Практическая работа по дисциплине «Машины и аппараты нефтегазопереработки» для СибГУ

Практическое занятие № 1   Тема практических занятий: Расчет колонны с колпачковыми тарелками План практических занятий: Расчет контактной ступени колпачковойтарелки ректификационной колонны   Колонные аппараты предназначены для проведения процессов тепло- и массообмена: ректификации, дистилляции, абсорбции, десорбции. Корпуса стандартизованных колонных аппаратов изготавливаются в двух исполнениях. Корпус, собираемый из отдельных царг с фланцевыми соединениями, рассчитан на давление 1,6 МПа. Технические характеристики отдельных царг приведены в таблицах 1.1.и 1.2   Таблица 1.1 – Характеристики отдельных царг колонных аппаратов

Диаметр колонны D, мм	Высота царги Нц мм	Расстояние между тарелками НТ, мм	Количество тарелок в царге
400	1200	200	6
500	1200	300	4
600	1200	400	3
800	1500	500	3
1000	1500	500	3

  Таблица 1.2 – Высота сепарационной и кубовой частей колонн зависимости от их диаметра

D, мм	Нсеп, мм	Нкуб, мм
1000–1800	800	2000
2000–2600	1000	2500
2800–4000	1200	3000

  Корпус цельносварной, рассчитанный на давление до 4 МПа, имеют колонные аппараты диаметром более 1000 мм с интервалом изменения диаметра через 200 мм. Расстояния между тарелками в зависимости от их типов могут изменяться от 300 до 1000 мм. Из всего ассортимента стандартизованных тарелок здесь в качестве примеров рассмотрены тарелки стальные с капсульными (круглыми) колпачками, ситчатые, клапанные и решетчатые (провальные). До настоящего времени не выработано обобщенных и достаточно объективных критериев выбора типа тарелки для ведения того или иного процесса. Существенную роль в этом играют cложившиеся в организациях-поставщиках традиции, опирающиеся на многолетний опыт надежной эксплуатации разрабатываемой ими массообменной аппаратуры. Для ориентировочного выбора типа тарелки можно привести следующие данные. Тарелки с капсульными колпачками получили наиболее широкое распространение благодаря своей универсальности и высокой эксплуатационной надежности; они достаточно эффективны (см. рисунок 1.1), но металлоемки и сложны в монтаже.   1 – клапанная; 2 – ситчатая; 3 – колпачковая (капсульная); 4 – решетчатая Рисунок 1.1 – Ориентировочные значения к. п. д. тарелок   Тарелки, собираемые из S-образных элементов, устанавливаются преимущественно в колоннах больших диаметров. Их производительность на 20-30 % выше, чем у капсульных. Клапанные тарелки по сравнению с колпачковыми имеют более высокую эффективность и на 20-40 % большую производительность; они применяются для обработки жидкостей, не склонных к смолообразованию и полимеризации, во избежание прилипания клапана к тарелке. Ситчатые тарелки имеют достаточно высокую эффективность, низкое сопротивление и малую металлоемкость. Они применяются преимущественно в колоннах для обработки чистых жидкостей при атмосферном давлении и вакууме. Решетчатые тарелки провального типа имеют производительность, в 1,5-2 раза большую, чем колпачковые тарелки, низкую металлоемкость. Их эффективность достаточно высока, но в узком диапазоне рабочих скоростей. Эти тарелки рекомендуется применять при больших нагрузках колонны по жидкости. В дальнейшем будут рассмотрены в основном гидравлические расчеты колонных аппаратов, предусматривающие конечную цель – подбор стандартизованной тарелки. Общая высота колонны   Н = (n_Т — 1)Н_Т + Н_сеп +Н_куб,                               (1.1)   где n_Т – количество тарелок в колонне; Н – расстояние между тарелками; Н_сеп – высота сепарационной части колонны; Н_куб – высота кубовой части колонны. Высоты Н_сеп и Н_куб для нормализованных колонн различных диаметров D указаны в таблице 1.2. Количество тарелок в колонне n_Т = n_ст/h, где n_ст – число ступеней изменения концентрации; h – эффективность (к.п.д.) тарелки. Величину h для различных типов тарелок и разделяемых смесей можно выбрать из справочника. Сравнительные данные эффективности некоторых типов тарелок приведены на рисунок 1.1. Диаметры колонн с колпачковыми, клапанными и ситчатыми тарелками выбираются из табл. 1.6 – 1.8 по величине рабочей площади тарелки, рассчитываемой как   F_P = V_п/ w_Р,                                                        (1.2)   где V_п – объемный расход пара (газа) в колонне, м³/с; w_Р – скорость пара (газа) в рабочем сечении колонны, м/с. За рабочее сечение колонны принимают площадь основания тарелки, на которой установлены контактные элементы (без учета площади сливных устройств). Скорость пара в рабочем сечении колонны принято рассчитывать по уравнению   (1.3)   где j – фактор вспениваемости жидкости (см. табл. 1.5); r_ж и r_п – плотности жидкости и пара. Значение коэффициента С определяется по графикам рисунок 1.2.     Рисунок 1.2 – Значения коэффициента С в уравнении (1.3).   Расстояние между тарелками Н_Т:   1 – 0,7 м; 2 – 0,6 м; 3 – 0,5 м; 4 – 0,4 м; 5 – 0,3 м.   При работе с рис. 1.2 расстояние между тарелками вначале принимается Н_Т = 0,3-0,4 м, а затем устанавливается методом подбора с учетом рекомендаций: Н_Т = 0,3 м при D £ 0,8 м; Н_Т = 0,34 D^0,57 м при D > 0,8 м. Если колонна требует частой чистки или ремонта, то при D_к > 1,5 м следует принимать Н_Т ³ 0,6 м. Окончательная величина Н_Т, устанавливается после проверки допустимого брызгоуноса и надежности работы сливного устройства тарелки. В промышленных колоннах допускается брызгоунос до 0,1 кг жидкости в 1 кг пара. Обычно величину относительного уноса следует учитывать при отношении G_п/G_ж > 2. При необходимости относительный унос жидкости можно рассчитать по уравнению   ,                                               (1.4)   где s – поверхностное натяжение жидкости на границе с паром или газом, Н/м; h_пн – высота пены (газожидкостной смеси), образующейся на тарелке, м. Высоту пены можно ориентировочно оценить по формуле   (1.5)   где h_сл – высота подпора жидкости над сливным порогом, м; h_пор – высота сливного порога на тарелке, м (рис. 1.3). Значения входящих в уравнения (1.4) и (1.5) коэффициентов k₁, k₂, k₃ и k₄, а также показателя степени n₁ приведены в таблице 1.3.   Таблица 1.3 — Дополнительные данные к уравнениям (1.4) и (1.5)

Тип тарелки	k1×105	k2	k3×102	k4	n1
Колпачковая	23,0	0,23	4,4	4,6	1,16
S-образная	4,5	0,30	7,1	1,3	1,52
Клапанная	5,5	0,17	5,9	2,2	1,38
Ситчатая	6,2	0,42	8,5	2,7	1,61

  Высота подпора жидкости над сливным порогом (м)   H_сл =0,68(V_жд/П)^0,67,                                          (1.6)   где V_жд – действительный расход жидкости, протекающей через переливное устройство, м³/с; П — периметр слива (длина сливного порога), м. С учетом жидкости, переносимой паром (газом) на вышележащую тарелку, действительный расход жидкости в переливном устройстве   (1.7)   где G_п – массовый расход пара (газа) в колонне, кг/с; У – относительный унос жидкости. Высота сливного порога на колпачковых тарелках (см. рисунок 1.3)   h_пор = h_г.б — h_сл + h_пр + h_у,                                              (1.8)   где h_г.б – высота глубины барботажа; h_пр – высота прорези в колпачке; h_у – 0¸10 мм – высота установки колпачка (расстояние от тарелки до нижнего торца колпачка). При расчетном значении h_пор < 45 мм следует принимать h_пор = 45 мм. Глубину барботажа (м) можно рассчитать согласно рекомендациям по формуле   h_г.б =(0,7/r_ж)r^0,35,                                      (1.9)   где r – абсолютное давление в колонне, Па. Высота сливного порога на ситчатых и клапанных тарелках   h_пор = h_г.б – h_сл,                                          (1.10)   Здесь глубина барботажа рассчитывается по формуле (1.9), а h_сл – по формуле (1.6). Рисунок 1.3 —  Расположение колпачка и сливного порога   Колпачки нормализованных тарелок (ГОСТ 9634-75) имеют прорези различной высоты и формы (см. табл. 1.4). Наибольшая эффективность тарелки достигается тогда, когда пар проходит через все сечения прорези, т. е. прорезь полностью открыта (рис. 1.3). Высоту открытия прорези можно рассчитать по уравнению   (1.11)   где V_п – расход пара в колонне, м³/с; m – количество колпачков на тарелке (см. табл. 1.6); z – количество прорезей в одном колпачке; b – расчетная ширина прорези (см. табл. 1.4). В стальных капсульных (круглых) колпачках количество прорезей следующее:  

Диаметр колпачка Dк, мм	60	80	100	150
Количество прорезей z	16	20	26	40

  Таблица 1.4 – Расчетная ширина b прорезей в колпачках

Форма колпачка и прорези	Ширина прорези (мм) при высоте прорези hпр, мм
	15	20	25	30	45
Капсульный, трапецеидальная	5,31	5,75	—	6,75	—
Желобчатый, трапецеидальная	—	8,25	7,8	7,37	—
S-образный, трапецеидальная	—	—	—	—	16

  В желобчатых колпачках z = 130 l_кп, в S-образных элементах z = 40 l_кп, где l_кп – длина колпачка, м. Расчетная ширина прорезей при их нормализованной высоте приведена в табл. 1.4. Для тарелки, выбранной по одной из табл. 1.6-1.8 с помощью уравнения (1.2), необходимо проверить надежность работы сливного устройства. Во избежание захлебывания сливного устройства скорость жидкости в нем должна отвечать условию   (1.12)   где F_сл – площадь сливного устройства выбранной тарелки, м². Значения коэффициентов k₅ и показателей степени n₂ в зависимости от фактора вспениваемости жидкости приведены в табл. 1.5. Скорость жидкости (м/с) в зазоре между основанием тарелки и нижней кромкой сливного стакана (зазор а на рис. 1.4) должна отвечать условию   ,                                          (1.13)   Для тарелок ТСК-1 а = 0,035 м; для тарелок типов ТСК-Р, ТС и S-образных а = 0,06 м; для клапанных тарелок а = 0,09 м. Если одно из условий (1.12) или (1.13) не соблюдается, следует увеличить расстояние между тарелками или перейти к расчету двухпоточной (двухсливной) тарелки.   Таблица 1.5 – Дополнительные данные к уравнению (1.12)

Вспениваемость жидкости	j	k5	n2
Малая (ректификация нефтяных фракций, углеводородных газов, кроме легких типа метана и этана, фтористых систем – фреонов)	1-0,9	0,250	0,65
Средняя (атмосферная перегонка нефти, абсорбция и десорбция углеводородов, регенерация аминов и гликолей)	0,9-0,7	0,225	0,80
Большая (вакуумная перегонка мазута, абсорбция аминами и гликолями, растворами глицерина, метилэтилкетонами)	0,7-0,6	0,118	1,30

  Расчет сопротивления тарелок практически бывает необходим для вакуумных ректификационных колонн, для колонн с большим количеством тарелок (n_т = 80¸100), работающих под атмосферным давлением, а также для абсорбционных колонн, когда их сопротивление определяет выбор напора газодувки. Рисунок 1.4 – Основные параметры колпачковой тарелки   Общее сопротивление тарелки с переливным устройством принято рассчитывать по уравнению   Dp = Dp_c + Dp_ж,                                         (1.14)   где Dp_c – сопротивление сухой тарелки, Па; Dp_ж – сопротивление слоя жидкости на тарелке, Па. Сопротивление сухой тарелки равно   Dp_c = z_сr_пw²_о/2,                                        (1.15)   где r_п – плотность пара (газа), кг/м³; w_о – скорость пара (газа) в паровых патрубках или отверстиях (клапанной, ситчатой) тарелки, м/с (рассчитывается по площади прохода пара F_o, указанной в табл. 1.6). Коэффициенты сопротивления сухой тарелки имеют следующие значения: для колпачковой тарелки с диаметром колпачка D_к, м, z = 1,73D^-0,25; для тарелки из S-образных элементов z = 4; для клапанной тарелки z = 3,6; для ситчатой тарелки z = 1,7. Сопротивление слоя жидкости на тарелке можно рассчитать по упрощенной зависимости   (1.16)   где Dh – перепад уровня жидкости на тарелке по пути ее движения, м. Величину перепада уровня жидкости на тарелке можно ориентировочно оценить по зависимости   (1.17)   где l_э – эквивалентный коэффициент сопротивления перетоку жидкости по тарелке; l_ж – длина пути жидкости на тарелке, м; П – периметр слива, м; V_ж – расход жидкости, текущей по тарелке, м³/с. Применительно к уравнению (1.17) значения l_ж указаны в табл. 1.7. Для нормализованных тарелок с перекрестным движением пара и жидкости можно принять следующие значения l_э: для тарелок с капсульными колпачками l_э » 16 l_ж; для клапанных тарелок l_э » 8 l_ж; для ситчатых тарелок l_э» 6 l_ж. Для тарелок, скомпонованных из S-образных элементов и ситчатых с отбойными элементами величина Dh зависит также от скорости пара в колонне, который способствует перетоку жидкости по тарелке. В этом случае при расчете Dh следует использовать рекомендации работы. Если при расчете однопоточной тарелки величина перепада жидкости окажется Dh > 0,2h_сл, следует перейти к многопоточной тарелке. Основные параметры рассмотренных выше стандартизованных тарелок приведены в табл. 1.6-1.8.   Контрольные вопросы  

• Основные конструкции контактных устройств ректификационных колонн.
• Конструкции тарелок колпачкового типа.
• Роль перетока на тарелке.
• Оптимальная скорость пара в колонных ректификационных аппаратах.
• Расчет высоты колонны.

Задачи  

1. Рассчитать ректификационную колонну с колпачковыми тарелками при следующих исходных данных: нагрузка по пару G_п = 20000 кг/ч; нагрузка по жидкости G_ж = 28 000 кг/ч; плотность паров ρ_п = 4,25 кг/м³; плотность жидкости ρ_ж = 800 кг/м³; поверхностное натяжение σ = 0,02 Н/м; число сту­пеней изменения концентрации n_ст = 28. Вспениваемость жид­кости средняя, давление в колонне атмосферное.
2. Рассчитать ректификационную колонну с колпачковыми тарелками при следующих исходных данных: нагрузка по пару G_п = 15000кг/ч; нагрузка по жидкости G_ж = 20 000 кг/ч; плотность паров ρ_п = = 4,25 кг/м³; плотность жидкости ρ_ж = 800 кг/м³; поверхностное натяжение σ = 0,02 Н/м; число сту­пеней изменения концентрации n_ст = 18. Вспениваемость жид­кости средняя, давление в колонне атмосферное.
3. Рассчитать ректификационную колонну с колпачковыми тарелками при следующих исходных данных: нагрузка по пару G_п = 46000кг/ч; нагрузка по жидкости G_ж = 58 000 кг/ч; плотность паров ρ_п = = 4,25 кг/м³; плотность жидкости ρ_ж = 800 кг/м³; поверхностное натяжение σ = 0,02 Н/м; число сту­пеней изменения концентрации n_ст = 44. Вспениваемость жид­кости средняя, давление в колонне атмосферное.