Расчет ретификационной колонны установки «Деэтанизации бензина»

Содержание.
Стр.
1. Введение
3
2. Постановка задачи
3-4
3.  Описание  технологической  схемы.
5-7
3.1  Характеристика сырья и готовой продукции.
5
3.2  Описание технологической схемы установки «Деэтанизация бензина».
6-7
4. Технологический расчет ректификационной колонны.
8-14
4.1 Определение материального баланса всей колонны
8-9
4.2 Определение режима колонны
9-11
4.2.1 Определение давления в колонне
11
4.2.2 Определение температуры верха колонны
12
            4.2.3 Определение  давления низа колонны
12-13
4.2.4 Определение  температуры низа колонны
13
            4.2.5 Расчет коэффициентов относительной летучести
13-14
5. Расчет доли отгона и состава жидкой и паровой фаз сырья при его подаче
15
6. Расчет режима полного орошения
16-19
7. Расчет режима минимального орошения
20
8. Расчет элементов укрепляющей части при рабочем флегмовом числе
21-25
9. Расчет элементов отгонной части при рабочем паровом числе
26-30
10. Расчет питательной секции колонны
31-35
11. Расчет количества холодного орошения
35-37
12. Расчет тепловой нагрузки кипятильника и количества парового орошения в низу ее отгонной части
38-40
13. Основные размеры колонны
40-44
13.1 Определение диаметра колонны
40-42
13.2 Определение высоты колонны
42-43
13.3 Расчет диаметра штуцеров
43-44
14.  Расчет на прочность ректификационной колонны
45-56
           Основные части аппарата
45
           Принятые обозначения
45
1. Расчет на прочность
46
1.1 Расчет толщины корпуса
46
2. Расчет днищ колонны
46-48
2.1 Расчет толщины нижнего днища
46-47
2.2 Расчет толщины верхнего днища
47-48
3. Проведение гидроиспытания
48-49
4. Расчет аппарата на действие ветровой нагрузки
50-56
            4.1 Геометрические и весовые характеристики аппарата
50
            4.2 Расчет аппарата на ветровую нагрузку
51-52
            4.3 Расчетная ветровая нагрузка
52-53
            4.4 Ветровая нагрузка на площадку
53
            4.5 Общие ветровые моменты
53-54
            4.6 Расчет на резонанс
54
            4.7 Определение напряжений в сварном  шве, соединяющим аппарат с опорой при гидроиспытании
54-55
           4.8 Напряжения, передаваемые опорным кольцом на фундамент колонны
55-56
          4.9 Расчет опорного кольца
56
          4.10 Расчет фундаментных болтов
56
Список использованной литературы
57
1. Введение
  Ректификация – массообменный процесс, который осуществляется вбольшинстве случаев в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами(насадки, тарелки). Существует ряд особенностей процесса ректификации(различное соотношение нагрузок по жидкости и пару в нижней и верхней частяхколонны, переменные по высоте колонны, физические свойства фаз и коэффициентраспределения, совместное протекание процессов массо- и теплопереноса), все этоосложняет расчет. Одна из сложностей заключается  в отсутствии обобщенных закономерностей длярасчета кинетических коэффициентов процесса ректификации.
2. Постановказадачи.
  Рассчитать ректификационную колонну непрерывного действиямногокомпонентной смеси с производительностью по сырью 36500кг/ч, состав  сырья приведен в таблице 2.1., составыготовой продукции (ШФЛУ и фракции этановой) приведены соответственно в табл.2.2и табл.2.3. Содержание пропана С3Н8 в дистилляте должнобыть не ниже 20% весовых или 0,151 мольных долей, а содержание этана в остаткене должно превышать 3% весовых или 0,055 мольных долей.
 
Состав сырья, поступающего вколонну:Таблица 2.1
№п/п
Компонент
Молекулярная масса, М
%
весовые
Массовые доли
Моли,
% / М
Мольные доли
1
СН4
16
0,33
0,0033
0,021
0,01
2
С2Н6
30
10,8
0,108
0,36
0,1755
3
С3Н8
44
36,77
0,3677
0,836
0,4073
4
iС4Н10
58
10,9
0,109
0,188
0,0916
5
nС4Н10
58
25,03
0,2503
0,431
0,2104
6
iС5Н12
72
6,45
0,0645
0,09
0,0437
7
nС5Н12
72
5,94
0,0594
0,083
0,0402
8
С6Н14
86
3,78
0,0378
0,044
0,0214
Σ
-
-
100,00
1,00
2,053
≈1,00
Состав готовой продукции(ШФЛУ):
Таблица 2.2
№п/п
Компонент
Молекулярная масса, М
%весовые
Массовые доли
Моли,
% / М
Мольные доли
1
СН4
16
0,00
0,00
0,00
0,00
2
С2Н6
30
3,00
0,03
0,1
0,055
3
С3Н8
44
35,00
0,35
0,795
0,435
4
iС4Н10
58
14,00
0,14
0,241
0,131
5
nС4Н10
58
23,00
0,23
0,396
0,216
6
iС5Н12
72
5,00
0,05
0,069
0,0378
7
nС5Н12
72
5,00
0,05
0,069
0,0378
8
С6Н14
86
15,00
0,15
0,174
0,095
Σ
-
-
100,00
1,00
1,817
≈1,00
Состав готовой продукции(Фракция этановая):
Таблица 2.3
№п/п
Компонент
Молекулярная масса, М
%
весовые
Массовые доли
Моли,
% / М
Мольные доли
1
2
3
4
5
6
7
1
СН4
0,00
12
0,12
0,75
0,218
2
С2Н6
0,00
65
0,65
2,17
0,631
3
С3Н8
41,00
22,9
0,229
0,52
0,151
4
iС4Н10
11,3
0,1
0,001
0,0018
0,0005
5
nС4Н10
28,5
0,00
0,00
0,00
0,00
6
iС5Н12
6,65
0,00
0,00
0,00
0,00
7∑
nС5Н12
6,94
0,00
0,00
0,00
0,00
8
С6Н14
5,61
0,00
0,00
0,00
0,00
Σ
-
-
100,00
1,00
3,44
≈1,00
Требуется определить: давлениеи температуру верха колонны, зоны питания, низа колонны; рассчитать элементыректификации укрепляющей и отгонной частей колонны, геометрические параметрыколонны. Произвести прочностной расчет элементов колонны. Подобратьтеплообменник (рибойлер), который должен будет обеспечить заданный режим работыректификационной колонны. Произвести технологический и прочностной расчетытеплообменника.
3.Описание технологических схем установки «Деэтанизация бензина»
3.1 Характеристика сырья и готовойпродукции.
    На Нефтегорский газоперерабатывающий  завод поступает пять потоков нефтяного газа,их составы приведены в табл. 3.3. После очистки от сероводорода и двуокисиуглерода газ поступает на компримирование и «осушку», а выпавший углеводородныйконденсат при этом направляется в колонну – деэтанизатор на установке«Деэтанизация бензина» для разделения на фракцию этановую и широкую фракциюлегких углеводородов (ШФЛУ). Состав и характеристика углеводородного конденсатаприведены в табл. 3.4, 3.10.  Готоваяпродукция: этановая фракция и ШФЛУ должны соответствовать ТУ, которые приведеныв табл.3.1, 3.2.  
Таблица3.1
Этановаяфракция по ТУ 38- 101489-94.
№п/п
Наименование показателя 
Марка А
Марка Б
1
2
3
4
1
2
3
Массовая доля компонента, %:
метан, не более
этан, не менее
пропан, не более
сумма углеводородов С4 и выше, не более
Массовая доля СО2, %, не более
Массовая доля Н2S, %, не более
2,0
95,0
3,0
отс.
0,02
0,002
20,0
60,0
не норм.
2,0
-
0,002
Таблица3.2
ШФЛУ по ТУ38.101524-93.
№п/п
Наименование показателя
Марка А
Марка Б
1
2
3
4
1
2
3
4
Массовая доля компонентов,%
сумма С1 – С2, не более
пропан, не менее
сумма С4 – С5, не менее
сумма С6 и выше, не более
Массовая доля Н2S и меркаптановой серы, не более%,
в том числе Н2S, не более
Содержание свободной воды и щелочи
Внешний вид
3,0
15,0
45,0
15,0
0,025
0,003
отс
б/ц
5,0
-
40,0
30,0
0,05
0,003
отс
б/ц

3.2  Описание технологической схемы установки«Деэтанизация бензина».
    Сырье, углеводородный конденсат, сустановки НТК (низкотемпературной конденсации) поступает в сырьевыетеплообменники Т – 3/1-5, где нагревается до температуры питания 50 — 60°С засчет тепла нижнего продукта, ШФЛУ (широкой фракции легких углеводородов),  деэтанизатора, колонны К – 5/2. Сырьепоступает в межтрубное пространство теплообменников, а нижний продукт колонны –в трубное. Далее сырье подается на  15тарелку колонны, предусмотрена подача и на 12 тарелку, где за счет ректификациипроисходит разделение  сырья на фракциюэтановую и ШФЛУ(широкую фракцию легких углеводородов). Парогазовая смесь (ПГС)с верха колонны К – 5/2 с температурой 15 — 30°С поступает в трубноепространство испарителей И – 3/9-12. Где охлаждается до 6 — 10°С за счет холодажидкого аммиака. Газожидкостная смесь (ГЖС) из испарителей И – 3/9-12направляется в рефлюксные емкости Е – 28/1-2, в которых происходит отделениежидкой фазы (рефлюкса) от газовой (этановой фракции).  Этановая фракция из емкостей   Е – 28/1-2 через регулирующий клапан направляется на ГРП (газораспределительныйпункт) и далее потребителю. Рефлюкс из емкостей Е – 28/1-2 прокачивается наверх колонны на орошение. Жидкая фаза, стекая по тарелкам вниз, собирается на«глухой» тарелке, с которой самотеком поступает в межтрубное пространстворибойлеров Р – 3/3-6. В трубное пространство рибойлеров поступает острый   водяной пар с давлением 6 – 8 кгс/см2.Парожидкостная смесь (ПЖС) из рибойлеров поступает в кубовую часть под «глухую»тарелку. Пары поднимаются вверх,  ажидкая фаза (ШФЛУ) охлаждается в теплообменниках Т – 3/1-5 и через регулирующийклапан направляется в товарный парк.
Составуглеводородного конденсата, поступающего в «деэтанизатор» с установкинизкотемпературной конденсации (НТК).Таблица 3.4
№п/п
Компонент
Молекулярная масса, М
%
весовые
Массовые доли
Моли,
% / М
Мольные доли
1
СН4
16
0,33
0,0033
0,021
0,01
2
С2Н6
30
10,8
0,108
0,36
0,1755
3
С3Н8
44
36,77
0,3677
0,836
0,4073
4
iС4Н10
58
10,9
0,109
0,188
0,0916
5
nС4Н10
58
25,03
0,2503
0,431
0,2104
6
iС5Н12
72
6,45
0,0645
0,09
0,0437
7
nС5Н12
72
5,94
0,0594
0,083
0,0402
8
С6Н14
86
3,78
0,0378
0,044
0,0214
Σ
-
-
100,00
1,00
2,053
≈1,00
Состав готовой продукции(ШФЛУ):
Таблица 3.5
№п/п
Компонент
Молекулярная масса, М
%весовые
Массовые доли
Моли,
% / М
Мольные доли
1
2
3
4
5
6
7
1
СН4
16
0,00
0,00
0,00
0,00
2
С2Н6
30
3,00
0,03
0,1
0,055
3
С3Н8
44
35,00
0,35
0,795
0,435
4
iС4Н10
58
14,00
0,14
0,241
0,131
1
2
3
4
5
6
7
5
nС4Н10
58
23,00
0,23
0,396
0,216
6
iС5Н12
72
5,00
0,05
0,069
0,0378
7
nС5Н12
72
5,00
0,05
0,069
0,0378
8
С6Н14
86
15,00
0,15
0,174
0,095
Σ
-
-
100,00
1,00
1,817
≈1,00
Состав готовой продукции(Фракция этановая):
Таблица 3.6
№п/п
Компонент
Молекулярная масса, М
%
весовые
Массовые доли
Моли,
% / М
Мольные доли
1
2
3
4
5
6
7
1
СН4
16
12
0,12
0,75
0,218
2
С2Н6
30
65
0,65
2,17
0,631
3
С3Н8
44
22,9
0,229
0,52
0,151
4
iС4Н10
58
0,1
0,001
0,0018
0,0005
5
nС4Н10
58
0,00
0,00
0,00
0,00
6
iС5Н12
72
0,00
0,00
0,00
0,00
7
nС5Н12
72
0,00
0,00
0,00
0,00
8
С6Н14
86
0,00
0,00
0,00
0,00
Σ
-
-
100,00
1,00
3,44
≈1,00
Технологическиепараметры установки «Деэтанизация бензина».
Таблица 3.7
№п/п
Наименование аппарата
Ед. изм.
Технологическая норма
1
2
3
4
1
Деэтанизатор К – 5/2
·        
°С
50 – 60
·        
кгс/см2
28 – 31
·        
°С
90 – 108
·        
°С
15 – 30
2
Емкость Е – 28/1-2
·        
°С
6 – 10
·        
кгс/см2
30 – 31
3
Рибойлер Р – 3/3-6
·        
кгс/см2
6 – 8
·        
кгс/см2
2,5
4
Испаритель И – 3/9-12
·        
кгс/см2
28 – 31
·        
°С
15 – 30
·        
°С
6 – 10
5
Теплообменник Т – 3/1-5
ШФЛУ
·        
°С
90 – 108
·        
°С
20 – 40
Углеводородный конденсат
·        
°С
15 – 30
·        
°С
50 – 60
Технологический расчет ректификационной колонны.
4. Расчет ректификационной колонны.
 
  Расчет ректификационной колонны сводится к определению ее основных  геометрических размеров – диаметра и высоты.Оба параметра в значительной мере определяются гидродинамическим режимомколонны, который, в свою очередь, зависит от скоростей и физических свойствфаз. 
Рассчитаем часовой расход каждогокомпонента в колонну. Средняя молекулярная масса сырья определяется по формуле[1, стр.7]:
           8
Мср.= ∑Мi * с/i
(4.1)
           1
Таблица4.1
№ компонента
Компоненты сырья
Молекулярная масса, М
Состав сырья в мольных долях, с/i
Мi * с/i
Состав сырья в массовых долях,
 ci=  (Мi*с/I)/ ∑Мi * с/i
Количество сырья
кг/ч
кмоль/ч
1
2
3
4
5
6
7
8
1
СН4
16
0,01
0,16
0,0033
120,45
7,528
2
С2Н6
30
0,1755
5,265
0,108
3942
131,4
3
С3Н8
44
0,4073
117,92
0,3677
13421,05
305
1
2
3
4
5
6
7
8
4
iС4Н10
58
0,0916
5,3128
0,109
3978,5
68,59
5
nС4Н10
58
0,2104
12,2032
0,2503
9135,95
157,52
6
iС5Н12
72
0,0437
3,1464
0,0645
2354,25
32,7
7
nС5Н12
72
0,0402
2,8944
0,0594
2168,1
30.1
8
С6Н14
86
0,0214
1,8404
0,0378
1379,7
16,0
∑
-
≈1,00
Мср.= 48,7422
1,00
36500
748,838
  Ввиду незначительного допускаемого содержания СН4 в остатке,пренебрегаем им. Содержание С2Н6 в остатке в соответствиис регламентом установки не должно превышать 3% весовых или 0,055 массовых долейв остатке, а содержание  С3Н8должно быть не менее 20% весовых или 0,151 массовых долей в дистилляте.Содержанием компонентов  iC4H10, nC4H10, iC5H12, nC5H12, C6H14  в дистилляте пренебрегаем ввиду ихотсутствия.
Для удобства расчет проведем для100кмоль сырья. Составы выражены в мольных долях.
Принимаем, что:
Х/R1  =   0
iY/D4 =  0
nY/D4 = 0
iY/D5  = 0
nY/D5 = 0
Y/D6   = 0
Принимаем, что:
Х/R1  =   0
Y/D4 =  0
Y/D5 = 0
Y/D6  = 0
Y/D7 = 0
Y/D8   = 0
Х/, Y/ — мольные доликомпонентов соответственно в жидкости и парах.
R – индекс относится костатку
D — индекс относится кдистилляту
1,2,…,8 –соответственно  к  метану,  этану,  пропану, i-бутану,  n-бутану,   i-пентану,       n-бутану, гексану.
4.1Определение материального баланса всей колонны.
   Уравнение материального баланса для всейколонны по общему количеству молей потоков и по каждому компоненту:
G = D + R
(4.1)
G * c/1 = D*Y/D1 + R*X/R1
(4.2)
G * c/2 = D*Y/D2 + R*X/R2
(4.3)
G * c/3 = D*Y/D3 + R*X/R3
(4.4)