Розрахунок стабілізаційної колони

Матеріальний баланс блоку стабілізації

Матеріальний баланс блоку стабілізації установки гідроочистки дизельного палива складений, виходячи із 340 робочих днів у році, і наведений у таблиці 5.1.

Таблиця 5.1

Матеріальний баланс блоку стабілізації

Розрахунок стабілізаційної колони

5.2.1. Визначення тиску в колоні

Приймаємо за даними підприємства температуру оборотної води рівної 28°С, температуру сконденсованих й охолоджених газів рівною 38°С.

Для подальших розрахунків складаємо матеріальний баланс стабілізаційної колони.

Склад та кількість двох потоків живлення колони розраховані у програмному пакеті Mathcad на підставі даних дослідного пробігу (додаток 1) та разом з продуктами виходу колони, які необхідно отримати, наведені у табл. 5.1.

Схема проходження основних потоків у колоні показана на рис. 5.1.

Схема проходження основних потоків у колоні K

1 – гаряче живлення з Е-1, 2- холодне живлення з Е-2, 3 – суміш парів зверху колони, 4 – холодне зрошення бензин-відгоном, 5 –бензинова фракція стабільна, 6 – підігріта - бензинова фракція стабільна

Рис. 5.1.

Таблиця 5.1

Матеріальний баланс стабілізаційної колони

Тиск у ємності, при якому відбувається повна конденсація продукту при температурі системи, визначається по рівнянню ізотерми рідкої фази [7]

(5.1)

де, П_р - загальний тиск у рівноважній системі пар-рідина при температурі охолодження, МПа;

n - число умовних вузьких компонентів суміші;

Р_i - тиск насичених пар i-го компонента при температурі охолодження, МПа;

- молярна частка i-го компонента в рідкій фазі.

Для подолання втрат напору при русі пари через трубопроводи й апарати, розташовані після стабілізаційної колони необхідно, щоб тиск угорі колони трохи перевищувало розрахункове.

Тиск низу колони варто збільшити на величину відповідну гідродинамічному опору тарілок.

Тиск насиченої пари в залежності від температури розраховується за рівнянням Антуана [8]:

(5.2)

де Т - температура насиченої пари, К; А_і, В_і та С_і – коефіціенти, що залежать від фізичних властивостей речовини (температури кипіння, хімічної структури та інші).

Температуру насиченої пари у системі розраховуємо за рекомендаціями [7, 9] за формулою

(5.3)

де T_F1 та T_F2 – температури гарячого та холодного живленнь відповідно, К.

Приймаємо T_F1 =210+273 = 483 К та T_F2 = 40+273 = 313 К.

Звідси температура насиченої пари дорівнює

Т = (483+313)/2 = 398 K.

Тиск насичених пар вузьких фракцій суміші розраховують по формулі Ашворта [8]

(5.4)

де Т_0i - температура кипіння фракції при атмосферному тиску, К;

;

;

М_і – молекулярна маса вузької фракції суміші, кг/кмоль.

Тиск у верхній частині колони знаходимо по рівнянню

(5.5)

де П_в - тиск у верхній частині колони, МПа; П_р - тиск у сепараторі, МПа; - гідродинамічний опір пар, МПа; приймаємо =0, 05МПа; К - коефіцієнт запасу приймаємо К=1, 3.

Всі розрахунки зводимо в таблицю 5.2.

В результаті проведених розрахунків П_р = 0, 1299 МПа.

Тоді тиск у верхній частині колони дорівнює

(0, 1299+0, 05)· 1, 3=0, 2339 МПа.

Тиск низу колони варто збільшити на величину відповідну гідродинамічному опору тарілок та розрахувати за формулою [7]

(5.6)

де П_н – тиск низу колони, МПа; n – кількість тарілок у колоні; - перепад тиску на одній тарілці, МПа.

Приймаємо n = n₁ + n₂, де n₁ = 7 – кількість тарілок у зміцнуючої частини колони, n₂ = 11 – кількість тарілок у відгінної частини колони; = 0, 0007 МПа за літературними даними [7, 9].

Тоді

Таблиця 5.2

Вихідні дані для визначення тиску в колоні

5.2.2. Визначення температурного режиму колони К

Температура верхньої частини колони у випадку подачі гострого зрошення при висновку бензинових фракцій у пар визначається методом підбора, виходячи з умов кінця однократного випарювання бензину за формулою [9]:

(5.7)

де - молярна частка і-го компонента у пар; П_в - тиск у верхній частині колони, МПа; Р_i - тиск насичених пар і-го компонента при температурі визначення, МПа;

Дані розрахунків заносимо в табл. 5.3.

Температурний режим колони розрахований на ЕОМ за допомогою програми EXCEL.

Температура верха колони дорівнює 91 º С.

Температуру нижньої частини колони приймають на 30 °С вище температури введення гарячого живлення, тобто 240 °С або 513 К та підтримують за допомогою «гарячого струменя»

Таблиця 5.3

Вихідні дані для визначення температури верху колони

5.2.3. Тепловий баланс колони K

Для визначення витрати «гарячого струменя» за дослідними даними роботи подібних колон [7] приймаємо наступні величини:

флегмове число R = 0, 7;

температура «гарячого струменя» - 210 °С;

Число тарілок - 18 шт.;

Тип тарілок - клапанні.

Тепловий баланс стабілізаційної колони має вигляд [9]

,

(5.8)

де х - витрата „гарячого струменю”, кг/год; - ентальпія рідинної фази при температурі надання гарячого струменю, кДж/кг; - ентальпія рідинної фази при температурі нижньої частини колони.

Тепловий баланс стабілізаційної колони зводимо у табл. 5.4.

За даними табл. 5.4 і рівняння теплового балансу (5.8) визначаємо витрату гарячого струменя

,

(5.9)

Витрата гарячого струменя по рівнянню (5.9) дорівнює

Х = 99642, 60 кг/год.

Звідси випливає, що при витраті гарячого струменя 99642, 60 кг/год буде підтримуватися необхідна температура низу колони (280°С).

Таблиця 5.4

Тепловий баланс стабілізаційної колони K

5.2.4. Розміри стабілізаційної колони

Діаметр зміцнуючої частини колони визначається по площі вільного перетину, через який проходить максимальний обсяг пар. Для стабілізаційної колони, що працює з подачею холодного зрошення, що випаровується, цей перетин під верхньою тарілкою.

Визнаємо середню температуру в зміцнуючої частини колони за формулою

,

(5.10)

де Т_сер1 – середня температура в зміцнуючої частини колони, К; Т_в – температура верху колони, К; Т – середня температура живлень колони, К.

Звідси

.

Діаметр зміцнуючої частини колони розраховують на підставі формули [8]:

,

(5.10)

де V_п- швидкість обсягу пар у найбільш напруженому перетині колони, м³/c; U- припустима швидкість пар у колоні, м/с.

Швидкість обсягу пар у найбільш напруженому перетині колони V_п розраховують за формулою

,

(5.11)

де П_в - тиск угорі колони, МПа; G_п – витрата пари, кмоль/год, що дорівнює

(5.12)

де G_і – витрата і-го компоненту парової фази (газів і легкої бензинової фракції), кг/год; М_і – молекулярна маса пари, кг/кмоль; n – кількість компонентів парової фази.

Розрахунок витрати пари G_п наведений у табл. 5.3.

Тоді

0, 317 м3/с.

(5.13)

Припустиму швидкість пар у колоні розраховують за формулою [7]

,

(5.14)

де m₁, c_max - коефіцієнти, що залежать від типу тарілки, відстані між тарілками й умов ректифікації; - густина рідини у верхній частині колони, кг/м³; - густина пар, кг/м³;

,	(5.15)
3, 32 кг/м3

Рідина у верхньому перетині К являє собою розчин газів С² - С⁴ у бензиновій фракції, ії відносна густина розрахована у табл. 5.4 за формулою Крега [10] та дорівнює або на підставі [10]

.

Густину рідини у верхньому перетині при температурі t_сер1= Т_сер1 – 273 (º С) розрахуємо за формулою [8]

(5.16)

Тоді

=

= 0, 4874 г/см³ або 487, 4 кг/м³.

Згідно [8] при відстані між клапанними тарілками 600 мм у верхній частини колони коефіцієнти m₁ = 1, 15 та c_max.= 300.

Звідси маємо

= 0, 350 м/с;

1, 07 м.

Приймаємо діаметр зміцнуючої частини колони, рівний стандартному, тобто D_в = 1, 25 м.

Діаметр відгінної частини колони визначається по площі вільного перетину, через який проходить максимальний обсяг пар у відгінній частини. Для стабілізаційної колони, що працює з подачею холодного та гарячого живлень, цей перетин знаходиться під тарілкою, на котру подається гаряче живлення.

Визначаємо середню температуру у відгінної частини колони за формулою

,

(5.17)

де Т_сер2 – середня температура в зміцнуючої частини колони, К; Т_н – температура низу колони, К; Т – середня температура живлень колони, К.

Звідси

.

Діаметр нижньої частини колони розраховують аналогічно проведеному розрахунку для верхньої частини

Швидкість обсягу пар у найбільш напруженому перетині колони V_п розраховують за формулою

,

(5.18)

де П_н - тиск низа колони, МПа; G_п – витрата пари у відгінній частини, кмоль/год.

Розрахунок витрати пари G_п наведений у табл. 5.5.

Тоді

2, 71 м3/с.	(5.19)
,	(5.20)
7, 69 кг/м3

Таблиця 5.5

Визначення витрати пари у відгінній частини колони

Густина рідини у нижньої частині колони за розрахунками табл. 5.4 дорівнює або на підставі [10]

.

г/см³

або 704, 3 кг/м³.

Згідно [8] при відстані між клапанними тарілками 500 мм у нижній частини колони коефіцієнти m₁ = 1, 15 та c_max.= 900.

Звідси маємо

= 0, 834 м/с;

2, 03 м.

Приймаємо діаметр відгінної частини колони, рівний стандартному, тобто D_н = 2, 20м.

Загальну висоту колони розраховуємо за формулою [8]

де

Н_к – висота колони, м;

h_в - відстань від верхнього днища до першої ректифікаційної тарілки, що приймаємо конструктивно рівній діаметру верхньої частини колони, h_в = 1, 25 м;

h_т1, h_т2 – межи розташування ректифікаційних тарілок у зміцнуючої та відгінної частинах колони відповідно, що визначають, виходячи з числа тарілок у цій частині колони і відстані між ними:

приймаємо а₁= 0, 6 м – відстань між тарілками у верхній частини колони,

а₂ = 0, 5 м - відстань між тарілками у нижній частини колони, тоді

h_т1 = (n₁ - 1) a₁ = (7 - 1) ∙ 0, 6 = 3, 6 м,

h_т2 = (n₂ - 1) a₂ = (11 - 1) ∙ 0, 5 = 5, 0 м.

Висоти евапораційного простору h_ев1 (місце входу гарячого живлення) та евапораційного простору h_ев2 (місце входу „гарячого струменю”) визначаємо з розрахунку відстані між двома тарілками, тобто:

h_ев1 = h_ев2 = a₁ ∙ 2 = 0, 6 ∙ 2 = 1, 2 м.

h_н – відстань від евапораційного простора „гарячого струменю” до нижнього днища колони, що визначають, виходячи з запасу залишку на 10 хв., або приймають рівним [8]

h_н = 0, 5 D_н + 5 а₂ = 0, 5 ∙ 2, 2 + 5 ∙ 0, 5 = 3, 6 м.

h_пост – відстань від нижнього днища колони до основи постаменту, на який опираються опорні лапи колони, приймаємо рівної 2, 8 м.

Загальна висота колони складає:

Н= 1, 25 + 3, 6 + 1, 2 + 5, 0 + 1, 2+3, 6+2, 8 = 18, 65 м.

Приймаємо висоту колони, рівну стандартної, тобто Н = 18, 70 м.

5.2.5. Механічний розрахунок колони

Товщина циліндричної стінки корпуса ректифікаційної колони, працюючої під внутрішнім тиском розраховується за формулою

,

(5.22)

де Р – тиск у колоні, МПа; - припущене напруження, приймається в залежності від марки сталі. Сталь 12Х18Н10Т, приймаємо [10]; φ – коефіцієнт запасу тривкості зварних швів, приймаємо 0, 9 [10].

Тоді

2, 4 мм.

Приймаємо надбавку на корозію С = 2 мм.

Таким чином, товщина стінки дорівнює

S₁ = 2, 4 + 2 = 4, 4 мм.

Товщина стінки напівсферичного днища розраховується за формулою

,

(5.23)

де R – внутрішній радіус днища, мм.

Звідси

1, 2 мм.

Приймаємо надбавку на корозію 3, 5 мм.

Таким чином, товщина днища дорівнює