6 Расчёт теплообменников подогрева сырья

Исходные данные:

• расход сырья установки 36765 кг/ч;

• расход ЦВСГ 11221 кг/ч;

• расход ВСГ 313 кг/ч;

• плотность сырья 667 кг/м³;

• молекулярная масса ВСГ М_ВСГ = 5,78 и ЦВСГ М_ЦВСГ=7,6

• температура газо-сырьевой смеси 21,6⁰С

Расчёт блока теплообмена для подогрева сырья произведён с помощью программы PRO-II и результаты расчёта представлены приложении А, там же представлена схема теплообмена. Ниже составлена таблица на основании расчётов в PRO-II, где сведены основные показатели применяемых теплообменников.

Таблица 6.1. – Основные показатели теплообменников подогрева сырья

№	Обозн. на схеме.	Внутр.D, мм.	d труб, мм.	Длина труб, м	Т, 0С на входе/выходе в трубное пространство	Т, 0С на входе/выходе в межтрубное пространство	Давление, кПа на входе/выходе в трубное пространство	Давление, кПа на входе/выходе в межтрубное пространство
1	Т11	1200	202	6	81,4/42,2	21,7/68,1	2493,31/2491,25	2600,00/2594,43
2	Т12	1200	202	6	104,4/81,4	68,1/95,4	2493,32/2496,01	2594,43/2585,94
3	Т13	1400	202	6	172,8/104,4	95,4/144,6	2497,99/2496,01	2585,94/2579,13
4	Т14	1400	202	6	262,9/172,8	144,6/236,8	2500,00/2497,99	2579,13/2570,82
5	Т21	1200	202	6	81,3/42,1	21,7/67,9	2493,32/2491,26	2600,00/2594,44
6	Т22	1200	202	6	104,4/81,3	67,9/95,4	2496,01/2493,32	2594,44/2585,94
7	Т23	1400	202	6	173,1/104,4	95,4/144,8	2585,92/2579,10	2497,99/2496,01
8	Т24	1400	202	6	262,9/173,1	144,8/236,9	2500,00/2497,99	2579,09/2570,78

Из расчета теплообменников видно, что поверхность теплообмена составляет 488м² (для Т11, Т12, Т21, Т22) и 676м² (для Т13, Т14, Т23, Т24). Общий коэффициент теплопередачи составляет 250Вт/м²•К.

7. Расчёт сепаратора и стабилизационной колонны

Расчёт сепаратора

Схема работы сепаратора

Исходные данные представлены выше.

Расчёт сепаратора проведён по программе PRO-II. Результаты представлены в приложении Б.

Максимально допустимая скорость паров в сепараторе [6].

W=0,0334_ж/_п = 0,0334640,380/8,268=

=0,305м/с.

Скорость витания частиц жидкой фазы диаметром 510^-3м [9].

U_в=Reg²/(d_п);

 - динамическая вязкость паров;

=T(6(5-2,25lgM_п))10^-6=2986(5-

-2,25lg8,294)10^-6=544610^-6Пас

Критерий Архимеда [5]:

Ar = d³_п(_ж_п)g/²=(510^-3)³8,268(640,380-8,268)9,81/(544610^-6)=194,1

Критерий Рейнольдса [5]:

Re_вит=194,1/(18+0,8194,1)=6,66

Скорость витания частиц:

U_в=Reg²/(d_п)=6,66544610^-6/510^-38,268=0,96м/с;

Допустимая скорость паров w=0,305м/с меньше скороcти витания частиц жидкой фазы u_в=0,96м/с.

Свободное сечение сепаратора:

F=V/w

где:

V – расход паров, м³/с;

W – максимально допустимая скорость паров в сепараторе, м/с.

F=1487/36000,305 =1,35м²;

По жидкости:

F_ж=V_ж/u_ж=58,945/36000,1=0,16м².

Расчёт ведём по парам:

H/d=3

d=F/3==1,35/3==0,7м

Длина Н, м:

Н=0,73=2,1м

8.рАСЧЕТ КОЛОННЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ПРОДУКТА Технологический расчёт колонны.

Исходные данные:

• доля отгона нестабильного изомеризата на входе в стабилизационную колонну

• давление вверху колонны – 1060кПа;

• для колонны приняты клапанные тарелки, т.к. они имеют высокий КПД в широком диапазоне скоростей;

• число тарелок – 50. 20 тарелок в верхней части, 30 тарелок в нижней части. Расстояние между тарелками принимается равное 0,4м. Гидравлическое сопротивление одной тарелки 700Па

Схема работы стабилизационной колонны:

С₁-С₂ с установки

Е-1

С₃-С₄ с установки

нестабильный

изомеризат

стаб. изомеризат

Таблица 7.1 - Материальный баланс колонны.

Наименование	% масс.	т/год	кг/час
Приход:
Нестабильный изомеризат после сепарации	100,00	300000	36765
Итого:	100,00	300000	36765
Получено:
Стабильный изомеризат	98,00	294000	36030
Сухой газ	0,26	785	96
Рефлюкс С3-С4	1,74	5215	639
Итого:	100,00	300000	36765

Определение температурного режима колонны:

Pacчeт пpoцecca oднoкpaтнoгo иcпapeния на входе в колонну

Иcxoдныe дaнныe:

Pacxoд нестабильного изомеризата G= 36765 Kг/чac

Плoтнocть ocтaткa P19= 667 Kг/м³

Дaвлeниe пpи oднoкpaктнoм иcпapeнии P= 1060KПa

Teмпepaтуpa oднoкpaтнoгo иcпapeния T= 102⁰C

Peзультaты pacчeтa:

Maccoвaя дoля oтгoнa пapoв e1= 4.440762495505624E-006

Moльнaя дoля oтгoнa пapoв e= 9.99999883788405E-006

Moлeкуляpнaя мacca иcxoднoй cмecи Mi= 76.12303924560547

Moлeкуляpнaя мacca жидкoй фaзы Ml= 76.12311553955078

Moлeкуляpнaя мacca пapoвoй фaзы Mp= 33.80443572998047

Taблицa 7.2 - Cocтaв жидкoй фaзы ╔══════════╤═══════════════╤══════════════╤════════════════╤════════════════╗

║кoмпoнeнты│ мoльн.дoли │ мacc.дoли │ Kмoль/чac │ Kг/чac ║

╟──────────┼───────────────┼──────────────┼────────────────┼────────────────║

║ Meтaн │ 0.0061841 │ 0.0012998 │ 2.9867 │ 47.7873 ║

║ Этaн │ 0.0032985 │ 0.0012999 │ 1.5931 │ 47.7916 ║

║ Пpoпaн │ 0.0154013 │ 0.0086998 │ 7.4383 │ 319.8460 ║

║ Бутaн │ 0.0116187 │ 0.0086999 │ 5.6114 │ 319.8513 ║

║ 28-62 │ 0.7788487 │ 0.7720001 │ 376.1570 │ 28382.4570 ║

║ 62-85 │ 0.1846488 │ 0.2080005 │ 89.1790 │ 7647.1040 ║

╟──────────┼───────────────┼──────────────┼────────────────┼────────────────╢

║ CУMMA │ 1.0000 │ 1.0000 │ 482.9655 │ 36764.8359 ║

╚══════════╧═══════════════╧══════════════╧════════════════╧════════════════╝

Taблицa 7.3 - Cocтaв пapoвoй фaзы

╔══════════╤═══════════════╤══════════════╤════════════════╤════════════════╗

║кoмпoнeнты│ мoльн.дoли │ мacc.дoли │ Kмoль/чac │ Kг/чac ║

╟──────────┼───────────────┼──────────────┼────────────────┼────────────────║

║ Meтaн │ 0.0926459 │ 0.0438503 │ 0.0004 │ 0.0072 ║

║ Этaн │ 0.0202621 │ 0.0179818 │ 0.0001 │ 0.0029 ║

║ Пpoпaн │ 0.0458602 │ 0.0583352 │ 0.0002 │ 0.0095 ║

║ Бутaн │ 0.0154573 │ 0.0260635 │ 0.0001 │ 0.0043 ║

║ 28-62 │ 0.3385045 │ 0.7555646 │ 0.0016 │ 0.1234 ║

║ 62-85 │ 0.0387143 │ 0.0982046 │ 0.0002 │ 0.0160 ║

╟──────────┼───────────────┼──────────────┼────────────────┼────────────────╢

║ CУMMA │ 0.5515 │ 1.0000 │ 0.0027 │ 0.1633 ║

╚══════════╧═══════════════╧══════════════╧════════════════╧════════════════╝

Taблицa 7.4 - Иcxoднaя cмecь

╔══════════╤═══════════════╤══════════════╤════════════════╤════════════════╗

║кoмпoнeнты│ мoльн.дoли │ мacc.дoли │ Kмoль/чac │ Kг/чac ║

╟──────────┼───────────────┼──────────────┼────────────────┼────────────────║

║ Meтaн │ 0.0061850 │ 0.0013000 │ 2.9872 │ 47.7945 ║

║ Этaн │ 0.0032987 │ 0.0013000 │ 1.5932 │ 47.7945 ║

║ Пpoпaн │ 0.0154016 │ 0.0087000 │ 7.4385 │ 319.8555 ║

║ Бутaн │ 0.0116188 │ 0.0087000 │ 5.6115 │ 319.8555 ║

║ 28-62 │ 0.7788478 │ 0.7720000 │ 376.1586 │ 28382.5801 ║

║ 62-85 │ 0.1846481 │ 0.2080000 │ 89.1792 │ 7647.1201 ║

╟──────────┼───────────────┼──────────────┼────────────────┼────────────────╢

║ CУMMA │ 1.000 │ 1.000 │ 482.9681 │ 36765.0000 ║

╚══════════╧═══════════════╧══════════════╧════════════════╧════════════════╝

Taблицa 7.5 - Moлeкуляpныe мaccы, дaвлeния нacыщeныx пapoв и кoнcтaнт paвнoвecия кoмпoнeнтoв

╔══════════╤═══════════════╤══════════════╤════════════════╗

║кoмпoнeнты│ мoлeк. мacca │ Pi , KПa │ Ki ║

╟──────────┼───────────────┼──────────────┼────────────────║

║ Meтaн │ 16.0000 │ 1.591007E+04 │ 1.498124E+01 ║

║ Этaн │ 30.0000 │ 6.523691E+03 │ 6.142836E+00 ║

║ Пpoпaн │ 43.0000 │ 3.162292E+03 │ 2.977676E+00 ║

║ Бутaн │ 57.0000 │ 1.412855E+03 │ 1.330372E+00 ║

║ 28-62 │ 75.4538 │ 4.615661E+02 │ 4.346197E-01 ║

║ 62-85 │ 85.7501 │ 2.226625E+02 │ 2.096634E-01 ║

╚══════════╧═══════════════╧══════════════╧════════════════╝

Температура верха:

Температура вверху любой колонны определяется по уравнению изотермы паровой фазы [6]:

где у_i^/ - молярная доля i-компонента в смеси углеводородов, включая орошение, но без учета водяного пара;

k_i - константа фазового равновесия i-компонента.

где р_нi - давление насыщенных паров i-компонента углеводородной смеси при температуре вверху колонны, кПа;

р - общее давление вверху колонны, кПа. Вверху колонны давление определяется с учетом гидравлического давления тарелок. р= р_вх - 20·0,7 = 1062 - 20·0,7 = 1048 кПа, где р_вх=1062 кПа - давление на входе в стабилизационную колонну.

Давление насыщенных паров находим с помощью формулы Антуана:

A,B,C- константы, индивидуальные для каждого углеводорода[10].

Метан:A=6,56430;B=380,224;C=264,804;

Этан: A=6,81882;B=661,088;C=256,504;

Пропан: A=6,83054;B=813,684;C=248,116;

Бутан: A=6,88032;B=968,098;C=242,555;

Таблица 7.10 – Определение констант фазового равновесия для компонентов при t=51⁰C и р=1048кПа.

Фракция	Мi, кг/кмоль	Массовые доли, хi	Расход, кг/ч	Расход кмоль/ч	Мольные доли, у'i	Рнi, кПа	Кi	у'i/Ki
Метан	16,00	0,065	143	8,958	0,169433	35285,3341	33,66921	0,00503
Этан	30,00	0,065	143	4,778	0,090364	5507,7719	5,25550	0,01719
Пропан	43,00	0,435	959	22,306	0,421916	1439,5842	1,37364	0,30714
Бутаны	57,00	0,435	959	16,828	0,318287	497,6629	0,47486	0,67026
Итого	45,16	1,000	42354,93	52,87	1,0000	-	-	1

Исходя из расчетов, температура верха колонны равна 51 ˚С.

Температура низа:

Внизу колонны давление определяется с учетом гидравлического сопротивления тарелок. р= р_вх + 30·0,7 = 1062 + 30·0,7 = 1083 кПа, где р_вх=1062 кПа - давление на входе в стабилизационную колонну.

Температура низа колонны определяется из уравнения начала ОИ стабильного бензина, выводимого снизу колонны

Таблица 7.11 – Определение констант фазового равновесия для компонентов при t=153⁰C и р=1083кПа.

Фракция	Мi, кг/кмоль	Массовые доли, хi	Расход, кг/ч	Расход кмоль/ч	Мольные доли, x'i	Рнi, кПа	Кi	x'i∙Ki
28-62	75,45	0,788	28392	375,924	0,811462	1181,4133	1,09087	0,8852
62-70	85,75	0,212	7638	87,343	0,188538	660,1963	0,60959	0,1149
Итого	77.42	1,000	36030	463,267	1,0000	-	-	1

Тепловой баланс колонны

Энтальпия паров, уходящих с верха колонны при Т=41⁰С=314⁰К:

I^CH₄ = 63,24(314/100)+18,56(314/100)²+0,357(314/100)³+61,86(100/314)=412,32кДж/кг;

I^C₂^H₆ = 58,65(314/100)+23,63(314/100)²+0,414(314/100)³+56,15(100/314)=447,84кДж/кг;

I^C₃^H₈ = 33,65(314/100)+26,31(314/100)²+0,538(314/100)³+35,58(100/314)=553,80кДж/кг;

I^C₄^H₁₀ = 34,72(314/100)+26,08(314/100)²+0,545(314/100)³+39,22(100/314)=395,52кДж/кг;

I=0,065412,32+0,065447,84+0,435553,80+0,435395,52=468,86кДж/кг.

Энтальпия орошения при t=51 ⁰C:

Энтальпия жидкости [6]

Энтальпия пропана при 51^оС:

кДж/кг

Энтальпия бутана при 51^оС:

кДж/кг

I^ж = 0,43599,25+0,43590,63=82,60кДж/кг.

-Энтальпия сырья, поступающего в колонну:

_{а) для паровой фазы:}

, где М - молярная масса паровой фазы на входе в колонну.

– коэффициент для расчета энтальпии паров нефтепродуктов в зависимости от температуры.

_{б) для жидкой фазы:}

где коэффициент для расчета энтальпии жидких нефтепродуктов в зависимости от температуры.

, где М - молярная масса жидкой фазы на входе в колонну.

-Энтальпия кубового продукта:

где коэффициент для расчета энтальпии жидких нефтепродуктов в зависимости от температуры.

, где М - молярная масса кубового продукта колонны.

Принимается, что в низ колонны в парообразном состоянии подаётся изомеризат с температурой 170⁰С.

-Энтальпию горячей струи:

где коэффициент для расчета энтальпии жидких нефтепродуктов в зависимости от температуры.

– коэффициент для расчета энтальпии паров нефтепродуктов в зависимости от температуры.

Полное уравнение теплового баланса:

Из этого уравнения можно найти расход «горячей струи»:

,

где G - расходы потоков, H - энтальпии потоков, - доля отгона паров; R=2 – кратность орошения.

Таким образом, определяем расход «горячей струи»:

Рассчитанный расход «горячей струи» обеспечивает поддержание температурного режима в колонне.

Таблица 7.12 - Тепловой баланс.

Наименование	t	I кДж/кг
Приход:
Сырьё	102	439,81
Орошение	40	82,60
Изомеризат из рибойлера	210	783,33
Расход:
Пары с верха колонны	51	468,86
Изомеризат с низа колонны	170	679,33

определение Геометрических размеров колонны

Расход паров в зоне ввода сырья:

где G – мольный расход паров.

Расход паров вверху колонны с учётом орошения (кратность орошения принята 4):

Диаметр верха колонны находим по максимальной допустимой скорости паров в сечении колонны по уравнению [7]:

_,

где:

с_мах – коэффициент зависящий от расстояния между тарелками и условий ректификации;

_п, _ж – абсолютная плотность паров и жидкости, кг/м³;

с_мах=5,4710^-5 [K₁K₂C₁-C₂(-35)];

где ;

где L –массовый расход жидкости в сечении колонны;

_ж =530кг/м³ – плотность жидкости орошающей верх колонны;

_п = G_п/V=735/0,013600=20,4 кг/м³;

G_п – массовый расход паров.

с_мах=8,4710^-5[1,151515-4(17-35)]=0,056

Диаметр верхней части стабилизационной колонны:

Принимаем ближайший стандартный диаметр 0,6м.

Диаметр колонны в нижней части:

_п = G_п/V=(774+8230)/(0,0833600)=30,1 кг/м³;

_ж = 0,667-0,0013(135,6-20)=0,517кг/м³_;

L=35991+1470=37461кг/час;

с_мах=8,4710^-5[1,151515-4(134-35)]=0,02

Принимаем ближайший стандартный диаметр 2м.

Высота колонны

h ₁=1/2d₁=1/20,6=0,30м

h₂=(20-1)a=(20-1)0,4=7,6м

h₃=3a=30,4=1,2м

h₄=(30-1)0,4=11,6м

h₅=2м

Объём жидкости внизу колонны при запасе на 300с:

V_ж=36030300/5173600=5,8м³;

Площадь сечения:

F=3,141,2²/4=1,13м²

h₆=5,8/1,13=5,1м

h₇=4м

H = 0,3+7,6+1,2+11,6+5,1+4 = 29,8м