Моделирование ректификационной колонны в среде Aspen HYSYS
Стр 1 из 2Следующая ⇒ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Институт электронного обучения Специальность 240403 «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов» Кафедра химической технологии топлива и химической кибернетики
ПРОЕКТИРОВАНИЕ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине «Основы проектирования и оборудование заводов» КП ФЮРА. 360000.000.02ПЗ
Исполнитель: Студент группы З-2Д23 Шашилова М.С
Руководитель: Грязнова И.А. Асс.каф. ХТТ и ХК
Томск – 2017 Содержание
КП ФЮРА.360000.000.ПЗ
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Введение Ректификация - это процесс разделения жидких смесей, который сводиться к одновременно протекающим и многократно повторяемым процессам частичного испарения и конденсации разделяемой смеси на поверхности контакта фаз. Ректификацию чаще всего проводят в колонных аппаратах.
Ректификационные колонны используют для проведения массообменных процессов в нефтехимической и других отраслях промышленности. Колонные аппараты изготавливают диаметром 400-4000 мм для работы под давлением до 1,6 МПа в царговом (на фланцах) исполнении корпуса.[1] В зависимости от диаметра, котонные аппараты изготавливают с тарелками различных типов. Колонные аппараты 400-4000 мм оснащают стандартными контактными и распределительными тарелками, опорами, люками, днищами и фланцами. Наряду с общими требованиями (высокая интенсивность единицы объема аппарата, его стоимость и т.д.) ряд требований может определяться спецификой производства: большим интервалом устойчивой работы при изменении нагрузок, способность тарелки работать в среде загрязненных жидкостей, защиты от коррозии и т.п. Зачастую эти качества становятся превалирующими, определяющими, пригодность конструкции для использования в каждом конкретном процессе. Расчет ректификационной колонны сводится к определению основных геометрических размеров диаметра и высоты. Оба параметра в значительной мере определяются нагрузками по пару и жидкости, типом тарелки, свойствами взаимодействующих фаз. [2]
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 1. Ректификация - разделение жидких однородных смесей на составляющие вещества или группы составляющих в результате противоточного взаимодействия паровой смеси и жидкой смеси. Ректификацией может быть достигнута любая заданная степень разделения жидких смесей. Движущей силой ректификации является разность между фактическими (рабочими) и равновесными концентрациями компонентов в паровой фазе, отвечающими данному составу жидкой фазы.[1]
Процесс ректификации осуществляется путем многократного контакта между неравновесными жидкой и паровой фазами, движущимися относительно друг друга. При взаимодействии фаз между ними происходит массо- и теплообмен, обусловленные стремлением системы к состоянию равновесия. В результате каждого контакта компоненты перераспределяются между фазами: пар несколько обогащается низкокипящим компонентом, а жидкость – высококипящим компонентом. Много кратное контактирование приводит к практически полному разделению исходной смеси. [1]
Насадочные колонны применяются в малотоннажных производствах и используются в тех случаях, когда необходим малый перепад давления. Для заполнения насадочных колонн применяются кольца Рашига, изготовленные из различных материалов, кольца Паля, наемки из элементов седлообразного профиля (седла Инталлокс и Берля).
Тарельчатые колонны широко распространены на НПЗ. Различают тарелки по способу передачи жидкости с тарелки на тарелку (провальные и со специальными переточными устройствами), по характеру движения фаз на тарелке (барботажные и струйные), по конструкции устройств, для ввода пара в жидкость (контактные, колпачковые, клапанные и др.).[5]
Рис.1. Принципиальная схема ректификационной установки: 1 – ректификационная колонна (а – укрепляющая часть, б – исчерпывающая часть); 2 – кипятильник; 3 – дефлегматор; 4 – делитель флегмы; 5 – подогреватель исходной смеси; 6 – холодильник дистиллята (или холодильник–конденсатор); 7 – холодильник остатка (или нижнего продукта); 8,9 – сборники; 10 – насосы. Ректификационная колонна 1 имеет цилиндрический корпус, внутри которого установлены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Снизу вверх по колонне движутся пары, поступающие в нижнюю часть аппарата из кипятильника 2, который находится вне колонны, т.е. является выносным, либо размещается непосредственно под колонной. Следовательно, с помощью кипятильника создается восходящий поток пара. Пары проходят через слой жидкости на нижней тарелке, которую будем считать первой, ведя нумерацию тарелок условно снизу вверх.
На второй тарелке жидкость имеет состав x2, содержит больше низкокипящего компонента, чем на первой ( х 2 >x1 ), и соответственно кипит при более низкой температуре (t2<t1). Соприкасаясь с ней, пар состава у 1 частично конденсируется, обогащается низкокипящим компонентом и удаляется на вышерасположенную тарелку, имея состав y2>x2, и т. д.</t.
Таким образом, пар, представляющий собой на выходе из кипятильника почти чистый высококипящий компонент, по мере движения вверх все более обогащается низкокипящим компонентом и покидает верхнюю тарелку колонны в виде почти чистого низкокипящего компонента, который практически полностью переходит в паровую фазу на пути пара от кипятильника до верха колонны.
Пары конденсируются в дефлегматоре 3, охлаждаемом водой, и получаемая жидкость разделяется в делителе 4 на дистиллят и флегму, которая направляется на верхнюю тарелку колонны. Следовательно, с помощью – дефлегматора в колонне создается нисходящий поток жидкости. Жидкость, поступающая на орошение колонны (флегма), представляет собой почти чистый низкокипящий компонент. Однако, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, жидкость все более обогащается высококипящим компонентом, конденсирующимся из пара. Когда жидкость достигает нижней тарелки, она становится практически чистым высококипящим компонентом и поступает в кипятильник, обогреваемый глухим паром, или другим теплоносителем.
Соответственно эта часть колонны называется исчерпывающей. В дефлегматоре 3 могут быть сконденсированы либо все пары, поступающие из колонны, либо только часть их соответствующая количеству возвращаемой в колонну флегмы. В первом случае часть конденсата, остающаяся после отделения флегмы, представляет собой дистиллят (ректификат), или верхний продукт, который после охлаждения в холодильнике 6 направляется в сборник дистиллята 9. Во втором случае несконденсированные в дефлегматоре пары одновременно конденсируются и охлаждаются в холодильнике 6, который при таком варианте работы служит конденсатором-холодильником дистиллята. Жидкость, выходящая из низа колонны, также делится на две части. Одна часть направляется в кипятильник, а другая – остаток (нижний продукт) после охлаждения водой в холодильнике 7 направляется в сборник 8. Преимущества непрерывной ректификации по сравнению с периодической: условия работы установки не изменяются в ходе процесса, что позволяет установить точный режим, упрощает обслуживание и облегчает автоматизацию процесса; отсутствуют простои между операциями, что приводят к повышению производительности установки; расход тепла меньше, причем возможно использование тепла остатка на подогрев исходной смеси в теплообменнике.
Благодаря перечисленным преимуществам в производствах крупного масштаба применяют главным образом непрерывную ректификацию, периодические процессы ректификации находят применение лишь в небольших, неравномерно работающих производствах. [3]
![]() 2. Задание на проектирование Таблица 1 – Исходные данные Характеристика сырья фракционирования
Исходные данные для расчета: 1)Расход сырья 8500 кг/час.
Требования к продуктам: 1)Дистиллят НК-160 °С. 2) Давление ввода сырья в колонну Р=0,16 МПа
Уравнение материального баланса в мольных единицах имеет вид:
где F – число молей исходного сырья; W и P – число молей жидкости и пара в смеси; xFi, xWi и yPi – мольные доли компонента в смеси, жидкости и паре. Рассчитываем давление насыщенных паров и константу фазового равновесия для каждой фракции по методу Ашворта:
где Т – температура в колонне, К; Т0 – температура кипения для фракции, К; Pi – давление насыщенного пара для каждой фракции, Па; P0 – давление в колонне, Па; ki – константа фазового равновесия для i-й фракции. Относительные летучести определяем как для идеального раствора, паровая фаза которого близка к идеальному газу.
i – индекс i-го компонента; k – индекс тяжелого ключевого компонента; Доля отгона ε будет рассчитываться по уравнению:
где xiF – мольная доля i-го компонента в исходном потоке нефти; xiW – мольная доля i-го компонента в кубовом остатке; xiD – мольная доля i-го компонента в дистилляте. Составы дистиллята и кубового остатка определяем по следующим уравнениям:
Температуру Т определяем таким образом, чтобы выполнялись условия:
Приложение 1. Расчет минимального числа тарелок.
В качестве ключевого компонента приняли фракцию №15, средняя температура кипения которой составляет 165 оС, т.к. целевым продуктом является дистиллят НК-160°С. Температурная граница деления смеси ТГДС = 220 оС; Давление ввода сырья в колонну приняли P = 160 кПа; Доля отгона ключевого компонента ξ=0,9230; Минимальное число тарелок в колонне Nmin = 19.
![]()
Определяем давление насыщенных паров и константы фазового равновесия для каждой фракции в низу и верху колоны по уравнениям Ашворта, приведенными выше. Затем устанавливаем давления в колонне таким образом, чтобы давления низа колонны Рниза было больше давления верха Рверха на 30 кПа. То есть Рверха =140, Рниза =170. Среднее давление равно 155 кПа. Температуру верха колоны определяем итерациями при следующем условии сходимости: Температура низа колоны определяем итерациями при выполнении следующего условия: Рассчитываем среднюю температуру в колоне, давление насыщенных паров при этой температуре, среднюю константу равновесия для каждой фракции. Определяем относительные летучести каждого компонента αi/ν по высококипящему ключевому компоненту: Находим промежуточную характеристическую величину ω: Данную величину находим итерациями, чтобы получаемая величина ε была равна мольной доле отгона. Минимальное значение флегмового числа определяем по уравнению Андервуда:
Приложение 2. Расчет минимального флегмового числа. Результаты расчета минимального флегмового числа: N1/N2=0,1886; Рвер приняли равным 140 кПа; Pниз приняли равным 170 кПа; Pср = 155 кПа; Твер = 132,18 оС; Тниз = 288,10оС; Тпит =210,14 оС (принимаем, как среднюю температуру в колонне); Доля отгона мольн. сырья при Тпит и Рпит = 0,984; Промежуточная характеристическая величина w = 4,726; Rmin = 1, 07.
![]()
Определяем число укрепляющей и исчерпывающей частей колоны по уравнению Керкбрайда: N1 – число укрепляющей части колоны; N2 – число исчерпывающей части колоны; i – индекс тяжелого ключевого компонента; k – индекс легкого ключевого компонента. Определяем оптимальное число тарелок по уравнению: Оптимальное флегмовое число: Рассчитываем плотность паров каждой узкой фракции по закону Менделеева-Клапейрона, учитывая коэффициент сжимаемости: r - плотность, кг/м3; P – среднее давление в колонне, Па; M – молекулярная масса, кг/моль; R – универсальная газовая постоянная, Дж/моль·К; T – средняя температура в колонне, K; z – коэффициент (фактор) сжимаемости газа.
Для соединений, нормальная температура которых не превышает 235К, использует выражение для расчета критической температуры: Для соединений с более высокими нормальными температурами кипения: Критическое давление (Па) рассчитываем по уравнению Льюиса: К – константа, для прямой перегонки нефти принимаем 6,3. Плотность газовой смеси вычисляем, используя правило аддитивности: rсм - плотность смеси газов, кг/м3; ri - плотность i -го компонента, кг/м3; yi – мольная доля i -го компонента в смеси (дистилляте). Рассчитываем плотность жидких нефтяных фракций при средней температуре в колоне по уравнению: rT – плотность нефтепродукта при температуре T, кг/м3;
T – средняя температура в колонне, К.
Коэффициент γ рассчитываем по формуле:
Плотность жидкой смеси фракций определяем по уравнению: Поверхностное натяжение флегмы определяем в зависимости от плотности жидкости при средней температуре в колонне по уравнению: Объемный расход пара находим из массового расхода и плотности пара: Массовый расход пара рассчитываем исходя из массовой доли отгона, которую определяем из соотношения: εm – массовая доля отгона; MF – средняя мольная масса сырья; MG – средняя мольная масса пара. Средние молярные массы потоков находим по правилу аддитивности: Определяем массовый расход пара:
rж – плотность жидкости, кг/м3; rп – плотность пара, кг/м3; Задаемся межтарельчатым расстоянием h = 400 мм; Коэффициент С1находим из графика и принимаем равным 750.
Рисунок 1– Зависимость коэффициента С1 от межтарельчатого расстояния Определяем внутренний диаметр ректификационной колоны: Dk – внутренний диаметр колонны, м; V 0 – объемный расход пара в колонне, м3/с; w 0 – допустимая скорость пара, м/с. Высоту тарельчатой части колоны определяем по уравнению: где N – число тарелок;
s – толщина тарелки, принимаем равную 20 мм. Это высота тарелочной части колонны, которая равна 13,88 м, нужно еще учесть высоту вверху и внизу колонны, по метру. То есть полная высота колонны равна 15,88 м. Колонна имеет эллиптические днища, ограничивающие ее цилиндрическую часть сверху и снизу. Длина цилиндрической обечайки от верхнего днища до первой тарелки колонны должна составлять не менее 500мм, т.к. в этой части обечайки необходимо разместить штуцеры для ввода флегмы и термометра, измеряющего температуру в верхней части колонны. Кроме того, в этой части колонны должно быть размещено распределительное устройство для создания равномерного потока орошения.
Приложение 3. Расчет конструкционных параметров колонны
Таблица 2. Расчета оптимального числа тарелок, флегмового числа
Таблица 3. Характеристики и конструкционные размеры колонны (нумерация сверху вниз)
Табл. 5. Характеристика тарелок различных конструкций
Колонна имеет эллиптические днища, ограничивающие ее цилиндрическую часть сверху и снизу. Длина цилиндрической обечайки от верхнего днища до первой тарелки колонны должна составлять не менее 500мм, т.к. в этой части обечайки необходимо разместить штуцеры для ввода флегмы и термометра, измеряющего температуру в верхней части колонны. Кроме того, в этой части колонны должно быть размещено распределительное устройство для создания равномерного потока орошения. Моделирование ректификационной колонны в среде Aspen HYSYS
Воспользуйтесь поиском по сайту: ![]() ©2015 - 2025 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...
|