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: PНК и PВК
рассчитываются при температуре равной 500 оС.
Расчёт состава дистиллата: PНК и PВК 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: tD=363 оС
Температура на выходе из куба равна: tW=408 оС
Температура на входе равна: tF=376 оС
Определяем относительную летучесть по формуле:
При температуре tD=363 оС
При температуре tW=408 оС
Средняя относительная летучесть:
Строим кривую равновесия по формуле:
Рис.1
Кривая равновесия
Состав пара уходящего с питательной тарелки равен yf=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 NТТ=6
Число теоретических тарелок в
нижней части NН=4
Число теоретических тарелок в
верхней части NВ=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 tН=388 оС равна
Плотность ВК компонента при температур tН=388 оС равна
Плотность НК компонента при температур tВ=369 оС равна
Плотность ВК компонента при температур tВ=369 оС равна
Средние вязкости жидкости:
Вязкость НК компонента при температур tН=388 оС равна
Вязкость ВК компонента при температур tН=388 оС равна
Вязкость НК компонента при температур tВ=369 оС равна
Вязкость ВК компонента при температур tВ=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 DК=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 hб=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:
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 DК=
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 hб=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: lw = 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:
Скорость пара в колонне:
Расчёт эффективности
тарелок и высоты 1-й секции.
1. Определяем значение критерия
Фурье для колпачковой тарелки:
2. Определяем общее числа единиц
переноса:
Для верха колонны:
3. Локальная эффективность
контакта:
Для верха колонны:
4. Эффективность тарелки по Мэрфи:
Для верха колонны:
5. Действительное число тарелок:
Для верха колонны:
6. Рабочая высота секции для низа:
Для верха:
Общая рабочая высота:
7. Общая высота секции:
Определение рабочего
флегмового числа и числа теоретических тарелок для 2-й секции.
Расчёт второй секции колонны
производим только для верхней части.
Заменяем перегоняемую смесь
углеводородов во 2-й секции на бинарную смесь. В качестве низкокипящеко (НК)
компонента принимаем н-гексадекан (С16Н34 ), а в качестве
выкокипящего (ВК) - : н-гексакозан (С26Н54 ).
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
2-й секции (табл. 3).
Расчёт состава дистиллата:
PНК и PВК рассчитываются при температуре равной 295
оС.
Температуры на выходе из дистиллата и
куба определяем по формуле методом последовательного приближения:
Температура на выходе из дистиллата равна: tD=235 оС
Температура на входе равна: tF=308 оС
Определяем относительную летучесть по формуле:
При температуре tD=235 оС
При температуре tW=308 оС
Средняя относительная летучесть:
Строим кривую равновесия по формуле:
Рис.1
Кривая равновесия
Состав пара уходящего с питательной тарелки равен yf=0,501 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 NТТ=3
Расчёт
физико-химических свойств смеси.
Расчёт средней концентрации жидкости:
Расчёт средней концентрации пара:
Расчёт средней температуры:
Определяются
по той же формуле что и температуры на выходе из дистиллата.
Средняя молекулярная масса пара:
Средняя молекулярная масса жидкости:
Средняя плотность пара:
Средняя массовая доля:
Средняя плотность жидкости:
Плотность НК компонента при температур t =256 оС равна
Плотность ВК компонента при температур t
=256 оС равна
Средняя вязкость жидкости:
Вязкость НК компонента при температур t =256 оС равна
Вязкость ВК компонента при температур t =256 оС равна
Средние коэффициенты диффузии жидкости и
пара:
Для низа колонны:
Гидравлический расчёт
колпачковых тарелок 2-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:
1. Расчёт оценочной скорости:
2. Определяем диаметр:
3. Принимаем колонну диаметра DК=1,0 м
Действительную скорость пара в
нижней части находим:
4. По таблице 6 [1] периметр слива
и относительное
сечение перелива .
Относительная активная площадь тарелки:
5. Фактор нагрузки:
Коэффициент поверхностного натяжения:
Принимая минимальное расстояние между
тарелками , по
табл. 6.7 [1] определяем комплекс В1:
Допустимая скорость пара в рабочем
сечении колонны:
6. 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.
Увеличиваем межтарельчатое расстояние:
Увеличиваем межтарельчатое расстояние:
Увеличиваем межтарельчатое расстояние:
Увеличиваем межтарельчатое расстояние:
Условие выполнилось. Продолжаем расчёт
дальше.
7. Удельная нагрузка на перегородку:
Условие выполнилось. Продолжаем расчёт
дальше.
8. Фактор паровой нагрузки:
Подпор жидкости над
сливным порогом:
9. Глубина барботажа hб=0,03 м (табл. 6.4. [1]), высота прорези
колпачка h3=0,02 м (табл.
6.10. [1]), зазор установки колпачка h4=0,01 м (табл. 6.8. [1]).
Высота парожидкостного слоя на тарелках:
10. Высота сливного порога:
11. Градиент уровня жидкости на тарелке:
12. Динамическая глубина барботажа:
13. 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 =0,0023 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.
14. Фактор аэрации:
15. 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:
Действительная скорость жидкости меньше
допустимых. Таким образом для 2-й секции принимаем данную тарелку.
Больше всего подходит стандартная тарелка
ТСК-Р, которая имеет следующие характеристики:
Диаметр тарелки: D =
1000 мм;
Периметр слива: lw = 0,683м;
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 переливном
устройстве:
Скорость пара в колонне:
Расчёт эффективности
тарелок и высоты 2-й секции.
1. Определяем значение критерия
Фурье для колпачковой тарелки:
2. Определяем общее числа единиц
переноса:
3. Локальная эффективность
контакта:
4. Эффективность тарелки по Мэрфи:
5. Действительное число тарелок:
6. Рабочая высота секции для низа:
7. Общая высота секции:
Тепловой баланс
колонны.
Для расчёта энтальпий
углеводородов воспользуемся формулами:
Для жидких углеводородов:
Для газообразных углеводородов:
Расчёт 1-й секции:
Приход:
1. Паровая фаза:
а) фр. НК-350 оС
б) фр. 350-500 оС
в) Водяной пар (15
ата; t = 420 оС)
2. Жидкая фаза:
а) фр. 500-КК оС
Расход:
1. Паровая фаза:
а) фр. НК-350 оС
б) фр. 350-500 оС
в)
Водяной пар (15 ата; t = 420 оС)
2. Жидкая фаза:
а) фр. 500-КК оС
Результаты расчёта заносим в
таблицу 6.
Таблица
6.
Тепловой
баланс 1-й секции колонны
Приход
|
Расход
|
Наименование
|
t, oC
|
кг/ч
|
кДж/кг
|
кДж/ч
|
Наименование
|
t, oC
|
кг/ч
|
кДж/кг
|
кДж/ч
|
Мазут
|
|
|
|
|
Паровая
фаза:
|
|
|
|
|
Паровая
фаза:
|
|
|
|
|
нк
- 350
|
385
|
2280
|
1414,163
|
3224291,24
|
нк
- 350 оС
|
420
|
2280
|
1516,414
|
3457423,97
|
фр.
350 - 500
|
385
|
26068
|
1384,908
|
36101783,6
|
фр. 350 – 500
|
420
|
26068
|
1485,149
|
38714861,93
|
Вод.
пар
|
385
|
5000
|
3251,5
|
16257500
|
Жидкая
фаза:
|
|
|
|
|
Жидкая
фаза
|
|
|
|
|
Гудрон
|
420
|
47652
|
971,820
|
46309170,65
|
Гудрон
|
400
|
47652
|
912,462
|
43480621,5
|
Вод.
пар
|
480
|
5000
|
3282,4
|
16412000
|
|
|
|
|
|
Итого:
|
|
81000
|
|
104893456,6
|
Итого:
|
|
81000
|
|
99064196,4
|
Избыток тепла в 1-й секции составляет:
Расчёт 2-й секции производим по такой же схеме
и результаты выводим в таблицу 7.
Таблица
7.
Тепловой
баланс 2-й секции колонны
Приход
|
Расход
|
Наименование
|
t, oC
|
кг/ч
|
кДж/кг
|
кДж/ч
|
Наименование
|
t, oC
|
кг/ч
|
кДж/кг
|
кДж/ч
|
Паровая
фаза:
|
|
|
|
|
Паровая
фаза:
|
|
|
|
|
нк
- 350
|
385
|
2280
|
1414,16
|
3224291,24
|
нк
- 350
|
100
|
2280
|
749,797
|
1709537
|
фр.
350 - 500
|
385
|
26068
|
1384,91
|
36101783,6
|
Вод.
пар
|
100
|
5000
|
2689,9
|
13449500
|
Вод.
пар
|
385
|
5000
|
3251,5
|
16257500
|
Жидкая
фаза
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
фр.
350 - 500
|
385
|
26068
|
941,64
|
24546565
|
Итого:
|
|
33348
|
|
55583574,8
|
Итого:
|
|
33348
|
|
39705601,7
|
Избыток тепла в 1-й секции составляет:
Избытки тепла в
секциях снимаются за счёт циркуляционных орошений.
В качестве НЦО примем флегму 1-й секции.
Температуру, до которой необходимо
охладить флегму, найдём из энтальпии возвращаемой флегмы:
Решая уравнение получаем значение
температуры
t = 255 оС
Избыток тепла во второй секции
снимаем за счёт подачи охлаждённой флегмы до 40 оС, а так же за счёт
ВЦО:
Расход ВЦО найдём по уравнению:
Расчёт штуцеров
колонны
Расчёт диаметров штуцеров
производим на основе скорости движения потоков по формуле:
1. Внутренний
диаметр штуцера для входа исходного сырья:
Принимаем скорость движения сырья
Принимаем штуцер с внутренним
диаметром равным D1=0,4 м
2. Внутренний
диаметр штуцера для входа водяного пара:
Принимаем скорость движения сырья
Принимаем штуцер с внутренним
диаметром равным D2=0,2 м
3. Внутренний
диаметр штуцера для выхода гудрона:
Принимаем скорость движения сырья
Принимаем штуцер с внутренним
диаметром равным D3=0,2 м
4. Внутренний
диаметр штуцера для выхода вакуумного погона:
Принимаем скорость движения сырья
Принимаем штуцер с внутренним
диаметром равным D4=0,15 м
5. Внутренний
диаметр штуцера для входа флегмы в 1-ю секцию:
Принимаем скорость движения сырья
Принимаем штуцер с внутренним
диаметром равным D5=0,125
м
6. Внутренний
диаметр штуцера для выхода паров углеводородов с верха колонны:
Принимаем скорость движения сырья
Принимаем штуцер с внутренним
диаметром равным D6=0,25 м
7. Внутренний
диаметр штуцера для входа флегмы во 2-ю секцию:
Принимаем скорость движения сырья
Принимаем штуцер с внутренним
диаметром равным D7=0,04 м
Расчёт теплоизоляции
В качестве теплоизолирующего
материала примем минеральную вату.
Принимаем температуру окружающего
воздуха tо=20 оС
и ветер, движущийся со скоростью w=10 м/с. Так же
принимаем коэффициент теплоотдачи от изоляционного материала в окружающую среду
. Температура
стенки изоляционного материала по технике безопасности не должна превышать 45 оС.
Принимаем её равной
Тепловые потери:
Приближённо принимаем, что всё
термическое сопротивление сосредоточено в слое изоляции, тогда толщина слоя
изоляционного материала определяется уравнением:
где теплопроводность изоляционного материала при
средней температуре; q – удельная
тепловая нагрузка; - средняя температура по
колонне и температура внешней стенки изоляционного материала.
Список
литературы
- Ульянов Б.А., Асламов А.А., Щелкунов Б.И.
Ректификация бинарных и многокомпонентных смесей: Уч. Пособие – Иркутск:
Изд-во ИрГТУ, 1999-240 с.
- Ульянов Б.А., Щелкунов Б. И. Гидравлика
контактных тарелок: Уч. Пособие – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 1996 г.
- Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты
химической технологии: М. 1991 г.
- Татевский А.Е. Физико-химические свойства
индивидуальных углеводородов: М. 1960г. –412 с.
- Иоффе И.Л. Проектирование процессов и
аппаратов химической технологии: М. 1991г.
- Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу
процессов и аппаратов.: М. 1987 г.
- Толчинский А.Р. Основы конструирования и
расчёта химической аппаратуры.: М. 1970г.