Расчёт колонны деэтанизации установки УПГ-1 Белозерного ГПЗ

[ ]

Для определения максимально допустимой скорости паров под нижней отгонной тарелкой следует подготовить необходимые  данные.

Поверхностное натяжение на границе «пар-жидкость» вычисляется по формуле Этвиша (70):

     (70)

где ρ_ж – плотность остатка при температуре t_R = 95^оС, кг/м³;

Т_кр – критическая температура остатка, определяемая по формуле (71), К:

[K]                (71)

Средняя молекулярная масса остатка  колонны определяется по формуле (72):

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

Плотность остатка по графику равна  ρ_ж = 555,7 кг/м³.

Тогда по формуле (70) получим:

[H/м]

Из графика [21] найдем C’=0,78.

Следовательно, подставив в формулу (62), получим:

С = 0,09 ∙ 0,5 ∙ 0,78 = 0,035.

Плотность паров орошения на выходе из кипятильника:

[кг/м³]  (73)

Тогда по формуле (64) максимально допустимая скорость составит:

[ ]

Диаметр низа колонны по формуле (55) составляет:

[ ]

Расчетные диаметры колонны в ее верхнем и нижнем поперечном сечениях мало отличаются друг от другого. Поэтому принимается диаметр колонны D = 2,0 м.

 

9. Высота колонны

На основании практических данных принимается:

- расстояние между верхним днищем  колонны и ее верхней укрепляющей  тарелкой h₁ = 1,0 м;

- высота секции питания (расстояние между нижней укрепляющей и верхней отгонной тарелками) h₃ = 1,5 м;

- расстояние между нижним днищем  и нижней отгонной тарелкой  h₅ = 2,0 м.

Схема для расчета рабочей высоты колонны представлена на рис. 10.

Рис. 10. Схема для расчета рабочей высоты колонны.

 

Рабочую высоту колонны найдем по формуле (74):

Н_р = h₁ + (N_rp- 1) ∙ h_т + h₃+( N_sp - 1) ∙ h_т + h₅ ,   (74)

где h₂ = (N_rp-1) ∙ h_т – высота, занятая укрепляющими тарелками, м;

      h₄ = ( N_sp-1) ∙ h_т - высота, занятая отгонными тарелками, м.

Подставим необходимые данные в формулу (74) и определим высоту колонны:

Н_р = 1 + (10 - 1) ∙ 0,5 + 1,5 + (15 - 1) ∙ 0,5 + 2 = 16 [м]

10. Гидравлический расчет тарелок

Сопротивление тарелки потоку пара в значительной степени определяет рабочую характеристику тарелки  и ее возможности при реализации процесса разделения.

Общее гидравлическое сопротивление тарелки обычно представляют в виде суммы трех составляющих [24]:

	(75)
Принимаем следующие размеры клапанной  тарелки: - площадь прохода пара, Fо = 0,46 м2; - диаметр отверстия под клапаном, d0 = 40  мм; - высота сливной перегородки, h = 70 мм.

 

Гидравлическое сопротивление  сухой тарелки рассчитывают по уравнению (76):

 

,

(76)

где ξ – коэффициент сопротивления сухой тарелки;

ρ_п – плотность пара, кг/м³;

ω₀ – скорость пара в паровых патрубках, м/с.

Коэффициент сопротивления сухой  тарелки обычно определяют при продувке модели тарелки, для клапанного типа тарелки величина x_ср = 3,6 [24]. Скорость пара определим по формуле (77):

(77)

Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения, вычисляется  по формуле (78):

(78)

где σ – поверхностное натяжение жидкости при средней температуре в верхней части колонны, Н/м;

Сопротивление газожидкостного слоя на тарелке вычисляется по формуле (79):

(79)

где h_пж – высота парожидкостного слоя, м;

ρ_пж – плотность парожидкостного слоя (пены), кг/м³;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

k – отношение плотности парожидкостного слоя (пены) к плотности, принима-емое приближенно равным 0,5.

Высота парожидкостного слоя на тарелке определяется по формуле (80):

(80)

где ∆h – высота слоя над сливной перегородкой, м.

Высота слоя над сливной перегородкой рассчитывается по формуле (81):

(81)

где V_ж – объемный расход жидкости, м³/с;

П – периметр сливной перегородки, м.

Объемный расход жидкости определяется по формуле:

(82)

где R – радиус тарелки, м.

М_ср – средняя мольная масса жидкости, кг/кмоль.

Периметр сливной перегородки находят, решая систему уравнений (83-84):

	(83)
	(84)

где 2/3∙П∙b – приближенное значение площади сегмента.

Решением системы уравнений получаем: П = 2 м, b = 0,5 м. Находим по формуле (81) и h по формуле (80).

Общее гидравлическое сопротивление тарелки в верхней части колонны рассчитывается по формуле (75).

Общее гидравлическое сопротивление  колонны определяется по формуле:

(85)

Результаты вычислений сведены в табл. 13.

Таблица 13

Гидравлический расчет тарелок

Обозначение	Параметр	Колонна
		укрепляющая часть	отгонная часть
Скорость пара в паровых  патрубках, м/с	ω0	0,19	0,24
Сопротивление сухой  тарелки, Па		2,80	4,90
Поверхностное натяжение  жидкости, Н/м	σ	0,0021	0,0361
Сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения, Па		2,1	36
Плотность парожидкостного  слоя, кг/м3	ρпж	422,4	555,7
Сопротивление парожидкостного  слоя, Па		237,0	425,2
Общее гидравлическое сопротивление  тарелки, Па		241,9	466,1
Количество тарелок	n	10	15
Общее гидравлическое сопротивление  тарелок, Па		2419	6991,5
Общее гидравлическое сопротивление  колонны, Па		9410,5

 

11. Выбор конструкционного материала колонны

При выборе материалов для изготовления колонных аппаратов следует учитывать  расчетное давление, температуру  стенки, химический состав и характер среды, технологические свойства и  коррозионную стойкость материалов.

Колонные аппараты, как правило, устанавливаются на открытой площадке, поэтому при выборе материалов также необходимо учитывать среднюю температуру наиболее холодной пятидневки данного района с обеспеченностью 0,92 (СНиП 23-01). При этом пуск, остановка и испытания на герметичность выполняются в соответствии с «Регламентом проведения в зимнее время пуска (остановки) или испытания на герметичность сосудов» по ГОСТ Р 52630 (приложение М).

Требования к основным материалам, пределы их применения, назначение, условия применения, виды испытаний  должны удовлетворять ГОСТ Р 52630.

Элементы, привариваемые непосредственно  к корпусу колонного аппарата изнутри или снаружи (цилиндрические и конические опоры, подкладки под  элементы металлоконструкций, опорные  кольца под тарелки и др.), следует  изготавливать из материалов того же структурного класса, что и корпус.

В колонных аппаратах, изготовленных  из коррозионно-стойких сталей, допускается  использовать цилиндрические или конические опоры из углеродистых сталей при  условии, что к корпусу колонны  приваривается переходная обечайка из коррозионно-стойкой стали высотой, определяемой расчетом [25].

В аппаратах из углеродистой стали  полотна тарелок, клапаны, другие внутренние съемные детали и внутренний крепеж должны быть изготовлены из коррозионно-стойкой  стали [26].

Для изготовления корпуса данной ректификационной колонны, исходя из требуемых критериев, была выбрана сталь марки  10Г2С1-3. Назначение стали ─ различные детали и элементы сварных металлоконструкций, работающих при температуре от -70 °С; аппараты, сосуды и части паровых котлов, работающих при температуре от -70 до +475 °С под давлением. Химический состав данного типа стали приведен в табл. 14, механические свойства при комнатной температуре в табл. 15.

 

 

 

 

 

Таблица 14

Химический состав стали марки 10Г2С1-3

Химический элемент	% мас.
Углерод (С) , не более	0,12
Кремний (Si)	0,8-1,1
Медь (Cu), не более	0,30
Мышьяк (As), не более	0,08
Марганец (Mn)	1,3-1,65
Никель (Ni), не более	0,30
Фосфор (P), не более	0,035
Хром (Cr), не более	0,30
Азот (N), не более	0,008
Сера (S), не более	0,040

 

Таблица 15

Механические свойства при комнатной  температуре по ГОСТ 19281-89

Сечение, мм	dB, Н/мм2	d0.2, Н/мм2	КС, Дж/см2
Прокат листовой и  широкополосный в горячекатаном  или термически обработанном состоянии
до 5	490	355	-
от 5 до 10	490	345	64
от 10 до 20	450	325	59
от 20 до 60	450	315	59
свыше 60 до 100	430	295	59

 

В качестве материала для изготовления контактных устройств (клапанных тарелок) предлагается использовать сталь 08Х13. Ее назначение ─ материалы с повышенной прочностью, подвергающиеся ударным нагрузкам, а также изделия, подвергающиеся действию слабоагрессивных сред (атмосферные осадки, водные растворы солей органических кислот при комнатной температуре и др.), лопатки паровых турбин, клапаны, болты и трубы. Сталь коррозионно-стойкая и жаростойкая ферритного класса. Механические свойства при комнатной температуре и химический состав стали приведены, соответственно, в табл. 16 и табл. 17.

Таблица 16

Механические свойства при комнатной  температуре по ГОСТ 25054-81

Сечение, мм	dB, Н/мм2	d0.2, Н/мм2	КС, Дж/см2	НВ
до 200	539	392	83	187-229
свыше 200 до 500			69
свыше 500 до 1000			49

 

 

Таблица 17

 

Химический состав стали марки  08Х13

 

Химический элемент	% мас.
Углерод (С) , не более	0,08
Кремний (Si), не более	0,80
Марганец (Mn), не более	0,80
Фосфор (P), не более	0,030
Хром (Cr)	12,0-14,0
Сера (S), не более	0,025