Расчет отпарной секции колонны

Таблица 7 - Материальный баланс отпарной секции

Наименование потока	G, кг/ч	% масс от смеси	% масс
Приход:
1.Рафинатный раствор	37806,6	100,0	97,1
а) рафинат	37367,2	98,8	96,0
б) N-MП	439,4	1,2	1,1
2. Водяной пар	1134,2	3,0	2,9
Итого:	38940,7	103,0	100,0
Расход:
1. Жидкая фаза	37367,2		96,0
а) рафинат	37367,2	98,8	96,0
2. Паровая фаза	1573,6		4,0
а) N-MП	439,4	1,2	1,1
б) водяной пар	1134,2	3,0	2,9
Итого:	38940,7	103,0	100,0

Тепловой баланс отпарной секции составляем с целью определения количества растворителя, подаваемого на орошение.

Температуру входа рафинатного раствора принимаем на 5-10 ⁰С ниже температуры выхода рафинатного раствора из испарительной секции.

Принимаем Т_входа = 255 ⁰С

Определим температуру низа колонны по формуле:

,где (30)

r – скрытая теплота испарения растворителя, кДж/кг;

c – удельная теплоемкость рафината (около 63 кДж/кг·⁰С).

⁰C.

Параметры перегретого водяного пара: P = 1,0 МПа, Т_ВП = 180 ⁰С, q_ВП = 2845 кДж/кг.

Определим парциальное давление паров растворителя с учетом водяного пара [6]:

,где (31)

Z – количество вводимого в колону водяного пара, (3-5 %масс от рафината), кг/ч;

P – общее давление над верхней тарелкой в колонне;

G_NM_П – количество отгоняемого растворителя;

М_NMП – молекулярная масса растворителя;

18 – молекулярная масса воды.

МПа.

Этому давлению соответствует Т_верха = 119 ⁰С.

1. Определяем тепловую нагрузку прихода:

(32)

а) (33)

(34)

Энтальпию рафината находим по формуле Крэга:

573,11 кДж/кг

Тогда тепловая нагрузка рафината по (1.39):

кДж/ч

Тепловая нагрузка N-МП:

кДж/ч

Энтальпию N-метилпирролидона берем из справочника [5]

б)кДж/ч (35)

Тогда: кДж/ч.

2. Определяем тепловую нагрузку расхода:

(36)

а)кДж/ч (37)

Энтальпию N-метилпирролидона берем из справочника [5]

кДж/ч

Энтальпию водяного пара находим по диаграмме.

кДж/ч (38)

б) (39)

кДж/кг

кДж/ч

Тогда: кДж/ч

3. Найдем тепло орошения:

кДж/ч (40)

4. Количество орошения:

кг/ч (41)

Все данные по тепловому балансу заносим в таблицу 8.
Таблица 8 -Тепловой баланс отпарной секции

Наименование потоков	G, кг/ч	Т, ⁰С	q, кДж/кг	Q, кДж/ч·10⁶
Приход:
1. Рафинатный раствор	37806,6	255		21,69
а) рафинат	37367,2	255	573,11	21,42
б) N-МП	439,4	255	620	0,27
2. Водяной пар	1134,2	180	2845	3,23
Итого:	38940,7			24,91
Расход:
1. Жидкая фаза	37367,2	254,9
а) рафинат	37367,2	254,9	572,84	21,41
2. Паровая фаза	1573,6	105		3,42
а) N-МП	439,4	105	938	0,41
б) водяной пар	1134,2	105	2648	3,00
Итого:	38940,7			24,82
Острое орошение	280,1	80		0,09

Определение диаметра отпарной колонны:

Рассчитаем по (1.41) количество паров, проходящих в наиболее нагруженном сечении колонны [8]:

м³/с

Рассчитаем допустимую линейную скорость паров:

Определим плотность паров по (1.31):

кг/м³

Определим по (1.46) плотность жидкости [9]:

кг/м³,

- поправка на изменение плотности при изменении температуры на один градус (из таблицы) [9].

Тогда по (1.29):

Тогда диаметр колонны по (1.47):

Из стандартного ряда принимаем диаметр D = 1 м.

5. Определение высоты отпарной колонны [8].

, где

h₁ – высота до первой ректификационной тарелки;

h₂ – высота отпаривающей зоны;

h₃ – высота слоя жидкости внизу секции;

h₄ – высота низа колонны;

h₅ – высота постамента колонны.

h₁ = 1/2D =0,5·1,0 = 0,5 м.

h₂ = (n-1) ·h_t = (10-1) ·0,6 = 5,4 м.

h₃ принимаем равной 1 м.

h₄ определяем, исходя из запаса остатка на 300 сек.

Объем рафината внизу колонны составляет:

(42)

G_p - расход рафината

- плотность рафината

G_p = 41341,34 кг/ч = 11,48 кг/сек.

м³/кг.

Площадь поперечного сечения:

м (43)

Тогда: h₄ = V_p/F = 3,51/0,78 =4,5 м.

Высоту h₅ принимаем равной 2 м.

Тогда: H_отп = 0,5+5,4+1+4,5+2=13,4 м.

Таким образом общая высота рафинатной колонны составляет:

м (44)
Расчет печи

Печь предназначена для нагрева рафинатного раствора до температуры t₂ = 250°С. Начальная температура сырья (на выходе из теплообменника) t₁ = 200°С. Согласно литературным данным [6], вследствие малой растворимости селективных растворителей в рафинате, содержание их в рафинатном растворе обычно составляет 10-20 % масс. Содержание N-метилпирролидона в рафинатном растворе составляет 12,7 % масс. Производительность печи по сырью составляет 43940,04 кг/ч:

Состав топлива приведён в таблице:

Таблица 9 - Компонентный состав газа

Компоненты	Мольная(объёмная) доля, %	Молекулярная масса, M_i	M_i·r_i	g_i,%(масс.)
С₃Н₈	8,6	44	3,8	6,7
изо-С₄Н₁₀	18,9	58	11,0	19,3
н-С₄Н₁₀	72,5	58	42,1	74,0
Сумма	100	-	56,796	100

Расчет процесса горения:

Определим низшую теплоту сгорания топлива (в кДж/м³) по формуле:

Q_р^н= 360,ЗЗ×СН₄ +590,4·С₂Н₄+ 631,8×С₂Н₆ + 913,8×С₃Н₈ + 1092,81·изо-С₄Н₁₀++1195×н-C₄Н₁₀+1092,81×С₄Н₁₀+1146·С₄Н₈+1460,22·С₅Н₁₂+251,2·Н₂ (45)

где СН₄, С₂Н₆ и т.д. - содержание соответствующих компонентов в топливе, % об.

Низшая объемная теплота сгорания:

Q_р^н= 913,8×8,6 +1195×18,9+1092,81×72,5 = 115150,3 кДж/м³

Низшая массовая теплота сгорания:

Q_н=Q_р^н/r_г=115150,3/2,60=44228,24кДж/кг (46)

Определяем элементарный состав топлива в массовых процентах.

Содержание углерода в любом i-том компоненте топлива находим по соотношению:

С_i=12×g_i×n_i/M_i, (47)

где n_i - число атомов углерода в данном компоненте.

Содержание углерода:

Содержание водорода:

H_i=g_i×m_i/M_i, (48)

где m_i - число атомов водорода в данном компоненте.

Проверка:

С + Н= 82,7 +17,3 = 100 % масс.

Теоретическое количество воздуха, необходимого для сжигания 1 кг газа, определим по формуле:

Для печей с газообразным топливом и при объемном горении топлива коэффициент избытка воздуха рекомендуется принимать a = 1,05 ¸ 1,2. Примем a = 1,1.

Тогда действительное количество воздуха составит:

L_д = a×L_о = 1,1×15,6=17,18 кг/кг, (49)

или L_д/r_в = 17,18/1,293 = 13,29 м³/кг, где (50)

r_в = 1,293 кг/м³ - плотность воздуха при нормальных условиях (273 К и 101325 Па).

Определим количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг топлива:

m_CO₂=0,0367×С=0,0367×82,7=3,04 кг/кг; (51)

m_H_2O=0,09×Н=0,09×17,3=1,56 кг/кг (52)

m_O₂ =0,23×L₀×(a - 1)=0,23×15,6×(1,1 - 1)=0,36 кг/кг (53)

m_N₂ = 0,77×L₀×a+0,01N = 0,77×15,61·1,1=13,22 кг/кг (54)

Суммарное количество продуктов сгорания:

М = 3,04 +1,56 + 0,36 + 13,22 = 18,18 кг/кг

Проверка: М = 1 + a×L_о = 1 + 1,1×15,6 = 18,18 кг/кг. Содержанием влаги в воздухе пренебрегаем.

Найдем объемное количество продуктов сгорания (в м³) на 1 кг топлива (при нормальных условиях):

V_CO₂ = m_CO₂×22,4/M_CO₂ = 3,03×22,4/44 = 1,55 м³/кг (55)

V_Н2О = m_Н2О×22,4/M_Н2О = 1,56×22,4/18 = 1,94 м³/кг (56)

V_O₂ = m_O₂×22,4/M_O₂ = 0,36×22,4/32 = 0,25 м³/кг (57)

V_N₂ = m_N₂×22,4/M_N₂ = 13,22×22,4/28 = 10,58 м³/кг (58)

Суммарный объем продуктов сгорания:

V = 1,54 +1,94 + 0,25 +10,58 = 14,31 м³/кг.

Плотность продуктов сгорания при 273 К и 101325 Па:

r₀ = Sm_i /SV_i = 18,18/14,31 = 1,27 кг/м³ (59)

Определим энтальпию продуктов сгорания на 1 кг топлива при различных температурах по уравнению:

q^T= (T - 273)×(m_CO2×C_CO2 + m_Н2O×С_H2O + m_O2×C_O2 + m_N2×C_N2), (60)

где Т - температура продуктов сгорания, К;

С_С02, С_H2_O, С₀₂, С_N2 - средние массовые теплоемкости продуктов сгорания, определяемые по справочным данным [8], кДж/(кг×К).

Полученные данные оформим в таблицу, после чего построим график зависимости энтальпии дымовых газов от температуры (рис.2):

Таблица 10 -
Зависимость энтальпии дымовых газов от температуры

Т,К	273	300	500	700	900	1100	1300	1500	1700	1900	2100	2300
Q(T)·10^-3 кДж/кг	0,00	0,53	4,52	8,71	13,13	17,73	22,54	27,48	32,52	37,64	41,12	48,14

К.П.Д. печи найдем по формуле:

(61)

- потери тепла в окружающую среду, в долях от низшей теплоты сгорания топлива.

- потери тепла с уходящими дымовыми газами в долях от низшей теплоты сгорания топлива.

Примем = 0,06 и температуру дымовых газов, покидающих

конвекционную камеру печи, на 120 К выше температуры Т₁сырья, поступающего в печь:

Т_ух = Т₁ + DТ = 200 + 273 + 120 = 593 К

Найдем по графику q-Т потерю тепла с уходящими дымовыми газами, при

Т_ух = 593 К она составит q_ух = 8050 кДж/кг.

Тогда КПД печи равно:

h = 1 - (0,06 + 8050 /44228) = 0,76.

Полная тепловая нагрузка печи:

Q_т = Q_пол/h, (62)

где Q_пол - полезное тепло печи, кДж/ч.

Полезное тепло печи рассчитываем по формуле:

Q_пол = G_раф×(q_Т2^р - q_Т1^р)+ G_N_МП (е×q_Т2^п - q_Т1^ж), (63)

где G - производительность печи но сырью, кг/ч; е = 0,93 - массовая доля отгона растворителя на выходе из печи от общего количества растворителя; q^п, q^{ж –} энтальпия, соответственно, паровой и жидкой фаз растворителя на выходе из печи и на входе в печь, кДж/кг; q_Т2^р, q_Т1^р - энтальпии растворителя на выходе из печи и на входе в печь кДж/кг.

q_Т2^р = 4,187((50,2 + 0,109×t + 0,00014×t²)×(4 - ) – 73,8), кДж/кг (64)

q_Т1^р = 4,187×(0,403×t + 0,000405×t²)/, кДж/кг (65)

r₁₅¹⁵ = r₄²⁰ + 0,0035/r₄²⁰(66)

Энтальпии отбензиненной нефти найдем по формулам:

q_Т1^р= 4,187×(0,403×200 + 0,000405×200²)/= 429,65 кДж/кг;

q_Т2^р= 4,187×(0,403×295 + 0,000405×295²)/= 684,11 кДж/кг;

Согласно [5] для N-метилпирролидона:

q^п= 480 кДж/кг

q^ж= 999 кДж/кг

Подставляя в формулу соответствующие величины, получим:

Q_пол=37367,15×(684,11 -429,65)+ 6572,89×(0,93× 999 –(1-0,93) × 480) = 15,42·10⁹ Дж/ч

Q_Т = Q_пол/h =15,42·10⁶/0,76=20,35·10⁶ кДж=5653,34 кВт

Часовой расход топлива:

В = Q_пол/(Q_р^н×h) (67)

В = 15,42·10⁶/(44228,24×0,76) = 460,16 кг/ч

Расчет поверхности нагрева радиантных труб.

Н_p = Q_p/(3600×h_T) (68)

Поверхность нагрева конвекционных труб определяется по формуле:

Н_к = Q_к/(k₁×DT_ср), (69)

где Q_к - количество тепла, передаваемого сырью в конвекционных трубах, Вт;

k₁ - коэффициент теплопередачи в конвекционной камере печи, Вт/(м²×К);

DТ_ср - средний температурный напор, К.

Определение среднего температурного напора.

В конвекционной камере проектируемой печи теплопередача от дымовых газов к сырью в трубах осуществляется при смешанно-перекрестном токе с индексом противоточности, равным единице. Поэтому средний температурный напор рассчитывается по уравнению Грасгофа:

(70)

По результатам выполненных расчетов для нагрева отбензиненной нефти считается целесообразным установить трубчатую печь типа ГС-1.

Количество тепла, переданного сырью в камере радиации (прямая отдача топки), найдем из уравнения теплового баланса топки:

Q_р = (Q_р^н×h_Т – q_Tn)×В, (71)

где h_T - КПД топки;

q_Tn - энтальпия дымовых газов на выходе из камеры радиации при температуре Т_n, кДж/кг топлива.

Примем Т_n =1050 К и определим по графику q-Т: q_Тn = 15000 кДж/кг.

Ранее было принято, что потери тепла в окружающую среду равны 6 %.

Пусть 4 % в том числе составляют потери тепла в топке: h_T = 1 - 0,04 = 0,96.

Q_р = (44228×0,96 -15000)× 460,16 = 12,62·10⁶ кДж/ч.

Теплонапряжение радиантных труб для печи типа ГС q_р = 20,7 кВт/м². Поверхность нагрева радиантных труб будет равна:

Н_p = Q_p/(3600×h_T) =12,62·10⁶/(20,7×3600) =160 м²

Принимаем печь типа ГС-1 с поверхностью нагрева 265 м² [12].

Определим температуру Т_к сырья на входе в конвекционые трубы. Полагая на основе опытных данных, что сырьё в конвекционных трубах не испаряется, найдем ее энтальпию на выходе из радиантных труб из уравнения:

Q_Р = G_N_МП·(е×q_Т2^П + (1 - е)×q_Т2^ж)+G_раф(q_Т2^р- q_Тк^р)

Следовательно, q_T_к^Ж= е×q_Т2^П + (1 - е)×q_Т2^ж- Q_р/G

Используя пункт меню «подбор параметра» в программе, составленной в «ЕХСЕL», можно подобрать искомое значение температуры t_к = 259,85°С, что составляет Т_к = 501,95 К.

T_макс = T_п - T_к = 1050 –501,95 = 548,05К;

T_мин = Т_ух - Т₁ = 593 - (230+ 273) =120 К;

Теперь можно рассчитать поверхность нагрева конвекционных труб:

k₁ - коэффициент теплопередачи в конвекционной камере печи

Количество тепла, передаваемого сырью в конвекционных трубах:

Q_к = (Q_пол- Q_р)/3600 = (15,42·10⁶ -12,62·10⁶)/3600 = 777,85 кВт.

Примем k₁ = 32,6 Вт/(м²×К).

Тогда

Н_к = Q_к/(k₁×DT_ср) = 777,85 ×1000/(32,6×281,82) =84,7 м².

Выбираем трубы диаметром 152 мм с полезной длиной l_тр = 6 м.

Число радиантных труб:

(72)

Определим число труб в конвекционной камере.

(73)

В трубчатой печи для сжигания топлива применена комбинированная горелка типа ГП-2. Горелка ГП-2 конструктивно несложная и простая в эксплуатации, имеет возможность включения в систему автоматического регулирования работы печи, дает устойчивый факел пламени, имеет высокую производительность, может работать как раздельно на газе и мазуте, так и одновременно сжигать оба вида топлива, при этом она обеспечивает достаточно полное сжигание топлива.

Продукты сгорания, получающиеся при сжигании топлива в горелках, проходя по камерам печи, отдают свое тепло радиантным и конвективным трубам змеевиков и далее по газопроводу поступают в дымовую трубу.

Таблица 11 -Техническая характеристика горелки ГП-2

Тепловая мощность, МВт	2,4
Производительность по: мазуту, кг/ч газу, м³/ ч	216 250
Удельный расход пара, кг/кг мазута	0,2
Коэффициент избытка воздуха при работе: на мазуте на газе	1,1 1,08
Давление перед горелкой, МПа: мазута пара, газа	0,4 0,15
Длина факела, м	5,5