Материальный и тепловой баланс колонны К-2.

Статьи баланса	Расход (G_i), кг		Средняя температурная поправка на один градус		Температура, ºС	Энтальпия, кДж/кг	Количество теплоты (Q_i), 10³, кДж/ч
Q=G_i·H
или
паров (H_i)	жидкости (h_i)	Q= G_i·h
Приход:
Нефть в том числе:
- пары	41,2	0,779	0,000805	0,783			-	46,9
- жидкость	58,8	0,949	0,000581	0,952		-		49,8
Острое орошение	14,8	0,692	0,000910	0,696		-		2,2
Итого	114,8	-	-	-	-	-	-	98,9
Расход: Газ Фр. 28-120 °С + Острое орошение Фр. 120-180 ºС Фр. 180-230 ºС Фр. 230-280 ºС Фр. 280-350 ºС Мазут
0,9 22,2 7,7 7,1 5,8 12,3 58,8	- 0,692 0,758 0,794 0,822 0,853 0,900	- 0,000910 0,000831 0,000778 0,000738 0,000699 0,000633	- 0,696 0,762 0,798 0,826 0,856 0,903	-	- - - - -	- -	1,1 11,8 2,1 2,7 2,6 8,5 48,5
Итого	114,8	-	-	-	-	-	-	77,3

Примем, что расход циркуляционных орошений одинаков по массе

118+ 257= 684·

Отсюда находим расход циркуляционных орошений:

Проверка:

7.2.9 Определение основных размеров колонны

7.2.9.1 Расчет нагрузки колонны по парам и жидкости в различных сечениях

Диаметр колонны рассчитываем с учетом максимальной нагрузки по парам и жидкости. Для определения нагрузки рассматриваем несколько сечений колонны (рис. 7.8).

Сечение I-I - сечение под верхней тарелкой

Составляем материальный баланс по парам и жидкости в сечении I-I (см. рис. 7.9).

Нагрузка по парам:

G_I_-_I = G_газ+ G_28-120 + g_гоо,

где G_I_-_I - поток паров, проходящий через сечение I-I, кг;

G_газ– расход газа;

G_газ=0,9 кг;

G_28-120 - расход паров фракции 28-120 ^оС;

G_28-120= 7,4 кг (см. табл. 7.4).

g_гоо - расход горячего орошения (внутренней флегмы), возникающего от острого орошения, кг.

Горячее орошение от острого (g_гоо) образуется в результате контакта поднимающихся паров с острым орошением в верхней части колонны. Наиболее тяжелые компоненты паров конденсируются и образуют флегму - горячее орошение от острого.

Рассчитаем количество горячего орошения по формуле:

где g_гоо - расход горячего орошения от острого, кг;

H_верх - энтальпия паров в верху колонны, кДж/кг;

Рис. 7.9. Эскиз сечения I-I

h_вход - энтальпия острого орошения, кДж/кг;

- энтальпия паров при температуре в сечении I-I, кДж/кг;

- энтальпия горячего орошения (флегмы) при температуре в сечении I–I, кДж/кг;

Нагрузка по жидкости:

g_I_-_I = g_гоо.

Температуру в сечении I-I (сечении под верхней тарелкой) найдем из уравнения

t_I_-_I = t_верха + Dt,

где t_I_-_I - температура в сечении I-I, ^оС;

t_верха - температура в верху колонны, ^оС;

Dt - перепад температуры на одну тарелку, ^оС.

Dt =

где n₆ – число тарелок выше тарелки вывода фракции 120-180 ^оС; n₆ = 14.

Dt = 3 ^оС.

t_I-I = 89+ 3 =92 ^оС

Определим энтальпии фракции 28-120 ^оС ( = 0,692, = 0,696):

Н₈₉ = 536 кДж/кг; h₃₀ = 63 кДж/кг;

Н₉₂ = 541 кДж/кг; h₉₂ =204 кДж/кг;

g_оо = 14,8 кг (см. табл. 7.16).

= 20,7 кг.

G_I-I = 0,9+7,4 + 20,7 = 29 кг.

g_I-I = g_гоо_. = 20,7 кг.

Сечение II-II - сечение между вводом и выводом первого циркуляционного орошения

Составим материальный баланс по парам и жидкости в сечении II-II (рис.7.10)

Нагрузка по парам:

G_II_-_II = G_газ+ G_28-120 + G_120-180 + g_ФЛ.120-180 + g_ГЦО1,

где G_II_-_II - расход паров, проходящих через сечение II-II, кг;

G_120-180 - расход паров фракции 120-180 ^оС, кг;

G_120-180= 7,7 кг (см. табл. 7.16).

g_ФЛ.120-180 - расход флегмы, стекающей с тарелки вывода фракции 120-

180 ^оС, кг.

Рис.7.10. Эскиз сечения II-II

Принимаем условно, что расход флегмы, стекающей с тарелки вывода фракции 120-180 ^оС, остается постоянным до тарелки вывода фракции 180-230 ^оС, изменяется только ее состав. =15,4 кг (см. п. 7.2.4);

g_ГЦО1 – горячее орошение, возникающее от первого циркуляционного орошения, кг.

g_ГЦО1 = ,

где DQ₁ - теплота, снимаемая первым циркуляционным орошением (ЦО1), кДж/ч;

DQ₁ =3,8 × 10³ кДж/ч;

Н_t и h_t - энтальпии паров и жидкости ЦО1 при температуре 136 ^оС.

Условно принимаем, что плотность ЦО1 равна плотности фракции 120-

-180 ^оС ( = 0,758, = 0,762).

Определим энтальпии паров и жидкости ЦО1:

Н₁₃₆ = 608 кДж/кг; h₁₃₆ =299 кДж/кг;

g_ГЦО1 = = 12,3 кг

G_II_-_II = 0,9+7,4+7,7+15,4+12,3= 43,7 кг.

Нагрузка по жидкости:

g_II_-_II = g_ФЛ.120-180 + g_ЦО1 + g_ГЦО1,

где g_II_-_II - поток жидкости, проходящий через сечение II-II, кг;

g_ЦО1- расход ЦО1, кг; g_ЦО1 = 31,6 кг.

g_II_-_II =15,4+31,6+12,3= 59,3 кг.

Рассчитывать нагрузку в сечении под тарелкой вывода ЦО1 нет смысла, поскольку в этом сечение нагрузка по парам такая же, а по жидкости меньше на g_ЦО1, чем в сечении II-II.

Сечение III-III - сечение между вводом и выводом второго циркуляционного орошения

Составим материальный баланс по парам и жидкости в сечении III-III (рис. 7.11)

Нагрузка по парам:

G_III_-_III = G_газ + G_28-120 + G_120-180 + G_180-230 + g_ФЛ.180-230 + g_ГЦО2,

где G_III_-_III - расход паров, проходящих через сечение III-III, кг;

G_180-230 - расход паров фракции 180-230 ^оС, кг;

G_180-230 = 7,1 кг (см. табл. 7.16).

g_ФЛ.180-230 - расход флегмы, стекающей с тарелки вывода фракции 180-230 ^оС, кг.

Рис. 7.11. Эскиз сечения III-III

Принимаем условно, что расход флегмы, стекающей с тарелки вывода фракции 180-230 ^оС, остается постоянным до тарелки вывода фракции 230-

-280^оС, изменяется только ее состав. =14,2 кг (см. п. 7.2.4);

g_ГЦО2 – горячее орошение, возникающее от второго циркуляционного орошения, кг.

g_ГЦО2 ,

где DQ₂ - теплота, снимаемая вторым циркуляционным орошением (ЦО2), кДж/ч;

DQ₂ = 3,7 × 10³ кДж/ч;

Н_t и h_t - энтальпии паров и жидкости ЦО2 при температуре 178 ^оС.

Условно принимаем, что плотность ЦО2 равна плотности фракции 180-

230 ^оС ( = 0,794, = 0,798).

Определим энтальпии паров и жидкости ЦО2:

Н₁₇₈ = 684 кДж/кг; h₁₇₈ =397 кДж/кг;

g_ГЦО2 = = 12,9 кг

G_I_I_I_-_III =0,9+ 7,4+7,7+7,1+14,2+12,9 =50,2 кг.

Нагрузка по жидкости:

g_III_-_III = g_ФЛ.180-230 + g_ЦО2 + g_ГЦО2,

где g_III_-_III - поток жидкости, проходящий через сечение III-III, кг;

g_ЦО2- расход ЦО2, кг; g_ЦО2 = 31,6 кг.

g_II_I_-_III =14,2+31,6+12,9=58,7 кг.

Сечение IV-IV - сечение между вводом и выводом второго циркуляционного орошения

Составим материальный баланс по парам и жидкости в сечении IV-IV (рис. 7.12)

Нагрузка по парам:

G_IV_-_IV = G_газ + G_28-120 + G_120-180 + G_180-230 + + g_ФЛ.230-280 + g_ГЦО3,

где G_IV_-_IV - расход паров, проходящих через сечение IV-IV, кг;

G_230-280 - расход паров фракции 230-280 ^оС, кг;

Рис. 7.12. Эскиз сечения IV-IV

G_230-280 = 5,8 кг (см. табл. 7.16).

g_ФЛ.230-280 - расход флегмы, стекающей с тарелки вывода фракции 230-

-280 ^оС, кг.

Принимаем условно, что расход флегмы, стекающей с тарелки вывода фракции 230-280 ^оС, остается постоянным до тарелки вывода фракции 280-350

^оС, изменяется только ее состав. =11,6 кг (см. п. 7.2.4);

g_ГЦО3 – горячее орошение, возникающее от третьего циркуляционного орошения, кг.

g_ГЦО3 =

где DQ₃ - теплота, снимаемая вторым циркуляционным орошением (ЦО2), кДж/ч;

DQ₃ = 6 × 10³ кДж/ч;

Н_t и h_t - энтальпии паров и жидкости ЦО3 при температуре 227 ^оС.

Условно принимаем, что плотность ЦО3 равна плотности фракции 230-280 ^оС ( = 0,822, = 0,826).

Определим энтальпии паров и жидкости ЦО3:

Н₂₂₇ =783 кДж/кг; h₂₂₇ =518 кДж/кг;

g_ГЦО3 = = 22,6 кг

G_IV_-_IV =0,9+ 7,4+7,7+7,1+5,8+11,6+22,6= 63,1 кг.

Нагрузка по жидкости:

g_IV_-_IV = g_ФЛ.230-280 + g_ЦО3 + g_ГЦО3,

где g_IV_-_IV - поток жидкости, проходящий через сечение IV-IV, кг;

g_ЦО2- расход ЦО3, кг; g_ЦО3 = 31,6 кг.

g_IV_-_IV =11,6+31,6+22,6=65,8 кг.

Сечение V-V – сечение между тарелкой вывода и ввода четвертого циркуляционного орошения

Составим материальный баланс по парам и жидкости в сечении V-V (рис.7.13)

Рис. 7.13 Эскиз сечения V-V

Нагрузка по парам:

G _V_-_V = G_газ + G_28-120 +G_120-180 + G_180-230 + G_230-280 + G_280-350 + g_фл.280-350 + g_ГЦО4,

где G_V_-_V - количество паров, проходящих через сечение IV-IV, кг;

G_280-350 - количество паров фракции 280-350 ^оС;

G_280-350 = 12,3 кг (см.табл. 7.16);

g_фл.280-350 - количество флегмы, стекающей с тарелки вывода фракции 280-350^оС, кг.

Принимаем условно, что количество флегмы, стекающей с тарелки вывода фракции 280-350^оС, остается постоянным до тарелки ввода сырья в колонну, изменяется только ее состав. G_фл.280-350 = 24,6 кг (см. п. 7.2.4);

g_ГЦО4 – горячее орошение, возникающее от четвертого циркуляционного орошения, кг.

g_ГЦО4 =

где DQ₄ - тепло, снимаемое четвертым циркуляционным орошением (ЦО4), кДж/ч;

DQ₄ = 8,1 × 10³ кДж/ч;

Н_t и h_t - энтальпия паров и жидкости ЦО4 при температуре 312 °С, кДж/кг.

Условно принимаем, что плотность ЦО4 равна плотности фракции 280-350 ^оС ( = 0,853, = 0,856).

Определим энтальпии паров и жидкости ЦО4:

Н₃₁₂ = 979 кДж/кг; h₃₁₂ = 748 кДж/кг;

g_ГЦО4 =

G_V_-_V =0,9+7,4+7,7+7,1+5,8+12,3+24,6+35= 100,8 кг.

Нагрузка по жидкости:

g_V_-_V = g_фл.280-350 + g_ЦО4 + g_ГЦО4,

где g_V_-_V - поток жидкости, проходящий через сечение V-V, кг.

g_V_-_V=24,6+31,6+35=91,2 кг.

Сечение VI-VI - сечение в зоне питания

Составим материальный баланс по парам и жидкости в сечении VI-VI (рис.7.14).

Рис. 7.14 Эскиз сечения V-V.

Сечение VI-VI проходит по питательной секции ниже ввода сырья. Принимаем условно, что количество флегмы, стекающей с тарелки вывода фракции 280-350 ^оС, до сечения VI-VI не меняется.

В состав парового потока входят пары, поступившие с сырьем (паровая фаза - G_с) и пары, поднимающиеся из отгонной части колонны (G_низ). Количество последних можно определить из материального баланса нижней части колонны (контура I), расположенной ниже сечения VI-VI:

g_c + g_ФЛ.280-350 = g_м + G_низ,

откуда

G_низ = g_с + g_{ФЛ.3280-350}– g_м = L × (1 – ) + g_ФЛ.280-350 – g_М,

где L - расход сырья на входе в колонну, кг;

L = 100 кг;

g_М - расход мазута, кг;

g_М = 58,8 кг;

_р - массовая доля отгона.

G_низ = 100 × (1 – 0,412) + 24,6– 58,8 = 24,6 кг.

Нагрузка по парам:

G_VI_-_VI = G_с + G_низ,

где G_с - количество паров, поступивших в колонну с сырьем, кг.

G_с = L × _р = 100 × 0,412 =41,2 кг.

G_VI_-_VI = L×_р + g_с + g_ФЛ.280-350 – g_М = L×_р + L×(1 – _р) + g_{ФЛ..280-350} – g_М =

= L + g_ФЛ.280-350 – g_М;

G_VI_-_VI = 100+24,6 - 58,8 = 65,8 кг.

Нагрузка по жидкости:

g_VI_-_VI = g_с + g_ФЛ.280-350 = L × (1 – _р) + g_ФЛ.280-350;

g_VI_-_VI = 100 × (1 – 0,412) +24,6 = 83,4 кг.

В табл. 7.17 представлены нагрузки по парам и жидкостям в различных сечениях колонны.

Таблица 7.17

Нагрузки по парам и жидкостям в различных сечениях колонны

Сечение	Нагрузка сечения, кг
по парам	по жидкости
I – I		20,7
II – II	43,7	59,3
III - III	50,2	58,7
IV - IV	63,1	65,8
V - V	100,8	91,2
VI - VI	65,8	83,4

7.2.10 Расчет диаметра основной колонны

Диаметр колонны рассчитываем в трех сечениях:

- сечение I-I - сечение под верхней тарелкой;

- сечение VI-VI - сечение в зоне питания;

- самое нагруженное сечение из оставшихся. В нашем случае выбираем сечение V-V, т.е. сечение между выводом и вводом ЦО4.

Сечение колонны определяем по формуле

где V_п – объемный расход паров в рассчитываемом сечении колонны, м³/с;

W_доп – допустимая линейная скорость паров в рассчитываемом сечении колонны, м/с.

Объем паров в рассчитываемом сечении определяем по уравнению

где V_п – объем паров в рассчитываемом сечении, м³/с;

G_н_i – количество нефтяных паров в рассчитываемом сечении, кг;

М_н_i – молярные массы нефтяных фракций;

Z - количество водяных паров в рассчитываемом сечении, кг;

18 – молярная масса воды;

t – температура в рассчитываемом сечении, ^оС;

Р_общ – общее давление в рассчитываемом сечении, МПа;

k – коэффициент пересчета со 100 кг сырья на реальную загрузку колонны.

Коэффициент пересчета k определяем из соотношения

где G_с - массовый расход сырья, кг/ч.

G_с = 1428583 кг/ч (см. табл. 7.2).

14285,83

Допустимую скорость паров определяем по формуле

W_доп = 0,85 × 10^-4 × С × ,

где W_доп – допустимая линейная скорость паров, м/с;

С – коэффициент, величина которого зависит от конструкции тарелок и расстояния между ними.

На практике допустимые скорости паров находятся в пределах 0,5 – 1,2 м/с в атмосферных колоннах и 1,5 – 3,5 м/с в вакуумных колоннах.

Величину коэффициента С определяем по формуле

С = К×С₁ – С₂×(l - 35),

где К – коэффициент, который зависит от типа тарелок. Так для клапанных тарелок К = 1,15;

С₁ – коэффициент, зависящий от расстояния между тарелками.

Примем расстояние между тарелками равным 600 мм. По графику находим С₁ = 750;

С₂ - коэффициент, равный 4 для клапанных тарелок;

l - коэффициент, учитывающий влияние жидкостной нагрузки на допустимую скорость паров. Определим величину этого коэффициента по формуле

где W_c – объемная нагрузка колонны по жидкой фазе в рассчитываемом сечении, м³/ч.

n - число сливных устройств на тарелке;

Если расчетное значение l<10, то принимаем значение l=10. В случае, если l>65 следует принять тарелки с большим числом сливных устройств.

Допустимая скорость паров в любой атмосферной колонне составляет 0,8-1,0 м/с. Однако это не означает, что любая меньшая линейная скорость может обеспечить нормальные условия работы колонны. Фактическая линейная скорость паров в колонне должна быть не менее 60 % от допустимой, т.е. необходимо обеспечить минимальную скорость паров в колонне не менее 0,5-0,6 м/с, а еще лучше на уровне 0,7-0,8 м/с.

Нагрузку колонны по жидкой фазе находим из соотношения

W_c = ,

где g – массовая нагрузка по жидкости в рассчитываемом сечении, кг;

r_ж - плотность жидкой фазы при температуре в рассматриваемом сечении, г/см³.

r_п – плотности паров, кг/м³.

Плотность жидкости находим из выражения

= - × (t - 20),

где t - температура в рассматриваемом сечении, ^оС.

Плотность паров определяем из соотношения

где G_п - расход паров в рассматриваемом сечении, кг.

G_п = SG_н_i + Z.

Диаметр колонны определяем по формуле

d = = ,

Высоту подпора жидкости над сливной перегородкой рассчитываем по формуле

или ,

где Dh - высота подпора жидкости над сливной перегородкой, м;

- периметр слива (длина сливной перегородки), м.

Длина сливной перегородки может быть рассчитана по формуле

= (0,75-0,8) × d.

где d - диаметр колонны в рассматриваемом сечении, м.

Высота подпора жидкости не должна превышать 50 мм.

Расчет диаметра колонны в сечении I - I

G_I-I == 0,9+7,4 + 20,7 = 29 кг.

Z = 1,834 кг.

g_I-I = 20,7 кг.

Р_общ = Р_верха + DР_т.

= 36,7 м³/с.

= - ×(92–20) =0,692 –0,000910×(92–20) = 0,626 г/см³ = 626 кг/м³.

= 3,33 кг/м³.

G_п = G_I-I + Z =29+1,834= 30,834 кг.

W_c = = = 427,39 м³/ч.

Принимаем число сливных устройств равным четырем (n = 4).

l = = 20,91

С =1,15 × 750 – 4 × (20,91 – 35) = 918,86.

W_доп = 0,85 × 10^-4× 918,86 × = 0,99 м/с.

d = = = 6,9 м.

Рекомендуется принимать величину диаметра колонны равной четному числу.

Округляем рассчитанный диаметр колонны до величины 7,0 м.

= = 0,022 м = 22 мм.

Расчет диаметра колонны в сечении V - V

G _V_-_V =100,8 кг.

Z = 1,176 кг.

g_V_-_V = 91,2 кг.

где N_к - количество вещества компонентов, находящихся в паровой фазе в рассматриваемом сечении, кмоль.

N_к = .

= 0,551 кмоль.

V_п = 0,551 = 65,73 м³/с.

= 0,853 - 0,000699 × (312 - 20) = 0,648 г/см³ = 648 кг/м³.

= 6,2 кг/м³.

W_c = = = 2010,6 м³/ч.

Принимаем число сливных устройств n = 4.

l = = 63,4.

С =1,15 × 750 - 4 × (63,4 - 35) = 834,1.

W_доп = 0,85 × 10^-4× 834,1 × = 0,72 м/с.

d = = 10,8 м.

Принимаем d = 10,8 м.

Dh = = 0,040 м = 40 мм.

Расчет диаметра колонны в сечении VI - VI

G_VI_-_VI = 65,8 кг.

Z = 1,176 кг.

g_VI_-_VI = 83,4 кг.

N_к = .

= 0,571 кмоль.

V_п =0,571× = 72,2 м³/с.

= 0,949 - 0,000581 × (360 - 20) = 0,751 г/см³ = 751 кг/м³.

=3,7 кг/м³.

W_c = = = 1586,5 м³/ч.

Принимаем число сливных устройств n = 4.

l= = 56,4.

С =1,15 × 750 - 4 × (56,4 - 35) = 776,9.

= 0,85 × 10^-4× 776,9× = 0,94 м/с.

d = = 9,9 м.

Принимаем d = 10 м.

Dh = = 0,041 м = 41 мм.

Принимаем диаметр основной атмосферной колонны от верха до тарелки,расположенной над тарелкой вывода фракции 120-180 ^оС (тарелка 42) равным 7,0 м; от тарелки вывода фракции 120-180 ^оС до тарелки, расположенной над зоной питания (тарелки 5) - 10,8 м; диаметр нижней части колонны принимаем равным 10 м.

7.2.10.1 Расчет высоты основной колонны

Общая высота колонны складывается из высот отдельных её частей, на которые она условно разбивается (рис. 7.15). Высоту верхней части (над верхней тарелкой) определяем по формуле