Расчёт колонны деэтанизации установки УПГ-1 Белозерного ГПЗ

   (21)

Расчет проводится в такой последовательности:

- количество парового орошения  наверху отгонной части по формуле (20):

V₀ = 0,56 ∙ 1743,1 = 968,7 [кмоль/ч] 

- количество флегмы с нижней  укрепляющей тарелки по формуле (22):

g_n = r ∙ D=0,51 ∙ 1090,7 = 556,3 [кмоль/ч]           (22)

- количество паров, поступающих  под нижнюю тарелку укрепляющей  части определим по формуле (23):

V_m = g_n + D=556,3 + 1090,7 = 1647 [кмоль/ч]   (23)

- количество паровой фазы сырья рассчитаем по формуле (24):

V_c = e’ ∙ F=0,25 ∙ 2874,1 = 718,5 [кмоль/ч]   (24)

- количество жидкой фазы сырья посчитаем по формуле (25):

g_c = F ∙ (1 - e’) = 2874,1 ∙ (1 - 0,25) = 2155,6 [кмоль/ч]   (25)

- количество флегмы, стекающей  на верхнюю отгонную тарелку, определим по формуле (26):

g_m = g_n + g_c = 556,3 + 2155,6 = 2711,9 [кмоль/ч]   (26)

- количество паров, поднимающихся  с верхней отгонной тарелки, рассчитаем по формуле (27):

V₀ = g_m – R = 2711,9 – 1743,1 = 968,7 [кмоль/ч]   (27)

Для проверки вычисляется количество паров, поступающих в укрепляющую  часть, воспользуемся формулой (28):

V_m = V₀ + V_С =718,5 + 968,8 = 1687,3 [кмоль/ч]   (28)

Относительная погрешность составила 2%.

5. Число тарелок в колонне

Минимальное число теоретических  тарелок в колонне определяется по уравнению Фенске – Андервуда [18], представленном в формуле (29):

,     (29)

где индекс 2 относится к этану, 3 – к пропану.

Для определения числа теоретических тарелок в колонне используется уравнение [19]:

   (30)

Откуда

= 1,76 ∙ 11,1= 19,59 ≈ 20    (31)

Соотношение числа теоретических  тарелок Nr в укрепляющей и Ns – в отгонной частях колонны определяется по уравнению Керкбрайда [18]:

    (32)

Подставляя значения, получим формулу (33) для определения соотношения теоретических тарелок в укрепляющей части колонны:

N_r = 0,63 ∙ N_s      (33)

Число теоретических тарелок в колонне равно сумме теоретических тарелок в укрепляющей и в отгонной частях колонны, что соответствует формуле (34):

N = N_r + N_s = 20     (34)

Решение уравнений (33) и (33) дает: N_s = 12,3 и N_r = 7,7.

В соответствии с имеющимися рекомендациями [17] для данного типа колонны принимается клапанная тарелка.

Ввиду отсутствия надежного метода расчета среднего к.п.д. тарелки для  колонн, разделяющих многокомпонентные  смеси [19], этот параметр в первом приближении рассчитывается (в %) по формуле (35):

,  (35)

где – среднее мольное отношение встречных на одном уровне жидкого и парового потоков;

μ_f – вязкость жидкого сырья при средней температуре в колонне t_ср = 37^оС, Па ∙ с;

α – коэффициент относительной летучести для ключевых компонентов, который определяется по формуле (36);

h_L – глубина погружения центра тяжести прорези колпачка, м.

α = К₂ / К₃ = 1,45 / 0,53 = 2,74    (36)

Сырье принимается за этан (М_f = 40,1 кг/кмоль), тогда по данным [20]  
μ_f = 10,8 ∙ 10^-6 [Па ∙ с].

Далее определяем среднее мольное отношение потоков жидкости и пара по формуле (37):

  (37)

Подставив полученные значения в формулу (35), получим:

lg η_ср = 0,85 + 0,3 ∙ lg 3,14 – 0,25 ∙ lg(2,74 ∙ 97 ∙ 10^-6) = 1,893

Отсюда η_ср = 78%.

Число рабочих тарелок в колонне  рассчитывается по формуле (38):

N_p = N / η_ср     (38)

- в укрепляющей части

N_rp = N_r / η_ср = 10

- в отгонной части

N_sp = N_sp / η_ср = 15

- всего в колонне

N_p= N_rp+ N_sp =25

6. Тепловая нагрузка конденсатора колонны

Дистиллят колонны  D получается из емкости орошения в парах при температуре  
t_D = -26 ^оС. Следовательно, в конденсаторе колонны происходит частичная конденсация паров, поступающих в него из верхней части колонны. Образующийся из этих паров конденсат подается на орошение колонны. Тепловая нагрузка конденсатора найдется по формуле (39):

Q_к = g_о ∙ (H₁ – h_о) + D ∙ (H₁ – H_D),    (39)

где g_о = g = 556,3 кмоль/ч – количество орошения;

H₁ – энтальпия паров, уходящих с верха колонны при температуре t₁ = -14^oC и давлении π₁=3,02 МПа, кДж/моль;

h_о – энтальпия орошения, подаваемого на верх колонны при температуре  
t_D= -26^oC, кДж/моль;

H_D – энтальпия паров дистиллята при температуре t_D = -26^oC и давлении  
π_D= 2,98 МПа, кДж/моль.

Мольные массы потоков рассчитываются на основе данных, приведенных в  
табл. 11.

Дальнейший расчет дает следующие  данные:

- мольные массы паров, поднимающихся с верхней тарелки колонны:

 [кг/кмоль]  (40)

- мольные массы паров дистиллята:

  [кг/кмоль]  (41)

- мольные массы орошения:

[кг/кмоль]  (42)

Энтальпии потоков находятся по графику [21]:

H = H_i ∙ M_i      (43)

H₁ = 30,3 ∙ 381 = 11544 [кДж/моль]

h_o = 29,4 ∙ 20,9 = 614,5 [кДж/моль]

H_D = 21,6 ∙ 339 = 7322 [кДж/моль]

Подставив полученные значения в формулу (39), определим тепло конденсатора:

Qк = 556,3 ∙ (11544 – 614,5) + 1090,7 ∙ (11544 - 7322) = 10,7 ГДж/ч = 2968 [кВт]

Это тепло снимается в конденсаторе с помощью пропанового охлаждения, так как должна быть достигнута температура t_D = -26^oC.

7. Тепловая нагрузка кипятильника колонны

Перепад температур по высоте отгонной части определим по формуле (44):

t_R – t_F = 95 – 31 = 64 ^oC    (44)

Судя по перепаду температур, количества парового орошения внизу и наверху отгонной части будут значительно отличаться одно от другого.

Количество паров внизу отгонной части может быть найдено, если известно тепло кипятильника Q_p. Это тепло определяется из уравнения теплового баланса колонны:

F ∙ Q_f + Q_p = D ∙ H_D + R ∙ h_R + Q_к,    (45)

где Q_f – энтальпия сырья, подаваемого в колонну при температуре t_f = 31^оС, кДж/кмоль;

h_R – энтальпия остатка колонны при температуре t_R = 95^оС, кДж/кмоль.

Энтальпия сырья рассчитывается по формуле (46):

Q_f  = e’ ∙ H_Vc + (1 - e’) ∙ h_gc,    (46)

где e’ – мольная доля отгона сырья;

H_Vc – энтальпия паровой фазы сырья, кДж/кмоль;

h_gc - энтальпия жидкой фазы сырья, кДж/кмоль.

Находим необходимые исходные данные для расчета:

Средняя молекулярная масса паровой и жидкой фаз сырья (табл. 8):

М_Vc=16∙0,544+30∙0,154+44∙0,125+58∙0,046+72∙0,008+86∙0,002=22,24 [кг/кмоль]  (47)

М_gc=16∙0,124+30∙0,231+44∙0,264+58∙0,223+72∙0,086+86∙0,051=44,04 [кг/кмоль]  (48)

Средняя молекулярная масса остатка колонны (табл. 6):

М_R =30∙0,155+44∙0,377+58∙0,295+72∙0,110+86∙0,064=51,77 [кг/кмоль]    (49)

- энтальпии потоков определим по графику [21] и по формуле (43):

H_Vc = 22,2 ∙ 443,8 = 9852 [кДж/моль]

h_gc = 44 ∙ 175,8 = 7735,2 [кДж/моль]

h_R = 51,8  ∙ 556,8 = 28842,2 [кДж/моль]

 Q_f = 0,25 ∙ 9852 + 0,75 ∙ 7735,2 = 8264,4 [кДж/моль]

Далее вычисляется тепло кипятильника, по формуле (50):

Q_p = D ∙ H_D + R ∙ h_R + Q_к – F ∙ Q_f    (50)

Q_p = 1090,7 ∙ 7322 + 1743,1 ∙ 28842,3 + 10,7 ∙ 10⁶ – 2874,1 ∙ 8264,4 =  
= 45,2 ГДж/ч = 12556 [кВт]

Масса парового орошения V_R, подаваемого из кипятильника под нижнюю отгонную тарелку колонны может быть найдена из уравнения (51):

Q_p = V_R ∙ (H_VR - h_VR)_,          (51)

где (H_VR - h_VR) – теплота испарения орошения, равная разности его энтальпий в паровой и жидкой фазах при температуре t_R= 95^оС и давлении π_R = 3,08 МПа, кДж-моль.

Средняя молекулярная масса паров  орошения (табл. 9):

  [кг/кмоль] (52)

Энтальпии потоков определим по графику [21] и по формуле (43):

H_VR = 44,1 ∙ 556,8 = 24557 [кДж/моль]     

h_VR = 44,1 ∙ 322,4 = 14218 [кДж/моль]    

Количество парового орошения определим по формуле (53):

V_R = Q_p /(H_VR - h _VR) =   45,2 ∙ 10⁶ / (24557 – 14218) = 4371,7 [кмоль/ч]   (53)

Паровое число внизу колонны вычислим по формуле (54):

s_R =V_R / R = 4371,7 / 1743,1 = 2,51    (54)

8. Диаметр колонны

Диаметр колонны рассчитывается по формуле (55): 

 ,     (55)

где V_сек – секундный объемный расход паров наверху колонны, м³/с;

ω -  допустимая скорость паров в  свободном поперечном сечении над  верхней тарелкой колонны, м/с. 

Объем паров наверху (над верхней  укрепляющей тарелкой) колонны определяется по известной формуле (56):

,    (56)

где z – коэффициент сжимаемости паров, определяемый по графику [22] в зависимости от приведенных температуры (Т_пр.) и давления (Р_пр.).

Знание состава паров (табл. 12) и критических констант компонентов (метан, этан, пропан) позволяет рассчитать критические константы для смеси по формулам  
(57) и (58):

 [K]   (57)

[МПа]  (58)

Приведенные параметры рассчитаем по формулам (59) и (60):

Т_пр.=Т₁ / Т_кр.=259 / 258=1,04    (59)

Р_пр.=π ₁ / Р_кр.=3,02 / 4,7=0,64     (60)

По графику находим коэффициент сжимаемости z (0,64; 1,04) = 0,78.

Подставляем рассчитанные значения в формулу (56) и определяем объем паров:

 [ ]

Максимально допустимая скорость паров  в свободном сечении над верхней  тарелкой колонны рассчитывается по формуле (61):

      (61)

где С – коэффициент, определяемый из формулы (62):

С = 0,09 ∙ h_т ∙ С’,      (62)

где h_т = 0,5 м – принятое расстояние между тарелками;

С’ – коэффициент, зависящий  от поверхностного натяжения на границе «пар-жидкость» на верхней тарелке колонны, определяемый из графика [17].

Величина поверхностного натяжения  определяется по формуле Этвиша (63):

    (63)

где M_g1 – мольная масса орошения (табл. 12), стекающего с верхней тарелки, которая определяется по формуле (64), кг/кмоль:

M_g1 = 16∙0,115+30∙0,847+44∙0,005=27,5 [кг/кмоль]    (64)

ρ_ж – плотность этого орошения при температуре t₁ = -14 ^оС на верхней тарелке определяется по графику [23], кг/м³;

Т_кр – критическая температура орошения, К.

Знание состава орошения (табл. 12) и критических температур его компонентов позволяет рассчитать критическую температуру орошения по формуле (65):

[K]   (65)

Подстановка найденных величин  в формулу (63) дает:

[H/м]

Отложив на оси абсцисс числовое значение σ = 2,10∙10^-3 Н/м, найдем С’ = 0,66 [21].

Тогда, подставив в формулу (62), получим

С = 0,09 ∙ 0,5 ∙ 0,66 = 0,030

Плотность паров, уходящих с верхней  тарелки, определим по формуле (66):

 [ ]  (66)

Подставив полученные значения в формулу (61), определим, что максимально допустимая скорость паров наверху колонны составит:

[м / c] 

Диаметр колонны в ее верхнем  поперечном сечении определим по формуле (55):

[м] 

В соответствии с нормальным рядом  диаметров по ГОСТ 9617-61 принимается  диаметр колонны D = 2,0 м.

Объем паров под нижней отгонной тарелкой рассчитывается по формуле (67):

    (67)

где z – коэффициент сжимаемости паров при t_R = 95^оС и давлении π_R = 3,08 МПа.

Критические параметры рассчитаем по формулам (68) и (69):

[K]   (68)

[МПа]     (69)

Тогда приведенная температура и давление по формулам (59) и (60) составят:

Т_пр.= Т_R / Т_кр. = 352 / 366 = 0,96

Р_пр.= π _R / Р_кр. = 3,10 / 4,15 = 0,75

По графику [22] находим коэффициент сжимаемости z (0,75; 0,96) = 0,58.

Объем паров по формуле (67) равен: