Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Расчет ректификационных колонн установок перегонки нефти. Учебное пособие.pdf
31
3.1.2 Определение температурного режима колонны
Температуры верхнего и нижнего продуктов колонны определяются аналитическим методом по уравнениям изотерм паровой
′
= 1, (3.1)
и жидкой фаз:
′
= 1, (3.2)
’
где y
– состав верхнего продукта, в мольных долях;
i
’
х
– состав нижнего продукта колонны, в мольных долях;
i
к
– константа фазового равновесия i-го компонента в принятых
i
условиях.
Константы фазового равновесия рассчитываются по формуле
=
, (3.3)
П
где Рi – давление насыщенных паров компонентов при принятых
условиях, атм (ата);
П – общее давление в рассчитываемом сечении колонны,
атм. [8].
Температура потоков определяется методом постепенного
приближения уравнения изотерм к единице.
Для перевода массовой доли компонентов в мольную используется формула
=
, (3.4)
где хi – массовая доля i-го компонента;
х
– мольная доля i-го компонента;
i'
М – молекулярная масса компонента.
Молекулярная масса нефтяных фракций вычисляется по формуле Воинова:
M = 60 + 0,3 ∙ t + 0,001 ∙ t
где t – средняя температура кипения фракции,
2
, (3.5)
о
С.
Давление насыщенных паров индивидуальных углеводородов
и воды рассчитывается по формуле Антуана, ата:
32
Компо-
Массо-
вые доли,
Молеку-
Мольные
Температура кипе-
Давление
Константа
Всего 1 1
1
(
)
=
, (3.6)
где А, B, C – константы Антуана (Прил., табл. П. 1);
Т – температура, при которой определяются Р
, К.
i
Давление насыщенных паров фракций рассчитывается по формуле Ашворта, атм.:
,()
,
=
(
)
, (3.7)
(
(
)
=
)
=
,
,
1, (3.8)
1, (3.9)
где Т – температура при которой определяется давление, К;
Т
– средняя температура кипения фракции, К.
0
Для определения температуры верха колонны составляется
таблица с необходимыми данными (табл. 3.2).
Таблица 3.2 – Исходные данные для определения температуры верха
колонны
ненты
верхнего
продукта
лярная
x
масса,
i
М
доли, x
’
ния индивидуаль-
i
ных углеводородов
и фракции, °С
насыщен-
ных паров,
P
i
фазового
равновесия
Давление в верхней части колонны принимается на основе
данных производства. Задаются температурой верха, при которой
уравнение паровой фазы равно единице. Температура определяется
методом постепенного приближения.
Для определения температуры низа колонны также составляется таблица с необходимыми данными (табл. 3.3).
33
Таблица 3.3 – Исходные данные для определения температуры низа
Мольные
насыщенных
Всего 1 1
1
колонны
Компо-
ненты
нижнего
продукта
Массо-
вые
доли, x
Молеку-
i
лярная
масса,
М
доли, x
Температура
кипения индиви-
дуальных угле-
’
i
водородов и
фракции, °С
Давление
паров, P
равновесия
i
Константа
фазового
Давление в низу колонны принимается с учетом перепада давления. Задаются температурой низа колонны, при которой уравнение
жидкой фазы равно единице. Это определяется методом постепенного
приближения.
3.1.3 Расчет доли отгона верхнего продукта в блоке конденсации
Верхний продукт колонны поступает в блок конденсации, где
принимаются давление в блоке конденсации и температура охлаждения (по данным производства).
Доля отгона e' находится методом постепенного приближения:
(
= 1 , (3.10)
)
где yi' – мольный состав верхнего продукта;
K
– константа фазового равновесия i-го компонента в условиях
i
блока конденсации;
е' – мольная доля отгона.
Примечание. В отдельных случаях долю отгона можно найти
через следующие варианты:
′
)
1) (′
=
где е находится при пересечении (
)
2) (′
=
где е находится при пересечении (
′(
(
)
′(
,
)
)
с единицей;
′
,
)
)
с нулем.
34
Расчет мольного состава в равновесных паровой (Yi) и жидкой
Компоненты
продукта
Давление
паров, P
i
Константа
равновесия
Всего 1 1
Состав
продукта
Состав потока
в мольных долях
Состав потока
в массовых долях
Расход потока,
кг/ч
Yж , мол.
Y
пар
, мол.
Yж , мас.
Y
пар
, мас.
жидкого
парового
Всего 1 1 1 1 1 1
) фаз ведется по уравнениям:
(X
i
=
(
=
(
, (3.11)
)
=
)
. (3.12)
Для расчета доли отгона в блоке конденсации также составляется таблица с необходимыми данными:
Таблица 3.4 – Исходные данные для расчета доли отгона в блоке
конденсации на основе принятых температуры и давления
верхнего
Массовые
доли
Мольные доли
насыщенных
фазового
В результате расчета по формуле (3.10) находится мольная доля отгона (e') и составы паровой и жидкой фаз по формулам (3.11) и
(3.12). Для результатов расчета доли отгона в блоке конденсации составляется таблица с необходимыми данными:
Таблица 3.5 – Результаты расчета доли отгона в блоке конденсации
формула
где М
щего потока.
верхнего
Для перевода мольной доли отгона в массовую используется
= ′
у
, (3.13)
и Мo – средняя молекулярная масса паровой фазы и входя-
35
Средняя молекулярная масса пара рассчитывается по формуле
=
, (3.14)
Средняя молекулярная масса входящего потока находится по
формуле
=
′
. (3.15)
Зная массовую долю отгона в блоке конденсации, можно составить материальный баланс колонны К-1 – газ, верхний продукт
(конденсат) и отбензиненная нефть.
3.1.4 Определение флегмового числа колонны
Флегма поступает в колонну из блока конденсации при принятой температуре. Если происходит полная конденсация верхнего продукта колонны, то состав флегмы соответствует составу верхнего продукта. Если конденсация верхнего продукта колонны неполная, то состав флегмы соответствует жидкой фазе в блоке конденсации.
Флегмовое число – это отношение количества флегмы, подаваемой на верх колонны, к количеству отбираемого из колонны верхнего продукта. При расчете ректификационной колонны стремятся
выбрать оптимальное флегмовое число, которое обеспечивало бы заданные показатели процесса при минимальных эксплуатационных и
капитальных затратах.
С увеличением количества орошения сокращается необходимое число тарелок и уменьшается высота колонны – рис. 3.2 [4]. Одна-
Рис. 3.2. Зависимость числа теоретических тарелок
в колонне от флегмового числа
36
ко при этом увеличивается поток паров, проходящих через колонну,
Компоненты
флегмы
Массовые доли,
xi
Мольные доли,
уi
Относительная
летучесть
Легкий ключевой
Тяжелый ключевой компонент
Всего 1 1
вследствие чего возрастает ее диаметр. Поэтому при увеличении количества орошения стоимость колонны сначала будет уменьшаться за
счет уменьшения ее высоты, а затем – возрастать, так как высота колонны будет незначительно сокращаться, а диаметр – увеличиваться.
Также от количества орошения зависит стоимость конденсатора и кипятильника.
Расчет минимального флегмового числа укрепляющей части
колонны производится методом Андервуда по формуле
′
=
, (3.16)
где yi’ – состав флегмы (или состав верхнего продукта колонны при
полной конденсации), в мольных долях;
a
– относительные летучести компонентов, которые вычисля-
i
ются по формуле
где k
=
т.к.к.
, (3.17)
...
– константа фазового равновесия тяжелого ключевого
компонента, определенная для зоны питания колонны.
Относительная летучесть a
-компонентов при средней темпера-
i
туре и давление в колонне, – параметр, который находится методом
подбора из уравнений Андервуда.
Исходные данные для определения флегмового числа представлены в табл. 3.6.
Таблица 3.6 – Исходные данные для определения флегмового числа
компонент
1
37
За ключевые компоненты берут два соседних компонента,
один из которых относится к дистилляту – легкий ключевой компонент (ЛКК), другой – к остаточному продукту – тяжелый ключевой
компонент(ТКК), попавший в дистиллят как нежелательный компонент. Согласно табл. 3.1, в составе верхнего продукта за ЛКК принимается фракция 35-85, за ТКК – фракция 85-150.
Решается уравнение Андервуда относительно параметра .
Искомое значение выбирается между относительными летучестями
легкого и тяжелого ключевых компонентов. Далее графическим методом определяется минимальное флегмовое число, который является
корнем уравнения
= ′, (3.18)
где сi – мольный состав сырья;
e' – мольная доля отгона в точке ввода сырья.
Подбирается такое значение параметра φ, чтобы соблюдалось
указанное равенство.
Найденное значение подставляется в уравнение (3.16) и вы-
числяется R
. Рабочее (оптимальное) флегмовое число вычисляется
min
по формуле
R = 1,35 ∙ R
+ 0,35.
min
Количество флегмы определятся по формуле
= D·R, (3.19)
F
флегмы
где D – количество верхнего продукта колонны, кг/ч (т/ч).
3.1.5 Определение числа тарелок в колонне
Используется уравнение Фенске. Расчет минимального теоретического числа тарелок в укрепляющей секции можно найти по формуле
′
(
′
=
(
)
(3.20)
)
для отгонной секции:
′
(
=
′
(
)
)
, (3.21)
38
где y'
– концентрация ЛКК в верхнем продукте, мол. доли;
лкк
y'
– концентрация ТКК в верхнем продукте, мол. доли;
ткк
– концентрация ЛКК в сырье колонны, мол. доли;
С
лкк
С
– концентрация ТКК в сырье колонны, мол. доли;
ткк
– концентрация ЛКК в кубовом остатке, мол. доли;
x'
лкк
– концентрация ТКК в кубовом остатке, мол. доли;
x'
ткк
а
лкк
и а
– относительные летучести ЛКК и ТКК соответст-
ткк
венно (3.17).
В составе верхнего продукта за ЛКК по табл. 3.1 принимают
фракцию 35-85, за ТКК – фракцию 85-150.
Оптимальное число тарелок в каждой секции:
N
opt1
N
opt2
= 1,7 · N
= 1,7 · N
+ 0,7; (3.22)
min1
+ 0,7. (3.23)
min2
Необходимое число тарелок в каждой секции рассчитывается
с учетом КПД тарелок (η):
=
=
, (3.24)
. (3.25)
Общее число необходимых тарелок:
N = N
+ N2. (3.26)
1
В случае, если в колонне используются насадки, то для простейших насадок одна теоретическая тарелка соответствует
0,5-1 м насадки.
3.1.6 Расчет диаметра колонны К-1
Диаметр колонных аппаратов определяется в зависимости от
максимального расхода паров и их допускаемой скорости в свободном
сечении колонны.
Диаметр колонны определяется по формуле
=
, (3.27)
,
39
где V – секундный объем паров, м3/с;
U – линейная скорость движения паров, м/с.
Секундный объем паров определяется по формуле
(
),
=
..
, (3.28)
где D – количество паров, уходящих с верха колонны, кг/ч;
F – количество флегмы, кг/ч;
T – температура паров, К;
Z – коэффициент сжимаемости: определяется в зависимости от
давления и температуры [8];
M.M. – молекулярная масса паров, которая находится по фор-
муле
. . =
; (3.29)
P – давление на верху колонны, ата.
Линейная скорость движения паров рассчитывается по формуле Саудерса и Брауна (м/с):
=
,
(
)
, (3.30)
где К – коэффициент, зависящий от расстояния между тарелками и
условий ректификации (для колонны отбензинивания равен 500);
, ρп – абсолютная скорость жидкости и паров при температу-
ρ
ж
ре и давлении в рассматриваемом сечении, кг/м
=
,()
(3.31)
.
3
;
Расчет диаметра ведется в двух сечениях колонны:
1) на верху колонны;
2) в месте ввода сырья.
3.1.7 Расчет высоты колонны К-1
Высота колонны зависит от числа и типа тарелок в колонне, а
также от расстояния между ними. Фактически высота колонн складывается из следующих величин:
H = h
1+h2+h3+h4+h5+h6
, (3.32)
40
где h1 – высота от верхнего днища до верхней тарелки, мм;
h
= 0,5 · Dк· 1000, (3.33)
1
h
, h3 – высота укрепляющей и отгонной части колонны, мм;
2
h
= (N1 – 1)∙r; (3.34)
2
h
= (N2 – 1)∙r, (3.35)
3
где N
– число тарелок в укрепляющей части;
1
– число тарелок в отгонной части;
N
2
r – расстояние между тарелками;
– высота места вода сырья, мм;
h
4
h
= 3·r; (3.36)
4
h
– высота от нижней тарелки до зеркала жидкости в кубе ко-
5
лонны, мм (принимается по практическим данным 1000-2000 мм);
– высота низа колонны, рассчитывается, исходя из запаса
h
6
продукта внизу колонны (на 5-10 мин.):
=
, (3.37)
где V – объем кубового остатка внизу колонны, м3;
F – площадь поперечного сечения низа колонны, исходя из
расчетного диаметра D
где Y
=
куб.
, (3.38)
– количество кубового остатка, отбираемого из колонны,
, м2,
к
кг/с;
t – время для обеспечения запаса кубового остатка на 5-10 мин.
(300-600 с), с;
– плотность кубового остатка, кг/м3;
Ρ
куб
,
=
. (3.39)
Общая высота аппарата [9]:
H = ∑h
. (3.40)
i