Расчет и проектирование кожухотрубчатого конденсатора-дефлегматора для конденсации паров смеси метан-этана, уходящих с верха ректификационной колонны

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Технологический расчет

1.1 Построение диаграммы фазового равновесия

1.2 Определение начальной температуры продукта

1.3 Определение температурного режима и средней разности температур

1.4 Расчет физико-химических величин теплоносителей

1.4.1 Смесь углеводородов

1.4.2 Физико-химические величин воды

1.5 Расчет тепловой нагрузки аппарата

1.6 Приближенный расчет площади поверхности подогревателя

1.7 Уточнённый расчёт поверхности теплообменика

2. Расчет внутренних диаметров штуцеров

2.1 Расчет диаметров штуцеров трубного пространства

2.2 Расчет диаметров штуцеров межтрубного пространства

3. Расчёт компенсатора

4. Материальный баланс

5. Описание технологической схемы с выбором КИП и узлов автоматики

Список используемой литературы



Введение

Интенсивный рост добычи и потребления топливно-энергетических ресурсов, требует создания современных технологических установок большой единичной мощности, дальнейшего совершенствования и интенсификации существующих процессов и аппаратов нефтяной и газовой переработки.

Основными аппаратами на нефтеперерабатывающих и газоперерабатывающих заводах являются ректификационные колонны, в которых осуществляется процесс ректификации.

Ректификация - это тепло и массообменный процесс, применяемый для разделения жидких смесей, компоненты которых различаются по температуре кипения. Процесс осуществляется при контакте потоков пара и жидкости, которые имеют разные составы и температуры: пар имеет более высокую температуру, чем вступающая с ним в контакт жидкость. Расчет ректификационных колонн проводится с целью выбора оптимального режима и определения основных размеров аппарата.

Также технологические процессы нефтяной и газовой промышленности связаны с нагреванием или охлаждением. Процессы, скорость протекания которых определяется скоростью подвода или отвода тепла, называют тепловыми; они осуществляются в теплообменных аппаратах.

Теплообменным называется аппарат, в котором происходит обмен между двумя теплоносителями, то есть его передача от горячей среды к холодной. Движущей силой теплообмена является разность температур.

Теплообменные аппараты классифицируют по принципу действия, целевому назначению и конструкции. По принципу действия теплообменные аппараты подразделяют на рекуперативные, регенеративные и смесительные. В рекуперативных аппаратах теплоносители одновременно движутся по разные стороны разделяющей их стенки. В регенеративных аппаратах горячий и нагреваемый потоки попеременно соприкасаются с одной и той же поверхностью. В смесительных теплообменниках теплопередача осуществляется при непосредственном смешении теплоносителей.

По целевому назначению теплообменные аппараты подразделяют на собственно теплообменные аппараты, холодильники-конденсаторы, и нагреватели-испарители. Для собственно теплообменных аппаратов нагрев холодного потока и охлаждение горячего одинаково важные целевые процессы. Для холодильников-конденсаторов целевым процессом являются охлаждение и конденсация горячего теплоносителя. Для нагревателей-испарителей целевым процессом являются нагрев и испарение холодного теплоносителя.

Целью теплового расчета теплообменных аппаратов является определение поверхности нагрева (охлаждения) или числа стандартных аппаратов. В данной работе рассчитан кожухотрубчатый дефлегматор-конденсатор для испарения дистиллята колонны паров смеси ацетон-бензол.



1. Технологический расчет

1.1 Построение диаграммы фазового равновесия

При атмосферном давлении компоненты имеют следующие температуры кипения [5, стр.427, 342]:

Метанол:

Этанол:

Значит, метанол - низкокипящий компонент в смеси.

Построим диаграмму фазового равновесия. Для бинарных смесей, подчиняющихся закону Рауля, диаграмму фазового равновесия в координатах y - x строят по следующему алгоритму. Температурный интервал вскипания чистого низкокипящего и чистого высококипящего компонента при заданном давлении . В этом интервале температур от до принимается ряд значений температуры. Для каждой температуры определяется давление насыщенных компонентов и рассчитывается из соотношения коэффициенты распределения низкокипящего компонента. Из соотношения рассчитывается мольная концентрация низкокипящего компонента в жидкости, кипящей при выбранной температуре и давлении .

= , [(20), 2, стр. 11];

= , [(21), 2, стр. 11].

Где - давление насыщенных паров низкокипящего и высококипящего компонентов.

После этого из соотношения (21) определяется мольная концентрация НКК в паре , равновесным с жидкостью. Далее строится диаграмма фазового равновесия в координатах y - x.

= , [(21), 2, стр. 11].

Весь расчет и полученные данные приведены в таблице 1.

Так как температура кипения низкокипящего компонента при атмосферном давлении слишком мала, принимаем её равной 60 .

Таблица 1

	, бар	, бар	П, бар		Y =
64,7	760	429	760	1	1
66,2	819	466		0,83	0,84
67,7	879	502		0,68	0,79
69,2	938	539		0,55	0,68
70,4	997	575		0,44	0,58
72,2	1057	611		0,33	0,46
73,4	1104	641		0,26	0,38
74,6	1151	670		0,19	0,29
76,5	1227	716		0,09	0,15
78,3	1298	760		0	0

По данным таблицы строим диаграмму фазового равновесия в координатах (Приложение, рис 1).



1.2 Определение начальной температуры продукта

Для определения начальной температуры продукта найдем мольные доли компонентов.

где = 32 г/моль; = 46,1 г/моль [5, стр.427, 342].

Начальную температуру смеси определяем по изобарной кривой конденсации. Смесь ацетон - бензол поступает в конденсатор-дефлегматор при определённой температуре. Для определения это температуры необходимо из точки с абциссой X = 0,986 соответствующей мольной доле ацетона в смеси, провести перпендикуляр до пересечения с изобарной кривой конденсации.

.

1.3 Определение температурного режима и средней разности температур

Жидкую смесь углеводородов направляем в трубное пространство конденсатора, а воду в межтрубное.

Имеем:

;



;

Схема движения теплоносителей:

;

;

Так как ,

то . [3, стр. 169].

1.4 Расчет физико-химических величин теплоносителей

1.4.1 Смесь углеводородов (при = 65 °С)

Плотность индивидуальных жидких веществ [5, стр.427, 342]:

;

Динамический коэффициент вязкости отдельных веществ:

Теплопроводность:



1.4.2 Физико-химические величин воды

Средняя температура горячей воды:

.

Плотность воды:

Динамический коэффициент вязкости воды:

Теплопроводность воды:

1.5 Расчет тепловой нагрузки аппарата

кожухотрубчатый конденсатор дефлегматор конденсация пар

Тепловая нагрузка аппарата находится по формуле:

.

где - массовый расход смеси;

- удельная теплота испарения смеси углеводородов;



Рассчитаем расход дистиллята.

Общая производительность колонны: F = 28 т/ч;

Массовый расход получаемых дистиллята кубового остатка определяются из уравнения материального баланса колонны по низкокипящему компоненту:

= +

;

;



= 12624 (кг/ч);

= 15376 (кг/ч).

Проверка: = + = 12624 +15376 = 28000 (кг/ч).

Таким образом:

.

Потребное количество водs:

1.6 Приближенный расчет площади поверхности подогревателя

Зададимся коэффициентом теплопередачи от воды к конденсирующимся парам углеводородов К = 550 Вт/(м?·К) [3, стр. 171]. Тогда ориентировочная площадь поверхности теплообмена составит:



Определим соотношение n/z конденсатора с диаметром труб d = 25, где n - число труб,z - число ходов. Зададимся Re = 15000.

По ГОСТ 15119-79 [18, стр. 57] выбираем конденсатор с параметрами:

F = 338 ; D = 1000 мм; n = 718; d = 25?2 мм; H = 6 м.; z = 2.

1.7 Уточнённый расчёт поверхности теплообменика

Пример расчёта приведён в [18, стр. 74]:

Рассчитаем действительное число Рейнольдса:

Коэффициент теплоотдачи от воды к стенке определим по уравнению:

Так как вода нагревается, принимаем значение



Коэффициент теплоотдачи от пара, конденсирующегося на пучке горизонтальных труб, определяется по формуле:

где при

Толщина труб 2 мм. Они изготовлены из нержавеющей стали с коэффициентом теплопроводности К = 17,5 .

Используется вода очищенная со среднем значением коэффициента теплопроводности загрязнения стенок

= 580 [3, стр. 531, табл. 31].

Органические пары имеют средний коэффициент теплопроводности

= 11600 [3, стр. 531, табл. 31].

Термическое сопротивление стенки и загрязнений:



Из основного уравнения теплопередачи и уравнения аддитивности термических сопротивлений следует:

Тогда требуемая поверхность составит:

По ГОСТ 15119-79 выбираем кожухотрубчатый конденсатор со следующими характеристиками: F = 169 ; H = 3 м; n = 718; d = 25?2 мм; D = 1000 мм; z = 2.

Пересчитаем коэффициент K, так как изменилась длина труб.

Коэффициент не изменится.



Таким образом, выбранный теплообменник подходит с запасом:

.



2. Расчет внутренних диаметров штуцеров

Внутренние диаметры трубопроводов и штуцеров рассчитываются по формуле:

где

- объемный расход теплоносителя;

G - массовый расход теплоносителя;

- плотность теплоносителя;

- скорость теплоносителя.

2.1 Расчет диаметров штуцеров трубного пространства

Найдем плотности для воды на входе и выходе трубного пространства.

Плотность воды на входе:

Плотность воды на выходе:

Рассчитаем диаметры штуцеров на входе и выходе трубного пространства.

На входе:

Общий расход смеси:

Зададимся для расчета скоростью воды:

.

Выбираем из нормального ряда условных диаметров = 350 мм.

На выходе:

Выбираем из нормального ряда условных диаметров = 350 мм.



2.2 Расчет диаметров штуцеров межтрубного пространства

Плотность паров смеси углеводородов на входе:

Плотность смеси углеводородов на выходе:

Рассчитаем диаметры штуцеров на входе и выходе межтрубного пространства.

Скорость паров углеводородов в заводских трубопроводах составляет:

Выбираем из нормального ряда условных диаметров = 400 мм.

На выходе



Скорость конденсата углеводородов в заводских трубопроводах составляет:

Выбираем из нормального ряда условных диаметров = 50 мм.



3. Расчёт компенсатора

Найдём поверхностную плотность теплового потока:

Найдём температуры стенки:

Найдем среднюю температуру стенок трубы:

Тогда разность температуры кожуха и труб составит:

65 - 48,7 = 16,3

Так как величина разности температуры кожуха и труб меньше допустимой разности , то компенсатор не требуется.



4. Материальный баланс

Компонент	М	Массовая доля, %	Массовый расход, кг/с	Мольная доля, %	Мольный расход кмоль/с
Смесь на конденсацию: Метан Этан	32 46,1	98 2	3,44 0,07	0,986 0,014	0,0308 0,000303
Итого:		100	3,51	100	0,031103
Нагревающая смесь: Технологическая вода	18	100	108	100	6
Итого:		100	108	100	6



5. Описание технологической схемы с выбором КИП и узлов автоматики

Исходная смесь С1 подается в емкость Е1. Из емкости Е1 исходная смесь подается насосом Н1 в подогреватель П. После подогревателя П исходная смесь поступает в тарелку ректификационной колонны КР. Температура исходной смеси С1 на выходе из подогревателя П регулируется с помощью вентиля ВР1, установленного на трубопроводе подачи пара в подогреватель. Автоматическое регулирование осуществляется прибором TIRC, установленного на трубопроводе подачи исходной смеси в колонну. В подогревателе П пар охлаждается до температуры насыщения и конденсируется. Конденсат из подогревателя поступает на конденсатоотводчик , откуда удаляется в общий коллектор парового конденсата Т8. Количество исходной смеси С1, подаваемое в ректификационную колонну регулируется с помощью вентиля . Автоматическое регулирование осуществляется прибором FICA, установленном на трубопроводе подачи исходной смеси С1 в колонну. С низа колонны удаляется кубовый остаток, часть которого подается в кипятильник К, где испаряется и в виде парожидкостной смеси поступает в исчерпывающую часть колонны. Температура кубового остатка на выходе из кипятильника регулируется с помощью вентиля , установленного на трубопроводе подачи пара в кипятильник К. Автоматическое регулирование вентиля осуществляется прибором PDIC в зависимости от температуры в низу и в верху колонны. В кипятильнике К пар охлаждается до температуры насыщения и конденсируется. Конденсат из кипятильника К поступает в конденсатоотводчик , откуда удаляется в коллектор парового конденсата. Часть кубового остатка поступает из ректификационной колонны КР в холодильник . После охлажденный кубовый остаток поступает в кубовую емкость Е2. Из емкости Е2 кубовый остаток откачивается насосом Н3. Количество кубового остатка, подаваемого в холодильник , регулируется с помощью вентиля , установленного на трубопроводе возврата кубового остатка из холодильника . Автоматическое регулирование вентиля осуществляется прибором LC в зависимости от уровня кубового остатка в колонне. Температура кубовой жидкости на выходе из холодильника Х1 регулируется с помощью вентиля , установленного на трубопроводе возврата воды из холодильника Х1. Автоматическое регулирование вентиля осуществляется прибором TIC. Вода нагретая в холодильнике Х1 поступает в общий коллектор оборотной воды В5. С верха колонны КР уходят пары дистиллята, которые поступают в дефлегматор. В дефлегматоре Д пары дистиллята охлаждаются до температуры насыщения и конденсируется. Дистиллят в дефлегматоре Д поступает в распределитель Р, откуда часть дистиллята поступает в верхнюю часть колонны, а другая часть Д при температуре в холодильник Х2, где охлаждается до температуры , а из холодильника в емкость Е3. Количество дистиллята подаваемого в верхнюю часть колонны регулируется с помощью вентиля , установленного на трубопроводе возврата дистиллята от распределителя Р. Автоматическое регулирование вентиля осуществляется при помощи прибора FFIC - в зависимости от соотношения расхода флегмы продукта. Дистиллят из емкости Е3 откачивается насосом Н4. Часть дистиллята (флегмы) поступает в верхнюю часть колонны КР для орошения. Температуры верха колонны регулируется с помощью вентиля , установленного на трубопроводе возврата холодной воды из дефлегматора. Автоматическое регулирование вентиля осуществляется прибором PIC в зависимости от давления в колонне.

Обозначение параметров, измеряемых первичным прибором.

Т - температура; Р - давление; F - расход; L - уровень.

Функции выполняемые приборами по отображению информации.

Е- датчик (аналоговый сигнал)

I - индикация

R - регистрация

А - сигнализация

Функции, выполняемые приборами по формированию выходного сигнала.

С - автоматическое регулирование

S - блокировка

Преобразователи сигналов

Т - преобразователь (аналоговый стандартный сигнал)

Обозначение уточняющих значений измеряемых величин

Д - разность, перепад

F - соотношение, доля, дробь

Размещено на Allbest.ru