 167 °C, флегмовое число 4,820 972. 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.

А. Г. Основные, Павлов К. Ф., И. И. Чернобыльского, Горбенко В. А., И. Л. Проектирование, Г. С. Борисов, Лащинский А. А., А. А. Конструирование, Ю. И. Процессы