Технико-экономическое обоснование рафинации рапсового масла

 

 

Определение диаметров штуцеров.

Диаметры штуцеров определяют по  объемному расходу соответствующего потока и допустимой скорости:

                                                                              (2.40)

Где Q – объёмный расход поступающей или отходящей из колонны среды.

Расчёт диаметра штуцера для подачи питания и выхода реакционной массы из нейтрализатора.

Расход питания на одну операцию G = 18755 кг, плотность сырья ρ = 860 кг/м3, объёмный расход питания  12,56 м3. Время загрузки принимаем в течении  1 часа.

Объёмный расход питания находим по формуле:

Q = G/ρ = 18755/860 = 12,56 м3/час  = 0,0035 м3/сек

Скорость движения жидкости в трубопроводе подачи питания принимаем: w = 0,5 м/с           [6, с.16]

Принимаем к установке стандартный диаметр трубы d = 100 мм.

Расчёт диаметра штуцера для теплоносителя в рубашку.

Расход воды  в рубашку: кг/сек.

Плотность воды ρ = 46,93 кг/м3

Объёмный расход воды Q =   2,86/1000 = 0,00286 м3/сек.

Скорость движения жидкости в трубопроводе подачи питания принимаем: w = 1,0 м/с

Принимаем к установке стандартный диаметр трубы: d = 50 мм.

Тепловой расчёт нейтрализатора

На рисунке 2.4 представлена схема тепловых потоков нейтрализатора

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q1-гидратированное масло; Q2-гидроксид натрия; Q3-насыщенный пар; Q4- нейтрализованное  масло;Q5-соапсток; Q6-потери; .

Рисунок 2.3 Схема материальных потоков

Исходные данные для расчёта

Рабочая температура процесса 600С

Продукты поступают в нейтрализатор с температурой 200С

Количество поступающего и получаемого сырья на нейтрализаторе на одну операцию:

-гидратированное масло: G1=  = 18755 кг/ ц;

- раствор гидроксида натрия: G2= = 97,6 кг/ц;

- нейтрализованное масло: G4= =18364,4 кг/ц;

- соапсток: G5=  = 375,8 кг/ц

В качестве теплоносителя  применяем пар избыточного давления, который поступает в рубашку аппарата. В соответствии с регламентом нагрев смеси в реакторе должен производится в течении 1 часа, затем в течении всего процесса температура поддерживается на уровне 600С. Определяем количество теплоты, поступившее с сырьем в нейтрализатор по формуле

Q = G ∙ с ∙tн                                                         (2.45.) 

где: G– количество сырья, загружаемое в нейтрализатор (кг/ц).

с– теплоёмкость сырья  Дж/(кг К)

Определяем количество теплоты, поступившее с гидратированным маслом в нейтрализатор

               Q1 = 18755 ∙ 2,514 ∙20= 937750 кДж/цикл

где 2,514 кДж/(кг К)- теплоемкость масла

      200- температура масла, начальная

Определяем количество теплоты, поступившее со щелочью в нейтрализатор. Для этого определяем теплоемкость раствора щелочи по формуле

срас.=cNaOH*0,42+ cводы+0,58                                                            (2.46.)

срас = 2,9*0,42+0,58*4,18=3,64    кДж/(кг К)

Q2 = 97,65 ∙ 3,64 ∙20= 7108,9  кДж/цикл

Определяем количество теплоты, уходящее с соапстоком из нейтрализатора

Q5 = 375,8 ∙ 0,55 ∙60= 12401,4 кДж/цикл

Определяем количество теплоты, уходящее с нейтрализованным маслом

Q4 = 18364,4 ∙ 2,514 ∙60= 2765678,6   кДж/цикл

Потери в окружающую среду принимаем 5% от количества тепла, уходящего с сырьем . Теплотой, образующейся при трении перемешивающихся компонентов об стенки аппарата, пренебрегаем.

Следовательно, потери тепла составляют:

Qпот. = 0,05 ∙ (2765678,6+12401,4) = 138904 кДж/ цикл

Определяем количество пара подаваемое для нагрева

Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Qпот                   (4.47.)

Q3=937750+ 7108,9+ х= 2765678,6+ 12401,4+ 138904

х= 1972125,1 кДж/ цикл

Необходимое количество пара, которое необходимо подавать в рубашку аппарата определяется по формуле

Q = , кДж/ цикл                                                                                (4.48.)

где  r- теплота парообразования кДж/кг

Gп = = 893,57  кг/цикл

 

Определение поверхности теплообмена нейтрализатора.

Тепловая нагрузка аппарата определена ранее и равна: Q  = 1971496 кДж/цикл= 300012Вт

Уравнение теплопередачи при периодическом процессе нагревания (охлаждения) реакционной смеси находится по формуле:

Q =  К∙ F ∙ ∆tср                                                                                                    (2.49)

 

Температурная схема процесса

 

20,0                            60,0

 

65          80

___________              _____________

 

∆t1= 45,00С               ∆t2 = 200С

Так как   < 2, среднюю разность температур определяем по формуле:

=  = = 30,8                                                            (2.50)

Коэффициент теплопередачи определим по уравнению аддитивности термических сопротивлений: 

                                                                              (2.51)

Определяем коэффициент теплоотдачи для масла по формуле:

                                                                          (2.52)

Где Nu – критерий Нуссельта;

Определяется по уравнению:

Nu = C∙                                                                  (2.53)

Коэффициенты для аппаратов с мешалками: С = 0,36, m = 0.67.

Где зависимость = 1   при нагревании компонентов;

Критерий Рейнольдса определяем по формуле: 

                                                                          (2.54)

Линейную скорость движения  смеси в районе стенок реактора определим по формуле:

w =                                                                                       (2.55)

где: n = 18 об/мин – частота вращения вала мешалки; R = 1,65 м – радиус аппарата

w = = 3,1 м/с

Плотность смеси определена регламентом и равна ρ =860 кг/м3;динамическая вязкость перемешиваемой среды  смеси μ = 0,4 Н∙с/м2  =0,4 ∙10-3 Па∙с; диаметр аппарата D = 2,3 м;

= 7998000

Критерий Прандтля определим по формуле:  

                                                                                                        (2.56)

Коэффициент теплопроводности смеси: λк = 0,465 Вт/(м.К) [6,таб.XXVIII]

Теплоёмкость продуктов при постоянном давлении смеси: ср = 2,514 ∙103 Дж/(кг.К) [6, таб. XXV]

  = 121,366

Коэффициент Г = = 1,095; 

Критерий Нуссельта:

Nu = 0,36∙ 7998000.62 ∙121,3660.33∙1,095-1   =  30513

Коэффициент теплоотдачи для смеси:

= 6169 Вт/(м2∙К)

Коэффициент теплоотдачи для горячей воды определим по формуле:

Nu = 0,037∙                                                                   (2.57)

Критерий Рейнольдса для горячей воды, циркулирующей в рубашке определяется по формуле:

                                                                                                      (2.58)

Скорость течения воды в рубашке w = 1 м/сек; µ = 0,35∙10-3 – динамический коэффициент вязкости для воды при средней температуре в рубашке; ρ = 1000 кг/м3 –плотность воды; d = 2.4 м – диаметр рубашки;

Критерий Прандтля для горячей воды определяем по графику[6,с.564]: Pr =3.0

Отношение   так  как процесс нагревания и вязкости различаются незначительно.

Nu = 0,037∙                               (2.59)

Коэффициент теплоотдачи от горячей воды к стенке аппарата:

                                                                                           (2.60)

где  λ – теплопроводность воды; 

λ  = 0,779 Вт/м∙К;

Суммарное тепловое сопротивление стенки:

                                                                              (2.61)

где δ = 0,012 м – толщина стенки аппарата ; Λλст = 46,5 Вт/м∙К – теплопроводность греющих труб; = = 5800 Вт/м2К – тепловая проводимость загрязнений стенок со стороны водяного пара и смеси спирта и воды;

 Вт/(м*К)

Коэффициент теплопередачи:

= 858

Требуемую поверхность теплообмена определяем по формуле:

F =                                                                                                          (2.62)

F = = 11,35 м2

Фактическая  поверхность теплообмена аппарата по  данным регламента  F = 11,8 м2. Следовательно, поверхность теплообмена установленного нейтрализатора удовлетворяет условиям теплообмена.

 

2.9.2. Расчет емкости

 

Емкость позиции 11 для рафинированного масла.

 

Находим объем емкости:

V=(G×t)/Ф×р, м3                                                                                         (2.63)[          ]

где G-производительность, кг/ч; t-время заполнения емкости,ч; Ф-коэффициент заполнения; р-плотность смеси, кг/м3.

 м3

Рабочая емкость:

Vp=V×Ф, м3                                                                                                                      (2.64)

Vр=23,1×0,6=13,86 м3

Количество операций проводимых на данной стадии в течении суток, находится путем деления суточного объема перерабатываемой смеси на рабочую емкость аппарата:

α =Vcут/Vр                                                                                                                          (2.65)

α =13/13,86=1

Количество операций, осуществляющиеся одним аппаратом в течении суток:

β=24/t                                                                                                                                (2.66)

β=24/8,5=3

Определяем количество емкостей:

m=α/β=t×V/24×Vp×Ф                                                                                                       (2.67)

m=(8,5×23,1)/24×13,86×0,6=1

Выбираем емкость со следующими параметрами:

H=2,1 м; V=21,3 м3; D= 1,94 м.

 

2.9.3 Расчет насоса

 

Насос поз. 19 предназначен для откачки высушенного масла в бак позиции 11.

Для расчета насоса задаемся исходными данными:

LH =40м - общая длина трубопровода на линии нагнетания;

Z90H = 3 - количество поворотов на 90° на линии нагнетания;

Zвен4 = 2 - количество нормальных вентилей на линии нагнетания;

LBC = 10 м - общая длина трубопровода на линии всасывания;

Z90BC = 2 - количество поворотов на 90° на линии всасывания;

Zbенbc = 2 - количество прямоточных вентилей на линии всасывания;

P1 =0,3 МПа -давление на линии нагнетании;

P 2=0,1 МПа - давление в баке;

Насос откачивает масло  в течение 10 минут

Q =6251 кг/ч=1,1 м3/ч=0,002 м3/с- производительность.

а) Диаметр трубопровода

d =, мм                                                                                                           (2.61)

где d - внутренний диаметр трубы, мм,

= 1,5 м/с- скорость потока в трубе (принимаем из допустимого предела)

d =

Выбираем трубопровод с наружным диаметром 48 мм, толщиной стенки 3 мм, следовательно, внутренний диаметр 42 мм = 0,042 м.

Уточненный расчет скорости: 

=, м/с                                                                                                         (2.62)

==1,44 м/с

б) Определение потерь на трение и местные сопротивления.

Находим критерий Рейнольдса:

Re=                                                                                                               (2.63)

Где Re- критерий Рейнольдса.

Теплофизические свойства масла при 600С:

=3,08*10-4Па*с- динамический коэффициент вязкости;

 860 кг/м3 - плотность.

Re==165711,27

Абсолютную шероховатость трубопровода принимаем =0,0015м, тогда е =

e=0,036

В турбулентном потоке различают 3 зоны, для которых коэффициент рассчитывают по  разным формулам:

-зона гладкого трения (2320<Re<10/e);

-зона смешенного трения (10/e<Re<560/e);

-зона автомодельная по отношению к Re (Re>560/e).

В нашем случае Re> 18667.

 Таким образом, в трубопроводе  имеет место, автомодельная зона, и расчет  проведем по формуле:

= 0,11е0,25                                                                                                           (2.64) [9, с.14]

=0,11 * 0,0360,25= 0,048

Определим сумму коэффициентов местных сопротивлений отдельно для всасывающей и нагнетательной линии:

а) Для всасывающей линии:

1. вход в трубу (принимаем  с закругленными краями) ξ1=0,2;                              [9, c.15]

2. прямоточные вентили: для  d=0,038м ξ2=0,85, для d=0,050м ξ3=0,79; экстраполяцией находим для d=0,042м ξ2 =0,83                                                                                       [9, c.15]

3.отводы: коэффициент А=1, коэффициент В=0,09 ξ3= А*В=0,09.                       [9, c.15]

Сумма коэффициентов местных сопротивлений во всасывающей линии:

∑ ξ= ξ1+2 ξ2+2 ξ3                                                                                                          (2.65)

∑ ξ =0,2+2 * 0,83 +2 * 0,09 = 2,04

Потерянный напор во всасывающей линии:

hп.вс=( +∑ ξмс)*                                                                                            (2.66)

где , - коэффициент трения;

l и d3- соответственно длина и эквивалентный диаметр трубопровода;

∑ ξмс - сумма коэффициентов местных сопротивлений.

hп.вс=(

б) для линии нагнетания:

1. отводы: А=1, В=0,09,  ξ1=А*В=0,09                                                                        [9, c.15]

2. нормальные вентили: для  d=0,040м ξ=4,9, для d=0,080м ξ=4,0; экстраполяцией находим для d=0,042м ξ2 =4,855                                                                                       [9, c.15]

3. выход из трубы ξ3=1                                                                                                  [9, c.15]