Пояснительная записка к выпускной квалификационной работе по направлению подготовки «Технологические машины и оборудование»

Колонны с ситчатыми тарелками с отбойными элементами
Полотно тарелки выполняется из просечно-вытяжных листов. Направление просечки совпадает с направлением жидкости в колонне. Над тарелкой из просечно-вытяжного листа установлены отбойные элементы. На рисунке 2.6 приведен элемент тарелки из просечно-вытяжного листа.

Рисунок 2.6 - Элемент тарелки из просечно-вытяжных листов: 1 – полотно тарелки, 2 – отбойный элемент.

Преимущества ситчатых тарелок с отбойными элементами:

• 
  низкое гидравлическое сопротивление;
  
• 
  высокая производительность по пару;
  
• 
  хорошо зарекомендовали в вакуумных колоннах.
  

Колонны со струйными тарелками

Рисунок 2.7 - Струйная тарелка с секционными перегородками
Тарелки представляют собой полотно с просечками. Металл просечек отогнут в виде лепестков или язычков. Для эффективности процессов ректификации на тарелке устанавливают поперечные перегородки. На рисунке 2.7 приведена струйная тарелка с секционными перегородками.
Тарелки такой конструкции должны быть установлены строго горизонтально, так как при перекосе часть элементов может быть совсем не залита жидкостью, или уровень ее будет недостаточен для эффективной работы тарелки. Все это ухудшает работу колонны.

3. 
   Выбор колонны
   

Для процессов деэтанизации выберем тарельчатую колонну, так как:

• 
  очень хорошо зарекомендовали себя в газо- и нефтепереработке [3];
  
• 
  достигается очень высокая степень разделения смеси [3];
  
• 
  насадочные колонны рассчитаны на небольшой объем (в нашем случае, наоборот, это промышленное производство) [4].
  

При выборе конструкции тарелок будем руководствоваться информацией о том, в настоящее время провальные тарельчатые колонны с успехом используются при разделении различных смесей. Главными критериями выбора в пользу таких тарелок стали:

• 
  высокая производительность;
  
• 
  сравнительно невысокая цена;
  
• 
  небольшое гидравлическое сопротивление;
  
• 
  высокая эффективность работы тарелок (может быть достигнут оптимальный режим ректификации).
  

Для оборудования колонны деэтанизации используем комбинированные решетчато-ситчатые тарелки, которые характеризуются простотой конструкции и высокой эффективностью.

2. 
   КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ХИМИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
   

1. 
   Выбор материала ректификационной колонны
   

Выбор марки стали для колонны в соответствии с рекомендациями [5], обусловлен условиями работы аппарата, и, соответственно, необходимостью удовлетворения выбранной маркой стали определенных критериев: хладостойкость, совместимость по агрессивности среды, доступность на рынке и сравнительная дешевизна.
В соответствии с рекомендациями [6] материал для изготовления стальных сварных аппаратов должен быть химически и коррозионностойким в заданной среде, при рабочих параметрах, обладать хорошей свариваемостью и соответствующими прочностными и пластическими характеристиками в рабочих условиях, допускать холодную и горячую механическую обработку, а также иметь низкую стоимость и высокую распространенность на рынке.
Рабочая среда - смесь углеводородов С₂ и выше обладает невысокой коррозионной активностью. В качестве исполнительной марки стали выбираем низколегированную низкоуглеродистую сталь. Поскольку проектируемая колонна будет размещена на открытой площадке в виду суровых климатических условий региона, необходимо изготовление колонны из холодостойской стали.
В качестве исполнительной марки стали выбираем сталь 09Г2С, рекомендованную для изготовления сварной аппаратуры в химической, пищевой и других отраслях промышленности, при расчетной температуре от -70 до 300 0С.
Сталь 09Г2С обладает коррозионной стойкостью в заданных условиях эксплуатации, дешевезной и доступностью на рынке, хорошей свариваемостью и хладостойкостью.

3.2 Исходные данные для расчета

Исходные данные для расчетов:

• 
  состав сырья (мол. %): СН₄ – 0,980, С₂Н₆ – 1,107, С₃Н₈ – 36,357, С₄Н₁₀ – 41,775, С₅Н₁₂ – 19,781;
  
• 
  содержание С₄Н₁₀ в дистилляте должно быть не более 1,3 % мол.;
  
• 
  содержание С₃Н₈ в кубовом остатке не более 2 % мол.;
  
• 
  сырье подается в колонну при температуре -10 ⁰С (263К);
  
• 
  производительность колонны 42000 т/год (4794,5 кг/час)
  
• 
  температура низа колонны 112,75 ⁰С;
  
• 
  температура верха колонны 6,65 ⁰С.
  

3.3 Расчет состава сырья [7]

Средняя масса сырья:


Пересчет в массовые доли производится по формуле:

Все расчеты сведены в таблицу 3.1.

Таблица 3.1 – Расчет компонентного состава исходной смеси и средней молекулярной массы

№ п/п	Компо-ненты сырья	Молеку-лярная масса, Mi	Состав сырья в мольных долях,		Состав сырья в массовых долях	Количество в сырье
						кг/час	кмоль/ч
1	СН4	16	0,0098	0,157	0,003	13,679	0,855
2	С2Н6	30	0,0111	0,332	0,006	28,972	0,966
3	С3Н8	44	0,3636	15,997	0,291	1395,580	31,718
4	С4Н10	58	0,4178	24,230	0,441	2113,773	36,444
5	С5Н12	72	0,1978	14,242	0,259	1242,495	17,257
	Сумма		1,000	Мср≈55	1,000	4794,5	87,240

3.4 Количество и состав дистиллята и кубового остатка
В дальнейшем для удобства расчет будем производить на 100 кмоль сырья. Составы выражены в мольных долях. Ввиду незначительного допускаемого содержания этана в дистилляте (0,15 % мол.) и пропана в кубовом остатке (1 % мол.) можно без заметного ущерба для точности расчета пренебречь содержание СН₄ в кубовом остатке и содержанием С₆Н₁₄ в дистилляте.
Принимаем обозначения:
- мольные доли компонентов в жидкости;
- мольные доли компонентов в парах;
R (индекс) – относится к кубовому остатку;
D (индекс) – относится к дистилляту;
Индекс 1 относится к метану (СН₄), 2 – к этану (С₂Н₆) и т.д.
Учитывая вышеизложенное, принимаем:
=0
=0
Запишем уравнения материального баланса для всей колонны по общему количеству молей потоков и по каждому компоненту:






Подставляя известные данные и приближения, получим:





Суммируя уравнения (2.11) и (2.12), получаем:

По условию разделения:


Подставляем в уравнение (2.13):


кмоль на 100 кмоль сырья.
R=100-37,388=62,312 кмоль на 100 кмоль сырья.
Из уравнения (2.8) можно рассчитать:

Из уравнения (2.9) можно рассчитать:

Из уравнения (2.10) можно рассчитать:

Из уравнения (2.11) можно рассчитать:

Данные о составах и количествах дистиллята и кубовых остатках сведены в таблицу 3.2.

Таблица 3.2 – Составы и количество дистиллята и кубового остатка

Компоненты	Сырье, кмоль	Дистиллят D		Кубовый остаток R
		, кмоль		, кмоль
СН4	0,98	5,540	0,026	-	-
С2Н6	1,11	9,497	0,029	-	-
С3Н8	36,36	22,160	0,932	1,246	0,020
С4Н10	41,78	0,490	0,013	41,285	0,663
С5Н12	19,78	-	-	19,781	0,317
Сумма	100,0	37,688	1,000	62,312	1,000
Примечание: D/G=0,3769 R/G=0,6231

Пересчитаем расходы на исходный состав, данные материального баланса внесем в таблицу 3.3.

Таблица 3.3 – Материальный баланс ректификационной колонны

Компоненты	Приход		Расход
	Исходное сырье		Дистиллят		Кубовый остаток
	кг/час	кмоль/ч	кг/час	кмоль/ч		кг/час	кмоль/ч
СН4	13,679	0,855	265,622	16,601		-	-
С2Н6	28,972	0,966	455,352	15,178		-	-
С3Н8	1395,580	31,718	1062,487	24,147		59,751	1,358
С4Н10	2113,773	36,444	23,490	0,405		1979,402	34,128
С5Н12	1242,495	17,257	-	-		948,395	13,172
Сумма	4794,500	87,240	1806,951	56,332		2987,549	48,658

3.5 Расчет давления и температуры в колонне

а) расчет давления в колонне
Температура исходного сырья, поступающего в колонну:
Т₀=-10+273=263 К
Давление π_D в емкости для орошения колонны определяем методом постепенного приближения по уравнению равновесия фаз:

При этом подбираем такое значение давления, при котором константы фазового равновесия k_i при температуре 263 К после подстановки их в это уравнение превращают их в тождество.

Таким образом, давление π₀ будет равно:
π₀ = 1,48*10⁶ Па (15,1 ат).
Константы фазового равновесия определялись по номограмме приведенной на рисунке 2. 1 [8].
Данные расчетов и измерений сведены в таблицу 3.4.
Таблица 3.4 – Таблица расчетов при определении давления

Компоненты дистиллата	ki при Т0=263К (πD = 1,48*10^6 Па (15,1 ат)
СН4	11,0	0,026	0,2860
С2Н6	2,2	0,029	0,0646
С3Н8	0,70	0,932	0,6521
С4Н10	0,30	0,0013	0,0039
Сумма			1,0067

б) температура верха колонны

Принимаем давление в верху колонны на 0,02 МПа больше, то есть:
π_D=1,48+0,02=1,5 МПа
Температуру верха колонны определяем методом постепенного приближения по уравнению фаз:

Путем подбора такого ее значения, при котором константы равновесия для давления π_D=1,5 МПа, будучи подставлены в это уравнение, превращают его в тождество. Такая температура равна 279, 65 К (6,65 ⁰С).
Расчет сведен в таблицу 3.5.

Таблица 3.5 – Таблица расчетов при определении температуру верха колонны

Компоненты дистиллата	ki при ТD=279,65К (πD = 1,5*10^6 Па (1,53 ат)
СН4	11,35	0,026	0,0023
С2Н6	2,36	0,029	0,0124
С3Н8	0,98	0,932	0,9506
С4Н10	0,35	0,013	0,0371
Сумма		1,000	1,0025

в) температура низа колонны

Принимаем давление в низу колонны:
π_R=1,48+0,02=1,5 МПа
Температуру низа колонны определяем методом постепенного приближения по уравнению фаз:

Путем подбора такого ее значения, при котором константы равновесия для давления π_R=1,5 МПа, будучи подставлены в это уравнение, превращают его в тождество. Такая температура равна 385,75К (112,65 ⁰С).
Расчет сведен в таблицу 3.6.
Таблица 3.6 – Таблица расчетов при определении температуры низа колонны

Компоненты кубового остатка	ki при ТR=385,75К (πD = 1,50*10^6 Па (1,53 ат)
СН4	-	-	-
С2Н6	-	-	-
С3Н8	2,50	0,020	0,0500
С4Н10	1,17	0663	0,7757
С5Н12	0,55	0,317	0,1744
Сумма		1,000	1,0001

г) коэффициенты относительной летучести

Рассчитаем коэффициенты относительной летучести компонентов – эти значения пригодятся в дальнейших расчетах.
Принимает летучесть бутана, равной 1.
Коэффициент летучести для любого компонента вычисляется по формуле:

Для укрепляющей части колонны находим среднее значение коэффициента относительной летучести по формуле:

где
– коэффициент относительной летучести компонента притемпературе 279,65 ⁰С и давлении 1,5 МПа;
- коэффициент относительной летучести компонента притемпературе 353 ⁰С и давлении 1,5 МПа;
Для отгонной части колонны среднее значение коэффициента относительной летучести вычисляем по формуле:

где
– коэффициент относительной летучести компонента притемпературе 385,75 ⁰С и давлении 1,5 МПа.
Полученные расчетом значения коэффициентов относительной летучести для всех компонентов исходной смеси сведены в таблицу 3.7.

Таблица 3.7 – Таблица расчетов относительной летучести компонентов

Компоненты	Укрепляющая часть						Отгонная часть
	ki при Тf=353 ^0С πf=1,4 МПа	αif при Тf=353 ^0С πf=1,4 МПа	ki при ТD=279,65 ^0С πf=1,4 МПа	αiD при Тf=279,65 ^0С πf=1,4 МПа	αiср	ki при ТR=385,75 ^0С πR=1,4 МПа		αiR при Тf=385,75 ^0С πf=1,4 МПа	αiср
СН4	14,0	28,00	11,35	32,43	30,21	17,00		14,53	21,26
С2Н6	4,5	9,00	2,36	6,74	7,87	5,80		4,96	6,98
С3Н8	1,8	3,60	1,01	2,80	3,20	2,50		2,14	2,87
С4Н10	0,75	1,00	0,35	1,00	1,00	1,17		1,00	1,00
С5Н12	0,3	0,60	0,10	0,29	0,44	0,55		0,47	0,54

3.6 Расчет доли отгона и состава жидкой и паровой фаз сырья при подаче его в колонну

Мольную долю отгона исходного сырья и составы фаз при температуре 353 К и давлении 1,4 МПа рассчитываем аналитическим методом Трегубова по формулам:

Или

Путем подбора такого значения , при котом удовлетворяется это равенство. В результате расчетов получим
Результаты расчетов сведены в таблицу 3.8.

Таблица 3.8 – Таблица расчетов доли отгона

Компо-ненты сырья	Состав сырья,	ki при Тf=353 ^0С πf=1,5 МПа
СН4	0,0098	14,0	1,91	0,0051	0,0718
С2Н6	0,0111	4,5	1,245	0,0089	0,0400
С3Н8	0,3636	1,6	1,042	0,3489	0,6197
С4Н10	0,4178	0,75	0,9825	0,3234	0,1646
С5Н12	0,1978	0,3	0,951	0,3132	0,0939
Сумма	1,0000			0,9995	0,9901

3.7 Расчет минимального флегмового числа

Определение минимального флегмового числа r_min для укрепляющей части колонны будем вести по уравнению Андервуда методом постепенного приближения, зная состав исходного сырья , мольную долю отгона и составы верхнего и нижнего продуктов колонны.
Уравнение Андервуда:

Методом подбора находим параметр
Для компонентов при температуре 353 К зададимся значением , лежащим между величинами относительных летучестей и пропана и бутана. Выполним расчет и результаты сведем в таблицу 3.9.
В результате расчетов определили .

Таблица 3.9 – Таблица расчета минимального флегмового числа

Компо-ненты сырья	Состав сырья,			-
СН4	0,0098	28,00	0,2744	26,226	0,0105
С2Н6	0,0111	9,00	0,0999	7,266	0,0138
С3Н8	0,3636	3,60	1,3089	1,826	0,7168
С4Н10	0,4178	1,00	0,4178	-0,774	-0,5398
С5Н12	0,1978	0,60	0,1187	-1,174	-0,1011
Сумма	1,0000				0,1002

Как видно из таблицы, при уравнение Андервуда достаточно точно выполняется, поэтому используем это значение для дальнейших расчетов.

Минимальное флегмовое число рассчитаем по уравнению Андервуда:

Подставляем полученные значения в формулу и получим:

3.8 Расчет числа тарелок укрепляющей части колонны

Исходные данные и предпосылки расчета:

1. 
   Расчет будем вести аналитическим методом «от тарелки к тарелке» в направлении сверху вниз, так как известен состав паров дистиллята, уходящего с верхней тарелки;
   
2. 
   Рабочее флегмовое число r=2 по всей высоте принимается постоянным;
   
3. 
   Для упрощения используются средние значения относительной летучести;
   
4. 
   Состав паров, покидающих тарелку, рассчитывается по уравнению концентраций:
   

где
нижний индекс n означает номер тарелки (верхняя тарелка считается первой), а



Уравнение концентраций принимает вид:

5. 
   Состав флегмы, равновесной парам, рассчитывается по уравнению:
   

где
- мольная доля данного компонента в парах, покидающих ту же, что и флегма, тарелку.

6. 
   Температура на любой теоретической тарелке определяется по константе фазового равновесия эталонного компонента – нормального бутана. Эта константа рассчитывается по уравнению:
   

Зная k₄ и определив среднее давление в укрепляющей части по номограмме [7], находим температуру.