Селективная очистка масляных дистиллятов. Учебное пособие
.pdf
4.4.1. Материальный и тепловой балансы рафинатной испарительной колонны
Для определения материального баланса необходимо рассчитать, какое количество растворителя при температурных условиях колонны выделится из рафинатного раствора в виде паров и какое остается в растворе в виде жидкости.
Количество растворителя, остающегося в рафинатном растворе,
определяем по формуле Гурвича |
8р·9%МП |
, |
g8МП |
|
|
:%МП |
|
где gNМП– количество NМП, оставшегося в рафинатном растворе, кг/ч; Nр– количество рафината, кмоль/ч;
МNМП– молекулярная масса NМП, равная 99,13 г/моль;
КNМП– константа фазового равновесия NМП при условиях эвапорационной зоны.
Константу фазового равновесия определяем по формуле
КNМП=Р/П,
где Р– давление насыщенных паров NМП, МПа (см. приложение, табл. П4);
П – давление в эвапорационной зоне, МПа.
Количество рафината находим по формуле
Nр =Gр/Mр,
где Gр– количество рафината, кг/ч;
Мр– молекулярная масса рафината, г/моль.
Молекулярную массу рафината рассчитываем по формуле Крега
44,29 × ρ1515 Мр= 1,03 − ρ1515 ,
где ;;– относительная плотность рафината при 15 ° С. Расход NМП в парах рассчитываем по формуле
g`NМП=GNМП– g NМП,
31
где GNМП– массовый расход NМП в рафинатном растворе, кг/ч;
gNМП – массовый расход NМП, оставшегося в рафинатном растворе после испарения, кг/ч.
В табл. 4.4 представлена форма материального и теплового баланса рафинатной испарительной колонны. Тепловой баланс колонны составляют для определения температуры низа колонны.
|
|
|
|
Таблица 4.4 |
Материальныйи тепловой баланс рафинатной |
|
|||
испарительной колонны (форма таблицы) |
|
|||
|
|
|
|
|
Наименование |
Количество, |
Температура, |
Энтальпия, |
Количество |
потока |
кг/ч. |
ºС |
кДж/кг |
теплоты, |
|
|
|
|
кДж/ч. |
|
|
|
|
|
Взято: |
|
|
|
|
Рафинатный раствор: |
|
|
|
|
рафинат |
|
|
|
|
растворитель |
|
|
|
|
Орошение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Итого |
|
|
|
|
Получено: |
|
|
|
|
пары растворителя |
|
|
|
|
жидкий растворитель |
|
|
|
|
рафинат |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Итого |
|
|
|
|
4.4.2. Определение диаметра рафинатной испарительной колонны
Определяем количество NМП в горячем орошении от острогои
массовый расход паров под верхней тарелкой, кг/ч: |
|
|
||||
g8МПг.о.о. |
g8МП о.о =>?вж%МП >?о.ож%МПA$BР о.о DEр |
FEр |
G |
, |
||
п8МП |
ж8МП |
?в |
?о.о |
|
||
|
H!в |
4 1!в |
|
|
|
|
gп= g`NМП +gNМПо.о..+gNМПг.о.о.
где gп– расход паров под верхней тарелкой, кг/ч;
g`NMП– расход паров МП, уходящих с верха колонны, кг/ч; gNМП г.о.о.– расход NМП в горячем орошении от острого, кг/ч;
32
gNМП о.о..– расход NМП в остром орошении, кг/ч; g – расход рафината в остром орошении, кг/ч;
1ро!вж8МП.о. – энтальпия жидкого NМП при температуре верха колонны, кДж/кг;
H!вп8МП – энтальпия паров NМП при температуре верха колонны,
кДж/кг (см. приложение, табл. П3);
1ж8МП
!о.о. – энтальпия жидкого NМП при температуре орошения, кДж/кг (см. приложение, табл. П2);
1!вр – энтальпия рафината при температуре верха колонны, кДж/кг; 1!ор .о– энтальпия рафината при температуре орошения, кДж/кг. Определяем объем паров NМПпод верхней тарелкой по формуле
|
|
|
Bп· , JK$! · , , |
|||||
|
|
|
(п 9%МП·KL · JK·0 |
|||||
где Vп– |
объем паров NМП, м3/с; |
|
|
|
|
|
||
t – |
температура верха колонны,° С; |
|
||||||
МNМП – |
молярная масса NМП. |
|
|
|
|
|
||
Определяем диаметр колонны по формуле |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
V |
|
||
|
|
|
d = 1,128 |
п |
|
, |
||
|
|
|
ω |
|||||
где d– |
диаметр колонны, м; |
|
|
|
|
|
||
ω– |
скорость движения паров, м/с (по заводским данным –1,9 м/с). |
|||||||
Также скорость движения паров в колонне можно рассчитать по |
||||||||
формуле |
|
M 0,0334. жп, |
||||||
где ж, п– |
|
|||||||
плотности соответственно3 |
жидкости и паров NМП при |
|||||||
температуре верха колонны, кг/м . |
|
|||||||
Плотность жидкой фазы рассчитываем по формуле |
||||||||
где 8МП, Р– |
ж 8МП |
· Q8МП * р ·3Qр, |
||||||
плотности NМП и рафината, кг/м ; |
||||||||
Q8МП, Qр – |
массовые доли NМП и рафината. |
|||||||
Плотность паров NМП определяем по формуле |
||||||||
|
|
|
! |
R, |
, |
|||
|
|
|
%МП |
|
||||
|
|
|
п |
,п·KL |
|
|||
33
где Vп – объем паров NМП, м3/с;
g`NМП – расход NМП в паровой фазе, кг/ч.
4.5. РАСЧЕТ РАФИНАТНОЙ ОТПАРНОЙ КОЛОННЫ
После отгона основного количества растворителя в рафинатной испарительной колонне в рафинате остается небольшое количество NМП, которое удаляется в рафинатной отпарной колонне с помощью водяного пара, подаваемого в низ колонны. Давление в эвапорационной зоне колонны составляет 0,014 МПа.
4.5.1. Определение температур верха и низа колонны
Температура входа рафинатного раствора в отпарную колонну принимаем на 15 ° С выше (температуры рафинатного раствора на выходе из рафинатной испарительной колонны (после нагрева в теплообменнике).
Температуру низа колонны находим как температуру остатка, охлажденного вследствие испарения NМП и определяем из уравнения:
GрСр(tвх– tн )=gNМПLNМП + GNМПо.о.(1!вх8МП 4 1!о.о8МП * Gро.о. 1!вр |
4 1!о.ор , |
||
где Gр – |
расход рафината, кг/ч; |
|
|
Ср – |
теплоемкость рафината, кДж/(кг ° С); |
|
|
tв – |
температура входа рафинатного раствора в колонну, ° С; |
||
tн – |
температура низа колонны, ° С; |
|
|
gNМП – |
расход паров NМП, удаляемых из рафинатного раствора, кг/ч; |
||
LNМП – |
теплота испарения NМП, кДж/кг; |
|
|
GN |
о.о. – расход NМП в остром орошении, кг/ч; |
|
|
1!вх8МП– |
энтальпия жидкого NМП при температуре верха колонны, |
||
кДж/кг; |
|
|
|
1!о.о8МП– |
энтальпия жидкого NМП при температуре |
орошения, |
|
кДж/кг. |
|
|
|
о.о. – |
расход рафината в остром орошении, кг/ч; |
|
|
1!вр |
– |
энтальпия рафината при температуре верха |
колонны, |
кДж/кг;
34
1!ор .о– энтальпия рафината при температуре орошения, кДж/кг.
Отсюда |
BмпVмп $ WXМП >%МП >%МП $ Wр >р |
>р |
. |
||
Tн Tв 4 |
|||||
?вхWрСр?о.о |
?вх |
?о.о |
|
||
Температура верха отпарной колонны определяем как температу-
ру кипения NМП при давлении его насыщенных паров. |
|||
|
|
Z8МП |
8%МП [ · ], |
|
|
|
8%МП$"\ |
гдеРNМП – |
давление насыщенных паров NМП, МПа; |
||
NNМП – |
количество NМП, кмоль/ч; |
||
Z – |
количество водяного пара вводимого в колонну, кг/ч; |
||
π– |
давление в колонне, МПа. |
|
|
Массовый расход водяного пара в колонну определяем по формуле
Z= Gр×0,016,
гдеGр – массовый расход рафината, кг/ч.
4.5.2. Определение диаметра отпарной колонны
Определяем количество NМП в горячем орошении от острогои
массовый расход паров под верхней тарелкой, кг/ч: |
|||||||
|
|
|
B%МП о.о DEж%МПFEж%МПG^_ |
|
р р |
||
|
g8МПг.о.о. |
?в |
?о.о |
|
Р о.о DE?в FE?о.о G, |
||
|
|
`?вп%МП >?вж%МП |
|
||||
|
|
gп= g`NМП +gNМПо.о..+gNМПг.о.о., |
|||||
где gп– расход паров под верхней тарелкой, кг/ч; |
|||||||
g`NMП– |
расход паров МП, уходящих с верха колонны, кг/ч; |
||||||
gNМП г.о.о.– расход NМП в горячем орошении от острого, кг/ч; |
|||||||
gNМП о.о..– |
расход NМП в остром орошении, кг/ч; |
||||||
gро.о. – |
расход рафината в остром орошении, кг/ч; |
||||||
1!вж8МП |
– |
энтальпия жидкого NМП при температуре верха колон- |
|||||
ны, кДж/кг; |
|
|
|
|
|
|
|
H!вп8МП – |
энтальпия паров NМП при температуре верха колонны, |
||||||
кДж/кг; |
|
|
|
|
|
|
|
1!ож8МП.о. – |
энтальпия жидкого |
NМП |
при |
температуре орошения, |
|||
кДж/кг.
35
1!вр |
– |
энтальпия рафината при температуре верха колонны, кДж/кг; |
||
1!ор |
.о– |
энтальпия рафината при температуре орошения, кДж/кг. |
||
Объем паров под верхней тарелкойрассчитываем по формуле |
||||
|
|
Bп |
a , · JK$! · , , |
|
|
|
(п 9%МП |
* 9вп |
JK·KL ·0 |
где gп– |
массовый расход паров NМП под верхней тарелкой колонны, кг/ч; |
|||
МNMП– молекулярная масса NМП;
Z– массовый расход водяного пара в колонну, кг/ч; Мвп– молекулярная масса водяного пара;
tв– |
температура верха колонны, ° С; |
||||
π– |
давление верха колонны, МПа. |
||||
Определяем диаметр колонны по формуле |
|||||
|
|
|
|
||
|
|
V |
|||
|
d = 1,128 |
п |
, |
||
|
ω |
||||
где d– |
диаметр колонны, м; |
||||
ω– |
скорость движения паров в колонне, м/с(по заводским данным |
||||
–2,4 м/с).
4.6.РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННОЙ АППАРАТУРЫ
4.6.1.Расчет холодильника циркулирующего экстрактного раствора колонны К-1
Расчет конденсаторов-холодильников и холодильников сводится к определению поверхности теплообмена,числа типовых аппаратов и определению расхода хладагента. При расчете водяного холодильника температура охлажденного продукта не должна превышать температуру охлаждающей воды на 7–10 ° С. Температура охлаждающей воды на выходе из холодильника не должна быть выше 45–50 ° С, так как при более высокой температуре усиливается коррозия и увеличивается отложение солей.
4.6.2. Расчет теплообменника «Рафинатный раствор/рафинат»
Расчет теплообменника, служащего для нагрева рафинатного раствора перед испарительной рафинатной колонной за счет тепла рафи-
36
Годовая производительность установки по сырью( год :
300000 тыс. т/год.
Время работы установки в год ( с): 340 сут. Расход растворителя на сырье:150 %. Выход рафината: 60 % мас.
Величина безвозвратных потерь: 0,35 % мас. Производительность установки по сырью определяем по формуле
|
|
год· |
|
K · |
, |
|||
|
|
|
|
|
|
K · |
36762,5 кг/ч |
|
|
с· |
|
|
|||||
где G – |
часовая производительность установки по сырью, кг/ч; |
|||||||
Gгод – годовая производительность установки по сырью, т/год; |
||||||||
с=340 – число суток работы в году. |
|
|||||||
Объемную производительность установки определяем по формуле |
||||||||
|
с |
|
KLJL ,; 41,8 мK/ч, |
|||||
где с– |
|
|
|
|
|
ii |
3 |
|
плотность сырья установки, 880 кг/м (при t = 20 °C). |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
37 |
|
Материальный баланс установки
В табл. 4.5 представленматериальный баланс установки селективной очистки.
Таблица 4.5
Материальный баланс установки селективной очистки масел
Статьи баланса |
% мас. |
кг/ч |
т/сут. |
тыс. т/год |
|
|
|
|
|
Взято: |
|
|
|
|
сырье |
100,00 |
36762,5 |
882,3 |
300 |
Итого |
100,00 |
36762,5 |
882,3 |
300 |
Получено: |
|
|
|
|
рафинат |
60,00 |
22057,5 |
529,4 |
180 |
экстракт |
39,65 |
14576,3 |
349,8 |
118,95 |
Потери |
0,35 |
128,7 |
3,1 |
1,05 |
Итого |
100,00 |
36762,5 |
882,3 |
300 |
|
|
|
|
|
Материальный баланс экстракционной колонны
В табл. 4.6 представлен материальный баланс экстракционной колонны установки селективной очистки.
|
|
|
Таблица 4.6 |
Материальный баланс экстракционной колонны |
|
||
|
|
|
|
Наименование продукта |
% мас. |
% мас. |
кг/ч |
|
на сырье |
на раствор |
|
Взято: |
|
|
|
сырье |
100,0 |
– |
36762 |
растворитель |
150,0 |
– |
55144 |
Итого |
250,0 |
|
91906 |
Получено: |
|
|
|
Рафинатный раствор: |
70,8 |
100 |
26028 |
рафинат |
60,2 |
85 |
22131 |
растворитель |
10,6 |
15 |
3898 |
Экстрактный раствор: |
179,2 |
100 |
65877 |
экстракт |
39,8 |
17,8 |
14631 |
растворитель |
139,4 |
82,2 |
51246 |
Итого |
250,0 |
|
91906 |
|
|
|
|
38
Тепловой баланс экстракционной колонны
Температура верха колонны – 64 оС, температура низа – 50 ° С.
В табл. 4.7 представлен тепловой баланс экстракционной колонны установки селективной очистки.
Количество циркулирующего экстрактного раствора определяют
из теплового баланса по формуле |
прих расх |
|
|
|
||||
|
|
|
ц э· э· !" !# $ %МП· %МП· !" !# |
, |
|
|||
|
|
|
JJL K kJK iLk |
|
|
|||
|
, k · , Ji ; K; $ ,LJ· ,i ; K; 55181 кг/ч |
|
|
|||||
где Qприх – |
количество теплоты, поступающее в колонну, кДж/ч; |
|||||||
Qрасх– |
количество теплоты, уходящее из колонны, кДж/ч; |
|||||||
cэ и сNМП – |
теплоемкости экстракта и NМП (средняя для двух |
|||||||
температур t1 и t2); |
|
|
|
|
|
|
||
xэи xNМП – |
массовые доли экстракта и NМП в экстрактном рас- |
|||||||
творе; |
|
|
|
|
|
|
|
|
t1 и t2 – температуры входа и выхода в холодильник/из холодиль- |
||||||||
ника циркулирующего экстрактного раствора, ° С. |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 4.7 |
|
Материальный баланс экстракционной колонны |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|||
Наименование |
|
Количество, |
Температура, |
Энтальпия, |
Количество |
|||
потока |
|
|
кг/ч |
ºС |
кДж/кг |
|
теплоты |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
кДж/ч |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Взято: |
|
|
|
|
|
|
|
|
сырье |
|
|
|
36762 |
54 |
113,1 |
|
4157782 |
растворитель |
|
|
55144 |
67 |
127,3 |
|
7019831 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Итого |
|
|
|
91906 |
|
|
|
11177613 |
Получено: |
|
|
|
|
|
|
|
|
Рафинатный раствор: |
|
|
|
|
|
|
||
рафинат |
|
|
|
22131 |
64 |
133,8 |
|
2961128 |
растворитель |
|
|
3898 |
64 |
121,6 |
|
473997 |
|
Экстрактный раствор: |
|
|
|
|
|
|
||
экстракт |
|
|
|
14631 |
50 |
104,7 |
|
1531866 |
растворитель |
|
|
51246 |
50 |
93,0 |
|
4765878 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Итого |
|
|
|
91906 |
|
|
|
9732869 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
39
Расчет размеров экстракционной колонны
Для определения диаметра экстракционной колонны определяем объемы рафинатного и экстрактного растворов.
Объем рафинатного раствора рассчитываем по формуле
(р.р. р * %МП K * Kiki 29,9 мK/ч
р %МП i; kk; ,
– объем рафинатного раствора, м3/ч; Gp – количество рафинатного раствора, кг/ч;
– количество NМП в рафинатном растворе, кг/ч;
ρри ρNМП– плотность рафината и NМП при температуре верха колонны, кг/м³.
Объем экстрактного раствора рассчитываем по формуле
(э.р. э * %МП LK * ; L 66,6 мK/ч
э %МП k K k ,
– объем экстрактного раствора, м3/ч; Gэ – количество экстрактного раствора, кг/ч;
– количество NМП в экстрактном растворе, кг/ч;
ρри ρNМП– плотность рафината и NМП при температуре низа колонны, кг/м³.
Площадь сечения колонны определяем по формуле
+ |
,р.р.$,э.р. |
|
k,k$LL,L |
8,0 м |
, |
, |
|
|
где F – площадь сечения колонны, м2;
V – допустимая скорость движениярастворов, 12–22 м³/м²·ч (по данным «Texaco»).
Зная сечение колонны, рассчитываем ее диаметр по формуле
- . / . ·i, 3,2
0 K, м,
где D – диаметр колонны, м.
Высоту колонныопределяем по формуле
Н = h1 + h2 + h3 + h4,
гдеH – высота колонны, м;
h1 – высота верхней отстойной зоны, м;
40