Определение основных размеров колонны

Расчёт основных размеров колонны включает определение её диаметра, высоты, диаметров основных штуцеров.

Диаметр колонны определяется для наиболее нагруженного сечения с использованием допустимой массовой скорости паров G_g или линейной скорости w_g по уравнениям:

, (38) ; ,(39)

где – диаметр колонны,м;

– паровая нагрузка колонны в расчётном сечении, кг/ч;

– объёмный расход паров, проходящих через данное сечение ко- лонны, м³/с;

G_g – допустимая массовая скорость паров, м/с;

w_g – линейная скорость паров, м/с;

π – давление в системе, мм рт.ст.

При расчете объемного расчета паров для колонн, работающих при избыточном давлении, необходимо учитывать коэффициент сжимаемости z, который находят из зависимости от приведенных параметров Т_пр и Р_пр

Приведенные температура и давление находятся по уравнениям:

,(41) ; ,(40)

где π – давление в системе, мм.рт.ст;

Т – температура системы, К;

Р_кр – критическое давление, мм.рт.ст;

Т_кр – критическая температура, К.

Для газовых смесей использование истинных критических параметров при

определении физических и тепловых характеристик смеси приводит к значительным отклонениям. Поэтому при расчете свойств газовых смесей используются исправленные критические параметры, которые принято называть псевдокритическими.

Для углеводородных газовых смесей псевдокритические параметры температуры и давления принято определять по правилу аддитивности через критические параметры и мольные концентрации отдельных компонентов смеси:

,(41); ,(42)

где x`_i - мольная концентрация i-го компонента;

T_kp,i и P_kp,i - соответственно критическая температура и критическое давление компонента.

Значения T_кр.i и P_кр.i принимаем по данным [2, приложение 1. с. 25].

Объемный расход паров рассчитываем для наиболее нагруженного сечения колонны по уравнению:

(43)

Где - объемный расход паров,м³/с;

- количество паров под нижней тарелкой колонны,кг/ч;

- температура на -ной тарелке колонны, °C;

- средняя молекулярная масса остатка;

- давление на -ной тарелке колонны,мм рт.ст;

- коэффициент сжимаемости.

Расчет псевдокритических параметров приведен в таблице 18

Таблица 18

Компонент	YNk-1,i	Y'Nk-1,i	Tкр.i	Pкр.i , мм.рт.ст	Y'Nk-1,i , Tiкр, К	Y'Nk-1,i , piкр, мм.рт.ст
С2Н6	0.0003	0.0004	305.3000	36632.0000	0.1105	13.2608
С3Н8	0.8587	0.8639	369.8000	31920.0000	376.5438	32502.1040
и-С4Н10	0.0715	0.0685	407.9000	27360.0000	27.9453	1874.4381
С4Н10	0.0692	0.0669	425.0000	28500.0000	28.4439	1907.4146
и-С5Н12	0.0002	0.0002	469.6000	25004.0000	0.0728	3.8775
С5Н12	0.0001	0.0001	460.8000	25308.0000	0.0272	1.4939
С6Н14	0.0000	0.0000	507.7000	22724.0000	0.0001	0.0034
Сумма	1.0000	1.0000			433.1436	36302.5923

В результате расчета получено:

¾ псевдокритическая температура Т_пс.кр = 433 К

¾ псевдокритическое давление Р_пс.кр =36302,59 мм.рт.ст.

Давление в системе p_н = 10565 мм.рт.ст.

Температура низа колонны Т_н = 104+273=377 °С

Находим приведенные температуру и давление по следующим формулам:

Таким образом, объемный расход паров равен:

По графику зависимости коэффициента сжимаемости от приведенных давления и температуры находим коэффициент сжимаемости z = 0,85.

Плотность паров:

Для пересчета величин ρ₄²⁰ и ρ₁₅¹⁵ можно воспользовался приближенной формулой:

,(44)

где a - температурная поправка, которая определили таблицам [2],:

С учётом температурной поправки [2, с.5] получаем плотность жидкости:

т. е. плотность жидкости r_ж= 591,18 кг/м³

Допустимую линейную скорость паров в колонне определяем по уравнению:

(45)

Величина коэффициента С зависит от конструкции тарелки, расстояния между тарелками и поверхностного натяжения жидкости.

Расстояние между тарелками обычно изменяется в пределах от 0,2 до 0,8 м, а для колонн диаметром 1м и более при монтаже тарелок через люки Н_Т не менее 0,45.

Примем расстояние между тарелками Н_Т = 0,45м, тогда коэффициент С = 850.

Диаметр колонны равен:

м,

где V – объёмный расход паров, проходящих через данное сечение колонны, м³/с;

w_g – линейная скорость паров, м/с;

D_k – диаметр колонны, м;

π – давление в системе, мм рт.ст.

Полученный по приведенным уравнениям диаметр колонны округляют до ближайшего стандартного (ГОСТ 9617-76) принимаем D_k = 2000 мм.

Расстояние между нижней тарелкой и нижним днищем определяют с учетом необходимого запаса жидкости в случае прекращения подачи сырья в колонну.

Объем жидкости определяется из соотношения:

,

где g_N – количество жидкости стекающей с нижней тарелки колонны, кг/ч;

τ – запас времени, ч.

Высота жидкости в нижней части колонны:

Расстояние от уровня жидкости до нижней тарелки принимаем равным 1м, тогда высота нижней части колонны равна 1,000000003 м.

Высоту над верхней тарелкой концентрационной части колонны выбирают с учетом конструкции колонны (наличие отбойников, распределителей жидкости и т.д.), принимаем 3H, т.е. 1,35 м.

Высота питательной зоны колонны зависит от конструкции узла ввода сырья, примем эту высоту равной 1,3 м.

Через 4-5 тарелок по высоте колонны устанавливаются люки для обеспечения монтажа и ремонта тарелок. Диаметр люков принимается не менее D_y = 450, а расстояние между тарелками в месте установки люка не менее 600 мм.

Высота концентрационной части равна:

Высота отгонной части равна:

Полезная высота колонны равна:

Н_пол=16,75 м

Примем высоту опоры равной 3 м, тогда общая высота колонны:

Н = Н_пол + 3 = 19,75 м.

При расчете диаметра штуцеров массовые пара или жидкости пересчитываем на реальную производительность колонны, плотности потоков находим по приведенной выше методике, допустимую скорость движения потоков принимаем в зависимости от назначения штуцера и фазового состояния потока (в м/с):

скорость жидкости потока на приеме насоса и в самотечных трубопроводах…………………………………………………………… 0,2-0,6

на выкиде насоса ………………………………………………………… 1-2

скорость парового потока: в шлемовых трубах и из кипятильника в колонну (при атмосферном давлении) …………………………………………………… 10-30

в трубопроводах из отпарных секций……………………………….... 10-40

в шлемовых трубах вакуумных колонн …………………………………. 20-60

при подаче сырья в колонну ………………….…………………………... 30-50

скорость парожидкостного потока в колонну в пересчете на однофазный жидкостной поток …………………………….………………………….. 0,5-1,0

Диаметр штуцеров принимаем примерно равным внутреннему диаметру трубы. При этом если диаметр трубы будет принят несколько меньшим, производится проверочный расчет скорости потоков.

Штуцер ввода сырья:

F = 375000 кг/ч ρ_ж = 564,282 кг/м³ ω = 0,4 м/с

Принимаем штуцер ввода сырья D = 200 мм.

Штуцер для вывода паров ректификата:

G = D + g_хол = 450101,9 кг/ч

ρ_п = 18,24 кг/м³ ; ω = 27 м/с

Принимаем штуцер ввода паров D = 250 мм.

Штуцер для вывода жидкости в кипятильник:

g₁₌78750,91 кг/ч

ρ_ж = 591.18 кг/м³ ω = 1,2 м/с

Принимаем штуцер вывода жидкости в кипятильник D = 250 мм.

Штуцер для ввода паров из кипятильника:

G_N = 73296,1 кг/ч ρ_п = 23,38 кг/м³ ω = 23 м/с

Принимаем штуцер для ввода паров из кипятильника D = 250 мм.

Результаты расчетов сведены в таблицу 19.

Таблица 19 - Результаты расчета штуцеров