Тепловой баланс колонны

Рассмотрим способ отвода тепла в колонне холодным испаряющимся орошением, как наиболее распространённым в нефтепереработке. Пары дистиллята при этом поступают в конденсатор-холодильник (обычно сначала воздушный, затем водяной), где происходит их конденсация и дальнейшее охлаждение конденсата до температур 30-40^оС. Часть холодного конденсата далее подаётся как орошение на верхнюю тарелку, остальное количество отводится как верхний продукт колонны.

Уравнение теплового баланса колонны в этом случае будет иметь вид:

,

где Q_F– тепло, поступающее в колонну с сырьём, кВт;

Q_B – тепло, подводимое в низ колонны, кВт;

Q_D – тепло, отводимое из колонны с дистиллятом, кВт;

Q_W – тепло, отводимое из колонны с остатком, кВт;

Q_ХОЛ – тепло, отводимое в конденсаторе-холодильнике, кВт;

Q_ПОТ – потери тепла в окружающую среду, кВт.

где F, F_ж, F_п – массовый расход сырья, жидкой и паровой фаз сырья, кг/ч;

i_Fж – энтальпия жидкой фазы сырья, кДж/кг;

I_Fп – энтальпия паровой фазы сырья, кДж/кг;

е = 0,0441 – массовая доля отгона сырья (см. пункт 2.7.3);

,

где D – массовый расход дистиллята, кг/ч;

i_хол – энтальпия холодного дистиллята при температуре его отвода после конденсатора-холодильника, кДж/кг;

,

где W – массовый расход остатка, кг/ч;

i_W – энтальпия остатка при температуре при температуре его отвода из колонны 257,63^ОС, кДж/кг;

,

где L_ор - количество холодного орошения, подаваемого в колонну, кг/ч;

I_D – энтальпия паров дистиллята при температуре верха колонны 112,04^оС.

,

где R_опт = 5,30 - оптимальное флегмовое число;

i_конд – энтальпия жидкого дистиллята при температуре его конденсации, кДж/кг;

Q_конд – теплота конденсации паров дистиллята. Для светлых нефтепродуктов эту величину можно рассчитать по уравнению Крэга:

, кДж/кг.

где Т_ср.м. – средняя молекулярная температура кипения дистиллята, К;

В общем случае средняя молекулярная температура кипения смеси рассчитывается по формуле:

,

где Т_i – среднеарифметическая температура кипения узкой фракции в смеси, К:

x_i` - мольная доля узкой фракции в смеси.

В нашем случае средняя молекулярная температура кипения дистиллята:

Т_ср.м. = 314,5^. 0,48692 + 341,5^. 0,44644 + 356,5^. 0,05662 + 366^. 0,01002

= 329,45К.

= 346,33 кДж/кг.

Примем температуру дистиллята после конденсатора-холодильника и, следовательно, температуру подачи орошения t_хол = 35°C.

Энтальпии жидких нефтепродуктов при соответствующих температурах рассчитываются по уравнению Крэга:

, кДж/кг.

Энтальпии паров нефтепродуктов рассчитываются по уравнению Уэйра и Итона:

, кДж/кг.

Плотность находят по формуле:

Результаты расчета плотности приведены в Таблице 13.

Таблица 13

Например, энтальпия жидкой фазы сырья, поступающего в колонну при 220^ОС:

кДж/кг.

Результаты расчёта энтальпий потоков:

Количество холодного орошения:

кг/ч

Рассчитываем тепловые потоки:

Q_F = 684931,50685^. 0,0441^.754,68+ 684931,50685^. (1-0,0441) ^.492,97=

=345555761кДж/ч = 95987,71кВт

Q_D= 33066,60855^. 75,74 = 2504464,9 кДж/ч = 695,68кВт

Q_W= 651864,89830^. 590,81 = 385128300,6 кДж/ч = 106980,08кВт

Q_ХОЛ= (33066,60855 + 112401,51) ^. (587,21 – 75,74) = 74402578,59 кДж/ч = =20667,38 кВт

Примем потери тепла в колоне 5%:

Q_пот = (695,68 + 106980,08 + 20667,38)^.5/95 = 6754,90 кВт

Тепло, необходимое подвести в низ колонны:

Q_B= 135098,04– 95987,71= 39110,33 кВт

Таблица 14

Тепловой баланс колонны

Диаметр колонны

Диаметр колонны рассчитывается по наиболее нагруженному сечению по парам. В нашем случае в верхней части колонны расход паровой фазы больше в 5,726993/1,898107 = 3,02 раза, чем в нижней (см. пункт 2.11).

Примем к установке в верхней части колонны клапанные двухпоточные тарелки, а в нижней, наиболее нагруженной по жидкой фазе, части - клапанные четырёхпоточные тарелки.

Таблица 15

Зависимость диаметра колонны и расстояния между тарелками

Расстояние между тарелками принимается в зависимости от диаметра колонны (Таблица 15). На практике указанные рекомендации не всегда выполняются. Для большинства колонн расстояния между тарелками принимаются таким образом, чтобы облегчить чистку, ремонт и инспекцию тарелок: в колоннах диаметром до 2 м – не менее 450 мм, в колоннах большего диаметра – не менее 600 мм, в местах установки люков – не менее 600 мм. Кроме этого, в колоннах с большим числом тарелок для снижения высоты колонны, её металлоёмкости и стоимости расстояние между тарелками уменьшают.

Примем расстояние между тарелками 600 мм, затем проверим соответствие этой величины и рассчитанным диаметром колонны.

Диаметр рассчитывается из уравнения расхода:

, м

где V_П – объёмный расход паров, м³/с;

W_max – максимальная допустимая скорость паров, м/с

, м/с

где С_max – коэффициент, зависящей от типа тарелки, расстояния между тарелками, нагрузки по жидкости;

r_ж и r_п – плотность жидкой и паровой фазы, кг/м³.

С_max = K₁^.K₂^.C₁ – К₃(l – 35)

Значение коэффициента С₁ определяем по графику в зависимости от принятого расстояния между тарелками (Приложение 1). С₁ = 1050.

Коэффициент К₃ = 5,0 для струйных тарелок, для остальных тарелок К₃ = 4,0.

Коэффициент l находится по уравнению:

,

где L_Ж – массовый расход жидкой фазы в верхней части, кг/ч;

Коэффициент К₁ принимается в зависимости от конструкции тарелок:

Колпачковая тарелка................................................................................................. 1,0

Тарелка из S-образных элементов.......................................................................... 1,0

Клапанная тарелка..................................................................................................... 1,15

Ситчатая и струйная тарелка................................................................................... 1,2

Струйная тарелка с отбойниками........................................................................... 1,4

Коэффициент К₂ зависит от типа колонны:

Атмосферные колонны............................................................................................. 1,0

Ваккумные колонны с промывным сепаратором в зоне питания.................... 1,0

Вакуумные колонны без промывного сепаратора.............................................. 0,9

Вакуумные колонны для перегонки

пенящихся и высоковязких жидкостей......................................................... 0,6

Абсорберы................................................................................................................... 1,0

Десорберы................................................................................................................... 1,13

С_max = 1,15 ^. 1,0 ^. 1050 – 4(131,37 – 35) = 822,02

= 0,522 м/с

Диаметр колонны:

м

Полученный диаметр округляется в большую сторону до ближайшего стандартного значения. Для стальных колонн рекомендованы значения диаметров от 0,4 до 1,0 м через каждые 0,1 м, от 1,2 до 4,0 м через 0,2 м, далее 2,5 м, 4,5 м, 5,0 м, 5,6 м, 6,3 м, от 7,0 до 10 м через 0,5 м, от 11,0 до 14,0 м через 1,0 м, от 16,0 до 20,0 м через 2,0 м.

Итак, примем диаметр колонны D_K = 3,8 м.

Проверяем скорость паров при принятом диаметре колонны:

м/с

Она находится в допустимых пределах (0,4-0,7 м/с) для колонн под давлением и расстоянии между тарелками 600 мм.

Проверяем нагрузку тарелки по жидкости:

м³/(м^. ч),

где L_V – объёмный расход жидкости, м³/ч;

n – число потоков на тарелке;

W - относительная длина слива, обычно находится в пределах 0,65-0,75.

Полученное значение расхода жидкости на единицу длины слива меньше максимально допустимого, которое составляет для данного типа тарелок м³/(м^. ч).

Высота колонны

Высота колонны рассчитывается по уравнению:

Н_К = H₁ + H_к + Н_и + Н_п­+ Н₂ +Н_н+ Н_о,м

где Н₁ – высота от верхнего днища до верхней тарелки, м;

Н_к – высота концентрационной тарельчатой части колонны, м;

Н_и – высота исчерпывающей, отгонной тарельчатой части колонны, м;

Н_п – высота секции питания, м;

Н₂ – высота от уровня жидкости в кубе колонны до нижней тарелки,м;

Н_н – высота низа колонны, от уровня жидкости до нижнего днища, м;

Н_о – высота опоры, м.

Высота Н₁ (сепарационное пространство) принимается равной половине диаметра колонны, если днище полукруглое, и четверти диаметра, если днище эллиптическое. Полушаровые днища применяют для колонн диаметром более 4 метров.

Поэтому Н₁ = 0,25^. 3,8 = 0,95 м.

Высоты H_к и Н_и зависят от числа тарелок в соответствующих частях колонны и расстояния между ними:

Н_к = (N_конц– 1)h = (35 – 1)0,6 = 20,4 м

Н_и = (N_отг– 1)h = (35 – 1)0,6 = 20,4 м

где h = 0,6 м – расстояние между тарелками.

Высота секции питания Н_пберётся из расчёта расстояния между тремя-четырьмя тарелками:

Н_п = (4 - 1)h= (4 - 1)0,6 =1,8 м

Высота Н₂ принимается равной от 1 до 2 м, чтобы разместить глухую тарелку и иметь равномерное распределение по сечению колонны паров, поступающих из печи. Примем Н₂= 1,5 м.

Высота низа (куба) колонны Н_н рассчитывается, исходя из 5-10 минутного запаса остатка, необходимого для нормальной работы насоса в случае прекращения подачи сырья в колонну:

м

где r_ж – абсолютная плотность остатка при температуре низа колонны (см. пункт 2.11);

F_к = - площадь поперечного сечения колонны, м².

Штуцер отбора нижнего продукта должен находится на отметке не ниже 4-5 м от земли, для того, чтобы обеспечить нормальную работу горячего насоса. Поэтому высота опоры Н_о конструируется с учётом обеспечения необходимого подпора жидкости и принимается высотой не менее 4-5 м. Примем Н_о = 4 м.

Полная высота колонны:

Н_К = 0,95+20,4+20,4+1,8+6,88+4 = 54,43 м

Заключение

Вкурсовом проекте была проанализирована Гуронская нефть.

В разделе «Технологическая часть» было рассмотрено:

· технологическая схема установки ЭЛОУ АТ-6;

· устройство ректификационной колонны;

· назначение отбензинивающей колонны;

В разделе «Расчетная часть» было произведено:

· расчет материального баланса отбензинивающей колонны;

· расчет теплового баланса отбензинивающей колонны;

· расчет отбензинивающей колонны: были приняты клапанные тарелки в количестве 70 штук; температура входа сырье в колонну - 220°С; температура верха колонны – 112,04°С; температура низа колонны – 257,63°С; массовая доля отгона – 0,0441; диаметр колонны 3,8 м; высота колонны 54,43 м;

Список использованной литературы.

1. Статья Компания ООО «ХИМСНАБ» [Интернет ресурс]. – Режим доступа: http://www.himsnab-spb.ru/article/all/oil-refining/atmospheric-distillation/

2. Суханов В.П. Переработка нефти: Учебник для средних проф.-тех. учеб. заведений. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. школа, 1979. – 335 с., ил. – (Профтехобразование. Нефт. и газовая пром-сть).

3. А.М. Сыроежко, Б.В. Пекаревский Учебное пособие для студентов заочной формы обучения специальности «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов». – типография издательства СПбГТИ(ТУ). – СПб. – 2011г. – 111с.

4. Александров И.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. Методы расчета и основы конструирования., 3-е изд., перераб. М.: Химия, 1978. – 280 с.

5. Савченко А.Л., Методические указания к курсовому и дипломному проектированию для студентов специальностей 250100 «Химическая технология органических веществ» и 170500 – «Машины и аппараты химических производств» очной и заочной форм обучения: Технологический расчет отбензинивающей колонныустановок перегонки нефти. – Тюменский государственный нефтегазовый университет. – Тюмень. – 2003г.– 37с.

6. Справочник // Министерство образования республики Беларусь// Факультет повышения квалификации и переподготовки руководящих работников и специалистов нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности ИПК УО «ПГУ». – Новополоцк: ПГУ, 2004. – 125с.

7. Нефть общие технические условия госстандарт россии. ГОСТ Р 51858-2002.

8. Хорошко С.И., Хорошко А.Н. Сборник задач по химии и технологии нефти и газа. Учеб. пособие. — Мн.: Выш. шк., 1989.

9. М. А. Самборская , Ю.Б. ШвалевТехнологическое проектирование тарельчатых колонн фракционирования нефти: Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплинам «Основы научных исследований и проектирование», « Технологическое проектирование и типовое оборудование нефтехимических процессов» для студентов направления 240100 «Химическая технология и биотехнология» и специальностей 240403 «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов» и 240802 «Процессы и аппараты химических производств и химическая кибернетика». – Томск: Изд-во ТПУ, 2007. – 48 с.

Приложение 1

График зависимости коэффициента С₁ от расстояния между тарелками Н_т

1 – кривая для нормальных нагрузок клапанных, ситчатых, каскадных и аналогичных тарелок и для максимальных нагрузок колпачковых тарелок;

2 – кривая нормальных нагрузок для колпачковых тарелок;

3 – кривая для вакуумных колонн без ввода водяного пара и для стриппинг-секций атмосферных колонн;

4 – кривая для вакуумных колонн с вводом водяного пара и для десорберов;

5 – кривая для абсорберов;

6 – кривая для колонн, разделяющих вязкие жидкости под вакуумом или высококипящие ароматические углеводороды или пенящиеся продукты.

Поиск по сайту: