 |
Колонна фракционирования нефти была смоделирована в среде Aspen HYSYS.
|
|
|
|
Рис.2. Основное окно программы. Ускоренная ректификация. Полная модель колоны.
|
|
Рис.4. Выбор ключевых компонентов. Расчет флегмового числа
|
Рис.5. Расчет первых приближений
Рис.6. Обвязка ректификационной колонны
|
Рис.7. Набор спецификаций для расчета
Пользуясь моделей колонны функционирования в среде HYSYS можно подобрать тип тарелок, рассчитать штуцера, материальный и тепловой балансы, определить нагрузки на конденсатор и ребойлер.
|
2. Расчет паровых нагрузок и выбор типа тарелок
Рассчитали профили расходов пара и жидкости на каждой тарелке колонны, оценили паровые нагрузки, на основании чего выбрали тип тарелки. (рис.8-11, скрины из HYSYS.)
Рис.8. Расчетные параметры расхода пара и жидкости по высоте колонны
|
|
Рис.9.Подробная схема ректификационной колоны с конденсатором и ребойлером
Рис.10. Выбор типа тарелки в среде HYSYS
|
Рис.11.Расчет диаметра колпачковой тарелки в среде HYSYS (определение диаметра колонны).
Выбрана тарелка колпачковая, относительная паровая нагрузка равна 1 (таб.5), рабочий диапазон 4-5(С1=750, расстояние между тарелками 400мм), расчетный диаметр 2,286 м, приняли по ГОСТ 21944-76 2400 мм.
|
|
|
7. Расчет нагрузки на конденсатор и ребойлер
Нагрузки на конденсатор и ребойлер определены также с помощью математической модели в среде HYSYS
|
|
|
Нагрузка на конденсатор
Определение количества теплоты, которую необходимо отвести от потока паров, выходящих из колонны, для их конденсации (сконденсированные пары- флегма и дистиллят) и организации потока орошения.
Рис.12. Нагрузка на конденсатор
Нагрузка на ребойлер
Количество теплоты, которую подводим в систему для нагрева кубовой жидкости и организации дополнительно потока паров из куба вверх по колоне
, (2.25)
Рис. 13. Нагрузка на ребойлер
|
Тепловой баланс
Составим тепловой баланс ректификационной колонны:
| Приход тепла | G, кД/ч | Сумма |
| сырье | -12590000 | -4042000 |
| нагруза не ребойлер | ||
| Расход тепла | ||
| нагрузка на конденсатор | -4042000 | |
| газы | -1984000 | |
| дистиллят | -12780000 | |
| остаток | -2558000 |
9. Конструктивно – механический расчет установки
В задачу конструктивно-механического расчета входит определение необходимых геометрических размеров отдельных деталей и узлов, которые определяют конструкцию колонны, ее механическую прочность и геометрические размеры.
Расчет толщины обечайки
Толщина обечайки рассчитывается по формуле:
(6.1)
где 
- наружное давление, 
Т.к. среда является агрессивной и токсичной, то принимаем материал стали 12х18Н10Т, для которой 
.
- прибавка к расчетной толщине, 
где 
- скорость коррозии или эрозии, мм/год, примем 
;
- срок эксплуатации аппарата, 
|
(6.2)
К2=0,35;
(6.3)
где 
- поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки (листовой прокат).
|
Принимаем 
.
Для обечаек с диаметром больше 200мм должно выполняться условие:
- условие выполнено.
Расчет толщины крышки и днища
Наиболее рациональной формой для цилиндрических аппаратов является эллиптическая. Эллиптические днища и крышки изготавливаются из листового проката штамповкой и могут использоваться в аппаратах с избыточным давлением до 10 МПа. Крышки и днища подбирают стандартными по таблицам из справочной литературы.
|
|
|
Принимаем толщину крышки и днища равной толщине обечайки S=12 мм.
Подбираем стандартные стальные отбортованные днище и крышку по ГОСТ 6533-78 [4] с Dк=2400.
Рис. 14. Днище колонны
|
h = 60 мм – высота борта днища;
Масса днища mд = 638,4кг.
Объем днища Vд 2,0727м3.
Расчёт и подбор штуцеров
Для расчета штуцеров все данные берутся из расчета HYSYS:
(6.4)
где 
- скорость движения жидкости или пара, принимаем скорость движения жидкости равную 1,5 м/с, для пара – 20 м/с.
Штуцер для ввода исходной смеси:
Принимаем =5 м/с
По АТК 24.218.06-90 принимаем штуцер с 
.
Штуцер для вывода паров дистиллята:
По АТК 24.218.06-90 6 принимаем штуцер с 
.
Штуцер для ввода флегмы:
По АТК 24.218.06-90 принимаем штуцер с 
.
|
По АТК 24.218.06-90 принимаем штуцер с 
.
Штуцер для ввода паров кубовой смеси:
По АТК 24.218.06-90 принимаем штуцер с 
.
Фланцевое соединение опоры
Общая высота колонны (без опоры) рассчитывается с учетом вышеприведенных замечаний. Для колонн данного типа, как правило, применяется опора цилиндрическая с наружными стойками под болты, стандартная высота которой зависит от 
рассчитанной общей высоты колонны и ее диаметра.
Ориентировочная масса аппарата.
Масса обечайки:
где Dн = 2,424 м – наружный диаметр колонны;
Dвн = 2,4 м – внутренний диаметр колонны;
Ноб = 13,88 м – высота цилиндрической части колонны
ρ = 7900 кг/м3 – плотность стали
Масса тарелок: 
|
Общая масса колонны:
Принимаем, что масса вспомогательных устройств (штуцеров, измерительных приборов, люков и т.д.) составляет 10% от основной массы
колонны, тогда
Масса колонны заполненной водой при гидроиспытании:
Масса воды при гидроиспытании:
Максимальная масса колонны:
mmax = mк + mв = 28316,8+65857,4 = 94174,2 кг
Вес колонны G = mmax *g =94174,2*9,8=992907,16 Н = 0,99 МН
Выбираем опору вертикальных цилиндрических аппаратов (тип I по ОН 26-01-69 - 68) с G·102 =10 MH.
Рассчитаем толщину ребра [9, с. 677]:
где 
- максимальный вес аппарата при гидроиспытании, МН; 
- число опор, используем 6 опор; 
- число ребер в опоре, принимаем 4; 
- допускаемое напряжение на сжатие (примем равным 100 МН/м2); 
- вылет опоры, м; 
- коэффициент, примем равным 0,6.
|
|
|
Принимаем толщину ребра опоры, равную 12 мм.
|
|
|
9. Расчет тепловой изоляции
Целью расчета тепловой изоляции является определение толщины слоя теплоизоляционного материала, покрывающего наружную поверхность теплообменника с целью снижения тепловых потерь и обеспечения требований безопасности и охраны труда при обслуживании теплоиспользующих установок. С этой точки зрения температура поверхности слоя изоляции не должна превышать 45. Расчет толщины теплоизоляционного слоя материала можно проводить по упрощенной схеме, используя следующее уравнение [7]:
(7.1)
где 
- коэффициент теплопроводности изоляционного слоя; 
- температура наружной стенки корпуса; 
- температура поверхности изоляционного слоя; 
- коэффициент теплоотдачи, определяющий суммарную скорость переноса теплоты конвекцией и тепловым излучением.
ан= 9,74+0,07*Δt(7.2)
где Δt=tиз-tокр
В качестве материала изоляции выбираем совелит с 
Температуру стенки - принимаем равной 288°C (близкой к средней температуре в кубе колонны). Температуру изоляционного слоя примем равной 45°C.
Δt=45-25=20оС
ан= 9,74+0,07*20=11,14
δиз =0,098*(288-45)/11,14*(45-25)=0,1068 м=107 мм
Т.к. наиболее горячая часть колонны это куб, то для всей остальной колонны можно принять ту же толщину слоя изоляции.
|
10. Автоматизация процесса
В работающей ректификационной колонне число тарелок или высота насадки величины постоянные. Основными условиями достижения требуемой степени разделения компонентов являются: подвод соответствующей тепловой энергии в куб колонны и подача на ее орошение необходимого количества флегмы. Оба эти условия неразрывно связаны друг с другом. Изменяя количество подводимой тепловой энергии в куб и подачи флегмы можно регулировать работу колонны. Степень разделения компонентов обычно контролируется по температурам в верхней и нижней частях колонны. Внизу колонны температура должна соответствовать температуре кипения остатка, температура на верху колонны – температуре кипения дистиллята. Наряду с этим применяют и другие методы контроля (определение плотности, показателя преломления, химический анализ).
|
|
|
Если, например, содержание высококипящего компонента в дистилляте велико (температура верха выше нормы) необходимо увеличить подачу флегмы в колонну, при этом прежнего количества теплоты в кубе будет недостаточно и избыток флегмы не испарится в кубе, а перейдет в остаток, в котором, вследствие этого повысится содержание низкокипящего компонента.
Поэтому одновременно с увеличением подачи флегмы надо увеличивать подвод тепловой энергии, чтобы температура низа колонны не стала ниже нормы. Поток флегмы регулируют изменением отбора дистиллята при частичной конденсации, путем регулирования подаваемой в дефлегматор воды в случае полной конденсации паров с помощью делителя флегмы. Подвод теплоты в кубе регулируется изменением подачи тепла конвертированного газа.
|
изменившимся составом питания. При изменении количества смеси, меняется производительность установки и соответственно должны быть отрегулированы подвод тепла в кубе и подача флегмы. Существенное влияние на работу установки оказывает изменение состава смеси. Если, например, содержание низкокипящего компонента в смеси уменьшилось, то понизится его содержание в дистилляте, т.е. повысится температура вверху колонны. Для сохранения требуемого состава дистиллята надо уменьшить его отбор, следовательно, увеличить количество подачи флегмы. Отбор остатка регулируется так, чтобы уровень жидкости в кубе был постоянен. Если, вследствие увеличения подачи смеси или увеличения содержания высококипящего компонента, уровень жидкости в кубе увеличился, то следует увеличить отбор остатка.
Схема автоматизации процесса ректификации представлена на рисунке 15.
Рис. 15. Автоматизация процесса ректификации. 1 – теплообменник, 2 – колонна.
Для стабильной работы колонны и обеспечения необходимой четкости разделения фракций необходимо регулировать следующие технологические параметры:
Система TRC-1 обеспечивает температуру питания подачи пара в подогреватель 1.
|
|
|
Система FRC-2 обеспечивает стабильную работу куба колонны стабилизацией расхода греющего пара в кипятильник 3.
|
Система PRC-4 обеспечивает заданное значение давления в колонне изменением скорости конденсации при изменении расхода охлаждающей среды в дефлегматор 4.
Системы TRC-6 и LRC-5 обеспечивают заданную температуру на верху колонны, которая соответствует определенному качеству дистиллята и заданный уровень в дефлегматоре 5.
|
Заключение
В результате проведенных итерационных расчетов определили основные размеры проектируемой тарельчатой ректификационной колонны, также выполнили конструктивно-механический расчет.
Методом Фенске – Андервуда определили минимальное число тарелок. Для расчета минимального орошения использовали метод Андервуда. Определили оптимальное число тарелок и оптимальное флегмовое число, диаметр аппарата и его высоту. Выбрали тип внутренних устройств – колпачковые тарелки. Некоторые необходимые для расчета колонны свойства определены с помощью эмпирических корреляций.
Был произведен материальный и тепловой расчет ректификационной колонны непрерывного действия для разделения легких прямогонных дистиллятов. Продукты: ректификат – прямогонная фракция НК – 1600С кубовый остаток.
Диаметр колонны 2400 мм, ориентировочная высота колонны – тарельчатая часть 13,88 м, общая высота 15,88 м. Тип тарелок - колпачковые TCK-I. общее число тарелок - 34. Выбираем тарелку ТСК-1 диаметром 2400 мм. Периметр слива L = 1,755 м, диаметр колпачка dк = 100 мм, количество колпачков –168, расстояние между колпачками – 100 мм. Параметры были подобраны по ОСТ 26-01-66-86.
Обобщив все имеющиеся данные, можно составить следующее описание колонны предназначенной для разделения многокомпонентной смеси. На питание в колонну поступает смесь при температуре 210,140С расходом 8500 кг/ч. Температура в кубе колонны доставляет 288,10С и отбор кубового остатка 2,309*104 кг/ч. Верх колонны с расходом дистиллята 2,099*102 кг/ч и температурой 132,170С, флегмовое число 1,79.Процесс разделения осуществляется при давлении: верха колонны 0,140 МПа, низа 0,170 МПа.
|
|
Список использованной литературы
1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1973.-752 с.
2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. -Л.: Химия, 1987.-576 с.
3. Машины и аппараты химических производств. Под ред. И.И.Чернобыльского. Изд.З-е перераб. и доп.-М.: Машиностроение, 1975.-456 с.
4. Колонные аппараты: каталог. – М.: Цинтихимнефтемаш, 1978. – 30 с.
5. Самборская М.А. Технологическое проектирование тарельчатых колонн фракционирования нефти: методическиеуказания – Томск: Издательство ТПУ, 2008 – 47с.
6. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры.-Л. Машиностроение, 1970-752 с.
7. Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов: Справочник.-Л.: Машиностроение, Ленинградское отд-е, 1981.-382 с.
8. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для ВУЗов.-Изд. 2-е. В 2-х кн.: Часть 1. Теоретические основы процессов химической технологии. Гидромеханические процессы и аппараты.-М.: Химия, 1995.-400 с.
9. Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию – 3-е изд., стереотипное. – М.: ООО ИД «Альянс», 2007. – 496 с
|
|
|
|
