Основные теоретические положения

ОТЧЕТ

По лабораторной работе

«Определение оптимального числа тарелок, флегмового числа и диаметра колонны»

по дисциплине:

«Технологическое проектирование и типовое оборудование нефтехимических производств»

Выполнил:

ст. гр. З-5201 Гречишников И.Н.

Проверил:

доц., к.х.н. Долганов И.М.

Томск 2015

Лабораторная работа №3 «Определение оптимального числа тарелок, флегмового числа и диаметра колонны»

Цель работы: Научиться рассчитывать диаметр и определять основныеконструктивные размеры колонны.

Основные теоретические положения

Оптимальное число тарелок рассчитывается по эмпирическому соотношению, связывающему оптимальное и минимальное число тарелок []:

(21)

Оптимальное орошение рассчитывается по эмпирическому уравнению, связывающему минимальное и оптимальное орошение []:

(22)

Диаметр ректификационной колонны определяется из уравнения расхода:

(23)

где D_k – внутренний диаметр колонны, м;

V ₀ – объемный расход пара в колонне, м³/с;

w ₀ – допустимая скорость пара, м/с.

Допустимая скорость пара в свободном сечении колонны рассчитывается таким образом, чтобы минимизировать унос флегмы паровым потоком на вышерасположенную тарелку []:

(24)

где r_ж – плотность жидкости, кг/м³;

r_п – плотность пара, кг/м³;

С1 – эмпирический коэффициент, зависящий от расстояния между тарелками и поверхностного натяжения жидкости.

Плотность паров рассчитывается по уравнению, выведенному из уравнения состояния идеального газа Менделеева-Клапейрона с учетом коэффициента сжимаемости:

(25)

где r - плотность, кг/м³;

P – среднее давление в колонне, Па;

M – молекулярная масса, кг/моль;

R – универсальная газовая постоянная, Дж/моль·К;

T – средняя температура в колонне, K;

z – коэффициент (фактор) сжимаемости газа.

Фактор сжимаемости является функцией приведенных параметров:

(26)

где - приведенные температура и давление, соответственно.

Для соединений, нормальная температура которых не превышает 235К, используют выражение для расчета критической температуры:

(27)

Для соединений с более высокими нормальными температурами кипения:

(28)

Критическое давление (Па) рассчитывается по уравнению Льюиса:

(29)

где М – средняя молекулярная масса;

К – константа, которая для продуктов прямой перегонки нефти равна 6.3 – 6.4

Рассчитываем коэффициент сжимаемости для каждой фракции. Рассчитываем плотность каждой фракции по уравнению (25). Для расчета плотности смеси газов используем принцип аддитивности.

(30)

где r_см - плотность смеси газов, кг/м³;

r_i - плотность i -го компонента, кг/м³;

y_i – объемная доля i -го компонента в смеси.

Плотность фракций при Т=293К приведена в исходных данных. Для пересчета плотности нефтяных фракций и нефтепродуктов с одной температуры на другую пользуются уравнением:

(31)

где r_T – плотность нефтепродукта при температуре T, кг/м³;

– относительная плотность нефтепродукта;

T – средняя температура в колонне, К.

Поверхностное натяжение флегмы рассчитывается в зависимости от плотности жидкости при средней температуре в колонне []:

(32)

где σ – поверхностное натяжение, Н/м.

При значениях σ ≥ 2*10^-2Н/м коэффициент С1 определяется из графика, приведенного на рис.1 При σ < 2*10^-2Н/м вводят поправку по следующему уравнению:

(33)

где С1₂ – значение коэффициента С1, найденное из графика (рис.1).

Рисунок 1. Зависимость коэффициента С1 от межтарельчатого расстояния.

С1-1 – кривая максимальных нагрузок для колпачковых тарелок и нормальных нагрузок для провальных, ситчатых и других типов тарелок; С1-2 – кривая нормальных нагрузок для колпачковых тарелок.

Предварительно зададимся межтарельчатым расстоянием h_т = 300 - 500мм.

Объемный расход пара считается из массового расхода:

(34)

Массовый расход рассчитываем, исходя из массовой доли отгона, которая связана с мольной долей отгона соотношением:

(35)

где - массовая доля отгона, средняя мольная масса сырья и средняя мольная масса пара, соответственно.

Средние мольные массы потоков находятся по правилу аддитивности:

(36)

Массовый расход пара равен:

(37)

Рассчитав минимальный диаметр колонны, выбираем ближайший больший стандартный диаметр, используя ГОСТ 21944-76, Приложение 3.

Выбор конструкции тарелки проводят по следующим показатеям:

· производительность,

· эффективность при разных рабочих нагрузках,

· гидравлическое сопротивление

· диапазон нагрузок в условиях высокой эффективности,

· механические и конструкционные характеристики (металлоемкость, простота изготовления, монтажа и ремонта и пр.)

Сравнительная характеристика тарелок различных типов представлена в табл.1.

Таблица 1

Очевидно, что для выбора типа контактного устройства необходимо знать расход жидкости по колонне. Для зоны выше тарелки питания (укрепляющая секция) расход жидкости будет равен расходу флегмы, а для исчерпывающей части: Ф+ L, где L – расход жидкости после однократного испарения сырья, определенный ранее.

Высота тарельчатой части колонны Н (мм) рассчитывается по уравнению:

(38)

где N – число тарелок;

h – расстояние между тарелками, мм;

s – толщина тарелки, мм.

Таблица 2

Таблица 3

Таблица 4

Таблица 5

Вывод:

В ходе лабораторной работы рассчитали оптимальное число тарелок, оптимальное флегмовое число(табл.5), рассчитали плотность парового потока, плотность потока жидкости(табл.2). Рассчитал вязкость жидкости(табл.3), по графику определили коэффициент С1, рассчитали допустимую скорость пара в колонне и определили диаметр колонны(табл.4), так же выбрали ситчатый тип тарелок ректификационной колонны.