Тепловая нагрузка кипятильника колонны

Расчет производится с целью определить количество теплоты, вносимое парами остатка из рибойлера (кипятильника) и их расход (V_R).

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_k,, (2.25)

где Q _f – энтальпия сырья, подаваемого в колонну при температуре t _f = 27 ⁰С, кДж/кмоль;

h_R – энтальпия остатка колонны при t_R = 105 ⁰С, кДж/кмоль.

Энтальпия сырья находится по формуле

 

Q _f = e΄·H_Vc + (1 + e΄) · h_gc, (2.26)

 

где e΄ - мольная доля отгона сырья;

H_Vc – энтальпия паровой фазы сырья, кДж/кмоль;

h_gc – энтальпия жидкой фазы сырья, кДж/кмоль.

Энтальпия потоков находится по графику

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

БР.18.03.01.03-3030/37а.419.2022.00.ПЗ

H_Vc = 418 · 25, 4004 = 10635, 1428 кДж/кмоль;

h_gc = 171, 7· 45, 4401 = 7802, 0690 кДж/кмоль;

h_R = 440 · 51,5911 = 22700, 0730 кДж/кмоль;

Q _f = 0,399·10635, 1428 + (1 – 0,399) · 7802, 0690 = 8932, 4655 кДж/кмоль.

 

Далее вычисляется тепло кипятильника

 

Q_p = 3723, 7605·8932, 4655 + 1980, 6996 · 6799, 5427 + 17997188, 9719 –

- 1743, 0906 · 22700, 0730 = 41548869, 0592 Дж/ч = 41, 55·10⁶ кДж/ч =

= 11541, 3525 кВт.

Масса парового орошения V_R, подаваемого из кипятильника под нижнюю отгонную тарелку колонны определяем из уравнения

 

Q_p = V_R · (H_VR - h_VR), (2.27)

 

где (H_VR - h_VR) – теплота испарения орошения, равная разности его энтальпии в паровой и жидкой фазах при t_R = 105 ⁰С и давлении Р_R = 3,28 МПа, кДж/кмоль.

Энтальпия потоков находится

 

H_VR = 653, 1 · 47, 8812 = 31271, 2430 кДж/кмоль;

h_VR = 435, 4 · 47, 8812 = 20847, 4954 кДж/кмоль;

 

Количество парового орошения:

 

 

Паровое число в низу колонны равно

 

S_R = V_R/R = 3985, 9818 / 1980, 6996 = 2, 0124.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

БР.18.03.01.03-3030/37а.419.2022.00.ПЗ

2.6.7 Диаметр колонны

 

Диаметр колонны рассчитывается по формуле

(2.28)

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

ω – допустимая скорость паров в свободном поперечном сечении колонны, м/с.

Объем паров колонны определяется по формуле

. (2.29)

где V – количество паров, проходящих через рассматриваемое сечение колонны, кмоль/ч;

z – коэффициент сжимаемости паров, определяемый по графику в зависимости от приведенных температур Т_пр и давления Р_пр

Максимально допустимая скорость паров в свободном сечении рассчитывается по формуле

 

, (2.30)

 

где С – коэффициент скорости, учитывающий поверхностное натяжение и расстояние между тарелками;

ρ_ж и ρ_п – соответственно плотность жидкой и паровой фаз, кг/м³.

Коэффициент скорости рассчитывается по формуле

 

, (2.31)

 

где С_max – максимальное значение коэффициента скорости;

σ – поверхностное натяжение жидкости на границе с паром, Н/м.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

БР.18.03.01.03-3030/37а.419.2022.00.ПЗ

Максимальное значение коэффициента скорости для клапанных тарелок рассчитывается по уравнению:

 

С_max = 2950·h_Т – 460, (2.32)

 

где h_Т – расстояние между тарелками, принятое равным 0,6.

Поверхностное натяжение жидкости на границе с паром рассчитывается по уравнению

(, (2.33)

 

где Т_пкр – псевдокритическая температура флегмы, К;

Т – температура флегмы, К;

М – средняя мольная масса флегмы.

Псевдокритическая температура флегмы равна:

 

. (2.34)

При этом Т_крi – критическая температура; x΄_i – содержание компонентов во флегме

Знание состава паров и критических констант компонентов позволяет рассчитать критические константы для смеси верха колонны:

 

Т_кр = Т_кр1·у΄₁ + Т_кр2·у΄₂ + Т_кр3·у΄₃ + Т_кр4·у΄₄; (2.35)

 

Р_кр = Р_кр1·у΄₁ + Р_кр2·у΄₂ + Р_кр3·у΄₃ + Р_кр4·у΄₄, (2.36)

 

где индекс 1- метан, 2 – углекислый газ, 3 – этан, 4 – пропан.

 

Т_кр = 190,5·0,4084 + 368·0,1098 + 308·0,3968 + 369,8·0,0850 = 271,8490 К;

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

БР.18.03.01.03-3030/37а.419.2022.00.ПЗ

Р_кр = 4,88·0,4084 + 4,2·0,1098 + 4,71·0,3968 + 4,25·0,0850 = 4,6843 МПа

 

Приведенные параметры равны:

 

Т_пр = Т₁/ Т_кр = 271/271,8490 = 0,9969 К;

Р_кр = π₁/Р_кр = 3,22/4,6843 = 0,6874 МПа.

 

По графику находится z(0,69;0,99) = 0,68.

Знание состава паров и критических констант компонентов позволяет рассчитать критические константы для смеси низа колонны:

 

Т_кр = Т_кр3·у΄_R3 + Т_кр4·у΄_R4 + Т_кр5·у΄_R5 +…+ Т_кр7·у΄_R7; (2.37)

 

Р_кр = Р_кр3·у΄_R3 + Р_кр4·у΄_R4 + Р_кр5·у΄_R5 +…+Р_кр7·у΄_R7, (2.38)

 

Т_кр = 305,2 · 0,0502 + 369,8 · 0,6711 + 408 · 0,0950 + 425 · 0,1471 + 461 · 0,0165 + + 470 · 0,0148 + 500 · 0,0052 = 381,9563 К;

 

Р_кр = 4,71 · 0,0502 + 4,13 · 0,6711 + 3,53 · 0,0950 + 3,68 · 0,1471 + 3,24 · 0,0165 +

+ 3,27 · 0,0148 + 2,9 · 0,0052 = 4,0019 МПа.

 

Приведенные параметры равны:

 

Т_пр = Т₁/ Т_кр = 378/381,5263 = 0,9896 К;

 

Р_кр = π₁/Р_кр = 3,28/4,0019 = 0,8196 МПа.

 

По графику находится z (0,82;0,99) = 0,58.

Объемы паров (м³/с) равны:

вверху колонны:

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

БР.18.03.01.03-3030/37а.419.2022.00.ПЗ

внизу колонны:

 

 

Средняя мольная масса флегмы на верхней укрепляющей тарелке равна M_g1 = 36,89 Плотность этой флегмы при температуре t₁ = -2 ⁰С находится по графику, она равна ρ_ж = 431 кг/м³.

Средняя мольная масса остатка равна M_R = 51,59 Плотность остатка при температуре t_R = 105 ⁰С находится по графику она равна ρ_ж = 517 кг/м³.

Плотность паров (кг/м³), покидающих верхнюю тарелку колонны, рассчитывается по формуле

 

 

Плотность паров орошения (кг/м³), выводимых из кипятильника, рассчитывается по формуле

 

 

Псевдокритическая температура орошения равна:

 

Т_п.кр. = 190,5·0,0756+368·0,2553+308·0,3608+369,8·0,3083 = 333,4928 К.

 

Псевдокритическая температура остатка равна:

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

БР.18.03.01.03-3030/37а.419.2022.00.ПЗ

Т_п.кр. =305,2 · 0,0162 + 369,8 · 0,5593 + 408 · 0,1056 + 425 · 0,2101 + 461 · 0,0413 + + 470 · 0,0503 + 500 · 0,0173 = 393,6351 К;

 

Максимальное значение коэффициента скорости для клапанных тарелок равно:

C_max = 2950·0, 4 – 460 = 720

 

Поверхностное натяжение (Н/м) флегмы на границе с паром при температурах T₁ = 271 K и T_R = 378 K равно:

 

 

 

Подставим числовые значения величин в формулу для расчета коэффициента скорости, получим:

для верха колонны:

для низа колонны:

Скорость паров (м/с) равна:

для верха колонны:

для низа колонны:

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

БР.18.03.01.03-3030/37а.419.2022.00.ПЗ

Диаметр колонны (м) равен:

для верха колонны:

 

для низа колонны:

 

 

В соответствии с ГОСТ 9617-76 принимаем стандартный диаметр верхней части аппарата D = 2,2 м, а для нижней части аппарата D = 3,0 м.

Таким образом, расчетные диаметры колонны в ее верхнем и нижнем поперечных сечениях различны. К этому привело различие нагрузок по парам в колонне и поэтому принимается колонна со сменным диаметром, что совпадает с производственными данными.

 

Высота колонны

 

Рабочая высота аппарата определяется по уравнению:

 

H_p = h₁ + h₂+ h₃ + h₄ + h₅. (2.39)

 

На основании производственных данных принимается:

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

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

БР.18.03.01.03-3030/37а.419.2022.00.ПЗ

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

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

 

h₂ = (N_rp – 1) h_T = (15 – 1)0, 6 = 8, 4 м;

 

h₄ = (N_sp – 1) h_T = (13 – 1)0, 4 = 7, 8 м.

Тогда

H_p = 1, 0 + 8, 4 + 1, 5 + 7, 8 + 2, 0 = 20, 7 м.