Совершенствование процессов производства высокоиндексных масел

Найдем энтальпии потоков:

q^ж'_т1 = q^ж'₄₅₈ = 440,0 · 148 = 65472 кДж/кмоль

q^ж'_т2 = q^ж'₄₇₆ = 490,0 · 148,67 = 72848 кДж/кмоль

q^п'_т2 = q^п'₄₇₆ = 2885,0 · 18,8 = 54238 кДж/кмоль

Тогда,

Q_Р' = 477,1 · 72848 + 21,8 · 54238 - (455,3 + 21,8) · 65472 =

= 4,7 · 10⁶ кДж на 100 кмоль сырья.

Число молей сырья подаваемого в колонну:

14187,6 8099,9

G₁ = --------------- + --------------- = 626 кмоль/ч.

Т = 288°К сж = 975 кг/м³

r = q^п_т2 - q^ж_т2 = 2885 - 490 = 2395 кДж/кг = 2395 · 10³ Дж/кг

Поверхностное натяжение (в Н/м) на границе раздела пар-жидкость определим по формуле Этвиша:

Рис.№5 Нагрузочная характеристика испарителя

7. Поверхность теплообмена испарителя.

Расчетная поверхность теплообмена:

Q_Р 625000

F_Р = ------ = ------------- = 149 м².

q 42000

По данным ВНИИНефтемаша ОН26-02-6-66 принимаем испаритель с паровым пространством типа 800 ПП 16/16. Поставим по два таких подогревателя в каждый корпус испарителя (ребойлера), его диаметр 2,3 м, условное давление в корпусе и трубках Р_У = 1,57 · 10⁶ Па (16 ат). Этот аппарат имеет поверхность теплообмена F_Р = 40 м², один трубный пучок из 86 трубок диаметром 25х2,5 и длиной 6 м, трубки из стали 10.

8. Температура на внутренней поверхности трубы.

Эту температуру можно определить из уравнения:

Здесь Т_S' = 525°К,

б₁= 27 · q^0,5= 27 · (42,0 · 10³)^0,5 = 5533 Вт/(м²·К);

д₁/л₁ = 0,000215 (м²·К)/Вт.

Т_СР = 0,5 · (525 + 512) = 519°К.

При определении коэффициента теплоотдачи б₁ значение параметра А нами было взято при Т = 525°К. Как видно, Т_СР меньше Т_S' примерно на 1 %, что находится в пределах точности технического расчета.

Подобным образом рассчитываются и остальные испарители и теплообменники. Результаты приведены в таблице 15.

Таблица 15.

Расчет испарителей и теплообменников

Таким образом характеристики уже имеющихся испарителей и теплообменников удовлетворяют потребности реконструируемой установки, следовательно нет необходимости приобретать новые аппараты.

2.5 Расчет вертикальной цилиндрической печи

Для расчета и подбора трубчатой печи составим материальный баланс осушительной экстрактной колонны.

Таблица 16.

Материальный баланс осушительной экстрактной колонны

Данные для расчета:

Производительность G = 1725,6 т/сутки (в том числе, экстракта - 333,1 т/сутки, НМП - 1392,5 т/сутки);

Относительная плотность сырья = 0,988 кг/м³;

Молекулярная масса экстракта М₂ = 510;

Температура экстрактного раствора на входе в печь Т₁ = 473°К,

на выходе из печи Т₂ = 543°К;

Давление на выходе из змеевика печи П = 0,28 · 10⁶ Па.

В печи установлен пароперегреватель производительностью Z = 1650кг/ч водяного пара. Температура пара на входе в печь Т = 393°K, на выходе из печи Т_ПАР = 513°К.

Топливо - нефтезаводской газ следующего состава (%, объем):

H₂ - 25,5 СН₄ - 25,3 C₂H₆ - 15,5

С₃Н₈ - 13,3 изо-С₄Н₁₀ - 7,9 h- С₄Н₁₀ - 8,7

C₄H₈ - 2,6 CO₂ - 0,3 N₂ - 0,9

Расчет:

1. Расчет процесса горения.

Пересчитаем состав топлива в массовые проценты. Результат перерасчета сведем в таблицу 17.

Таблица 17.

Перерасчет состава топлива в массовые проценты (объемный и мольный при нормальных условиях)

,

где n_i - число атомов углерода в данном компоненте топлива.

Содержание углерода:

,

где m_i - число атомов водорода в данном компоненте топлива/

Содержание азота:

,

где n - число атомов азота в молекуле

Содержание кислорода:

,

где Р - число атомов кислорода в молекуле СО₂.

Проверка:

С + H + О + N = 78,3 + 20,3 + 0,4 + 1,0 = 100,0 %.

Теоретически необходимый расход воздуха для сжигания 1 кг газообразного топлива.

= 15,9 кг/кг.

Принимаем коэффициент избытка воздуха при сжигании газа б = 1,1.

Тогда

L_Д = б · L_О = 1,1 ·15,9 = 17,5 кг/кг,

или

V_Д = L_Д / с_В = 17,5 / 1,293 = 13,5 м³/кг,

где с_В - плотность воздуха при н.у.

Определим количество продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 кг топлива.

= 0,0367 · С = 0,0367 · 78,3 = 2,87 кг/кг;

= 0,09 · Н = 0,09 · 20,3 = 1,83 кг/кг;

= 0,23 · L_О · (б - 1) = 0,23 · 15,9 · (1,1 - 1) = 0,37 кг/кг;

= 0,77 · L_О · б + N = 0,77 · 15,9 · 1,1 + 0,008 = 13,5 кг/кг.

Суммарное количество продуктов сгорания:

Уm_i = 2,87 + 0,37 + 1,83 + 13,5 = 18,57 кг/кг.

Проверка:

Уm_i = 1 + б · L_О = 1 + 1,1 · 18,57 кг/кг.

Содержанием влаги в воздухе пренебрегаем.

Найдем объемное количество продуктов сгорания в м³ на 1 кг топлива при н.у.

м³/кг;

м³/кг;

м³/кг;

м³/кг.

Суммарный объем:

УV_i = 14,8 м³/кг.

Молекулярная масса продуктов сгорания:

М_О = с_О · 22,4 = 1,25 · 22,4 = 28,1.

2. К.П.Д. печи и полезное тепло печи. Расход топлива.

Потери тепла печью в окружающую среду q₁ примем равными 4 % от низшей теплоты сгорания топлива:

q₁ = 0,04 · = 0,04 · 72558 = 2902 кДж на 1 кг топлива.

Принимая температуру уходящих из печи дымовых газов Т_УХ = 673°К, по графику (6, с.186), найдем

q₂ = 9500 кДж на 1 кг топлива.

= 0,83.

Полезное тепло печи:

Q_ПОЛЕЗ = Q_С + Q_П ,

где Q_С - количество тепла, передаваемого сырью (экстрактному раствору),

кДж/ч;

Q_П - количество тепла, необходимое для перегрева водяного пара, кДж/ч.

Количество тепла, сообщаемого экстрактному раствору, найдем по формуле:

,

где G - количество экстрактного раствора, кг/ч (берем из материального

баланса);

- энтальпия пара НМП (отгона) при Т₂ = 543 К, кДж/кг, определяем потаблице [2, с.183];

х₁ и х₂ - содержание соответственно НМП и экстракта в жидкой фазе экстрактного раствора, масс. доли;

и - энтальпии жидкого НМП соответственно при Т2 = 543 К и T1 = 473 K, определяемые по таблице [2, с.184], кДж/кг;

и - энтальпии жидкого экстракта соответственно при Т2 = 543 К и T1 = 473 K, определяемые по таблице [6, с.328], кДж/кг;

с₁ и с₂ - состав исходного экстрактного раствора, масс. доли.

Тогда

Q_C = 71902 · [0,729 · 997 + (1 - 0,729) · (0,807 · 670 + 0,193 · 628,23) -

- (0,804 · 480 + 0,196 · 427,26)] = 31,5 · 10⁶ кДж/ч = 8747 кВт.

Количество тепла необходимое для перегрева водяного пара:

Q_П = Z · [c_Р · (Т_П - Т_S) + r · х],

где Z - количество перегреваемого пара, кг/ч;

c_Р = 2,01 кДж/(кг·К) - теплоемкость перегреваемого пара;

Т_П - температура водяного пара на выходе из пароперегревателя, К,

Т_S - начальная температура пара, К,

r - теплота парообразования воды при Т = 393 К и Р = 0,2 · 10⁶ Па, равная

2203 кДж/кг;

х - влажность пара при Т_S = 393 К (принимается равной 0,05 кг/кг).

Получим:

Q_П = 1650 · [2,01 · (513 - 393) + 2203 · 0,05] = 0,58 · 10⁶ кДж/ч = 161 кВт.

Следовательно:

Q_ПОЛЕЗ = 31,5 · 10⁶ + 0,58 · 10⁶ = 32,08 · 10⁶ кДж/ч = 8908 кВт.

Часовой расход топлива найдем по формуле:

кг/ч.

3. Расчет камеры радиации.

Поверхность нагрева радиантных труб:

,

где Q_Р - количество тепла, передаваемого сырью в радиантных трубах, кВт/м²;

q_Р - теплонапряженность радиантных труб, кВт/м².

Тепло, сообщаемое в печи сырью, будет равно прямой отдаче топки:

Q_Р = Q_С = 31,5 · 10⁶ кДж/ч = 8747 кВт.

Тогда из уравнения теплового баланса топки:

Q_Р = В · (· з_Т - q_Тп),

Определим энтальпию дымовых газов, покидающих топку:

q_Тп = · з_Т - Q_Р /В,

где з_Т - К.П.Д. топки, определим по формуле:

Тогда в расчете на 1 кг топлива:

q_Тп = 72558 · 0,96 - 31,5 · 10⁶ / 533 = 10556 кДж/кг.

По графику, (6, с.186) найдем, что энтальпии соответствует температура на выходе из топки Т_П = 800 К. Имея в виду, что печь предназначена для нагрева экстрактного раствора склонного к разложению, примем среднюю теплонапряженность поверхности экранных труб, q_Р = 14 кВт/м².

Поверхность экранных труб:

м².

Принимаем для проектируемой печи трубы диаметром d_Н = 158 · 8 мм с полезной (рабочей) длиной l_ТР = 9 м. С учетом особенностей крепления, трубы равны 10 м.

Тогда число труб будет равно:

Найдем диаметр печи по осям труб, принимая шаг труб S = 203 мм:

Принимая расстояние от оси трубы до стенки печи а = 1,5 · d_Н = 1,5 · 0,152 = 0,228 мм, определим внутренний диаметр печи:

Д_П = Д_О + 2а = 9,4 + 2 · 0,028 = 9,86 м.

Рассчитаем площадь поверхностей, ограничивающих топку (камеру радиации). Площадь пода печи:

F_П = 0,785 · = 0,785 · 9,86² = 76 м².

Площадь боковой (цилиндрической) поверхности печи:

F_Б = р · Д_П · l_ТР = 3,14 · 9,86 · 9 = 279 м².

Общая внутренняя поверхность камеры радиации:

УF_i = F_П + F_Б = 76 + 279 = 355 м².

4. Проверка скорости сырья на входе в змеевик печи.

Допустимое значение скорости движения сырья на входе в змеевик печи с учетом достаточного теплообмена и минимальных энергетических затрат на покачивание сырья находится в пределах 0,5 - 2,5 м/с.

Линейная скорость сырья:

,

где V_СЕК - секундный объем сырья, м³/с;

d_Н = 0,136 м - внутренний диаметр трубы.

Секундный объем сырья при температуре входа в змеевик печи T₁ = 473 К

найдем как сумму соответствующих объемов экстракта и растворителя:

,

где G₁ = 58022,8 кг/ч - количество НМП;

G₂ = 13879,2 кг/ч - количество экстракта, (берем из материального баланса);

с₁ = 938 кг/м³ - плотность НМП при Т₁ = 473 К.

с₂ = 893 кг/м³ - плотность экстракта при Т₁ = 473 К,

5. Расчет лучистого теплообмена в топке.

Целью этого расчета является подтверждение правильности выбора теплонапряженности радиантных труб при ранее найденной температуре дымовых газов в конце топки.

Определим эффективную лучевоспринимаемующую поверхность экрана:

Н_Л = к · Н_ПЛ,

где к - фактор формы, равный 0,88 двухстороннего облучения при S / d_Н =2;

Н_ПЛ - цилиндрическая поверхность, на которой расположены трубы;

Н_ПЛ = (Д_О + d_Н) · l_ТР = 3,14 · (9,4 + 0,152) · 9 = 270 м² .

F = УF_i - Н_Л = 355 - 237,5 = 117,5 м².

Определим эквивалентную абсолютно черную поверхность:

,

где - степень черноты поглощающей среды (факел, продукты сгорания);

ш (Т) - функция распределения температур в топке,

- степень черноты обмуровки камеры радиации (принимается равной

0,9),

г - коэффициент определяемый по формуле:

,

в которой р = Н_Л / УF_i = 237,5 : 355 = 0,67.

Степень черноты поглощающей среды находим по формуле:

Следовательно получим:

Н_S = 0,52 · (237,5 + 0,14 · 117,5) = 132 м².

Определим коэффициент теплоотдачи свободной конвекцией от газов к трубам экрана:

где и - температура наружной поверхности экранных труб. Без большой погрешности примем ее на 35 К выше средней температуры экстрактного раствора в трубах, т.е.

и = (Т₁ + Т₂) /2 + 35 = (473 + 543) / 2 + 35 = 543 К.

Тогда

= 8,2 Вт/(м²·К)

Проверим температуру дымовых газов, покидающих топку.

Находим температурную поправку к теплопередаче в топке по формуле

Белоконя:

где Т_МАКС - максимальная температура горения (в нашем случае при

q = 72558 · 0,96 = 69656 кДж на 1 кг топлива по рис. 2.21 (6, с.186)

Т_МАКС = 2300 К),

С_S - постоянная излучения абсолютно черного тела, равная 5,77 Вт/(м²·К);

Уmc_Р - суммарная теплоемкость дымовых газов при Т_П = 800 К, определим по формуле:

= 20,8 кДж/(кг·К).

Получим

К.

Находим величину аргумента излучения по формуле:

Получим

По графику (8, с.458) находим характеристику излучения в_S = 0,664.

Определим температуры дымовых газов на выходе из камеры радиации по формуле Белоконя:

Т_П = в_S · (Т_МАКС - ДТ) = 0,664 · (2300 - 1098) = 798 К.

Полученная температура практически соответствует ранее найденной, поэтому перерасчета не делаем, а выбранное значение q_Р считаем верным.

6. Расчет конвекционной камеры.

В конвекционной камере устанавливаем только пароперегреватель производительностью Z = 1650 кг/ч.

Расход тепла на перегрев составляет Q_П = 161 кВт.

Определим поверхность нагрева пароперегревателя (в м² ):

,

где k_П - коэффициент теплопередачи в пароперегревателе, Вт/(м²·К);

ДТ_СР - средний температурный напор в пароперегревателе, К;

Примем пароперегреватель с трубами диаметром 108 · 6 мм, длиной l_ТР = 2,5 м (длина, омываемая дымовыми газами). Расположение труб - коридорное, шаг труб по ширине пучка S₁ = l,5 · d_Н = 153 мм, шаг труб по глубине пучка (расстояние между рядами труб по вертикали) S₂ = 250 мм. В одном горизонтальном ряду принимаем n₁ = 12 труб.

При таком числе труб расстояние по осям крайних труб будет равно:

b_Т = (n₁ - 1) · S₁ = (12 - 1) · 153 = 1683 мм.

Коэффициент теплопередачи в пароперегревателе рассчитываем по формуле:

где б₁ - суммарный коэффициент теплопередачи со стороны дымовых газов,

Вт/(м²·К);

д_СТ = 0,006 м - толщина стенки трубы;

л_СТ - коэффициент теплопроводности стали;

б₂ - коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к водяному пару, Вт/(м²·К);

Суммарный коэффициент теплоотдачи со стороны дымовых газов:

б₁ =1,1 · (б_К + б_Л),

где б_К - коэффициент теплоотдачи конвекцией от газов к трубам, Вт/(м²·К);

б_Л - коэффициент теплоотдачи излучением трехатомных газов, Вт/(м²·К).

Коэффициент б_К определим по формуле:

где с = 0,26 - коэффициент для коридорного пучка труб,

в - коэффициент, зависящий от числа рядов труб в пучке, примем = 1;

л_r - коэффициент теплопроводности дымовых газов, Вт/(м²·К).

Критерии Rе и Рг в формуле вычисляются при средней температуре дымовых газов в камере конвекции (определяющий размер - наружный диаметр труб, скорость газов находится для самого узкого сечения пучка).

Определим наименьшую площадь свободного сечения для прохода дымовых газов:

f_r = (b_К - n₁ · d_Н) · l_ТР = [(n₁ - 1) · S₁ + 3 · d_Н - n₁ · d_Н] · l_ТР =

= [(11 - 1) · 0,153 + 3 · 0,102 - 11 · 0,102] · 2,5 = 1,785 м².

Определим линейную скорость дымовых газов в самом узком сечении трубного пучка:

,

где Т_СР = 0,5 · (Т_П - Т_УХ) = (800 + 673) 0,5 = 737 К - средняя температура

дымовых газов в конвекционной камере,

Имеем

м/с.

Для определения критериев Rе и Рг нужно вычислить для дымовых газов при Т_СР = 737 К кинематическую вязкость, плотность, теплоемкость, и коэффициент теплопроводности.

Расчеты сводятся в таблицу 18.

Таблица 18.

Результаты расчетов компонентов дымовых газов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Коэффициент динамической вязкости найдем по формуле:

где М_r, м_r - молекулярная масса и динамическая вязкость дымовых газов;

М_i -молекулярная масса дымовых газов;

м_i - динамическая вязкость дымовых газов;

х_iґ - объемные (мольные) доли компонентов в дымовых газов в их смеси.

Получим

Па·с

Плотность дымовых газов:

кг/м³.

Кинематическая вязкость дымовых газов:

м²/с.

Находим значения критериев:

Подставим все найденные величины в формулу

Вт/(м²·К);

Коэффициент теплоотдачи излучением от трехатомных газов найдем по формуле Нельсона:

б_Л = 0,025 · Т_СР - 9,3 = 0,025 · 737 - 9,3 = 9,1 Вт/(м²·К).

Тогда суммарный коэффициент теплоотдачи от дымовых газов будет равен:

б₁ = 1,1 · (19 + 9,1) = 30,9 Вт/(м²·К).

Коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к водяному пару найдем по формуле:

б₂ = ,

где T_Z - средняя температура перегреваемого пара, равная:

К;

щ_О - линейная скорость пара (приведена к температуре 273 К и давлению

0,1 · 10⁶ Па), м/с;

d_b = 0,09 м - внутренний диаметр трубы пароперегревателя.

Линейная скорость равна

,

здесь n₁ = 12 - число труб в одном горизонтальном ряду;

V_СЕК - секундный объем перегретого водяного пара, приведенный к н.у.;

м³/с.

Тогда

м/с.

Вычисляем

б₂ = Вт/(м²·К).

Коэффициент теплопередачи пароперегревателя равен:

= 17,5 Bт/(м²·K)

Определим средний температурный напор в пароперегревателе:

Теплообмен идет по схеме:

Т_П = 800 К Т_УХ = 673 К

Т_ПАР = 513 К Т_S = 393 К

ДТ_МАКС = Т_П - Т_ПАР = 800 - 513 = 287 К.

ДТ_МИН = Т_УХ - Т_S = 673 - 393 = 280 К.

При средний температурный напор определяется по формуле:

К.

Поверхность нагрева пароперегревателя:

м².

Число труб пароперегревателя:

Число горизонтальных рядов:

Примем пароперегреватель с тремя пучками коридорного расположения труб

7. Гидравлический расчет змеевика.

Целью расчета является определение гидравлического сопротивления змеевика печи. Давление на выходе из змеевика печи известно, в нашем случае

П_К = 0,26 · 10⁶ Па. В проектируемой печи происходит испарение растворителя N-метилпирролидона.

Давление сырья на входе в змеевик рассчитаем по формуле:

П_ВХ = П_К + ДР_И + ДР_Н + ДР_СТ ,

где ДР_И - потери напора на участке испарения, Па;

ДР_Н - потери напора на участке нагрева радиантных труб, Па;

ДР_СТ - статический напор, необходимый для подъема экстрактного

раствора в змеевике печи от уровня ввода его в печь до уровня

вывода из печи, Па.

Расчет начнем с определения потерь напора на участке испарения:

ДР_И = П_Н - П_К,

где П_Н - давление в начале участка испарения, Па.

Найдем эквивалентную (расчетную) длину радиантных труб:

L_Э = l_ТРґ · N_Р + ш · d_b · (N_Р1 - 1),

где l_ТРґ = 10 м - полная длина трубы;

N_Р1 = 78 - число радиантных труб в одном потоке;

ш = 50 - коэффициент, зависящий от вида соединения труб;

d_b = 0,136 м - внутренний диаметр радиантных труб.

L_Э = 10 · 78 + 50 · 0,136 · (78 - 1) = 1304 м.

Рассчитаем эквивалентную длину участка испарения по уравнению:

,

где = 852,7 кДж/кг - энтальпия N-метилпирролидона (НМП) в начале

участка испарения при Т = 493 К;

= 469,5 кДж/кг - энтальпия сырья на входе в печь при Т = 473 К;

- энтальпия сырья на выходе из печи равна:

= е · + (1 - е) · = 0,729 · 997 + (1 - 0,729) · 628,23 = 897 кДж/кг .

Тогда

= 135 м.

Давление в начале участка испарения определим по формуле Бакланова:

П_Н =

где П_К = 0,26 · 10⁶ Па - давление на выходе из змеевика печи;

А и В - расчетные коэффициенты;

Коэффициент А находим по формуле:

,

где л - коэффициент гидравлического сопротивления, равный для атмосферных

печей 0,020 - 0,024, примем 0,022;

L₁ - секундный расход сырья, кг/с;

с_ж = 878 кг/м³ - плотность сырья при средней температуре испарения.

Коэффициент В находим по формуле: ,

где е = 0,729 - массовая доля отгона растворителя;

с_П = 1/2000 = 0,0005 - средняя плотность паров;

Получим

Давление в начале участка испарения:

П_Н =

Вычислим потерю напора на участке испарения:

ДР_И = 0,62 · 10⁶ - 0,26 · 10⁶ = 0,36 · 10⁶ Па.

Потери напора ДР_Н на участке нагрева радиантных труб:

,

где л = 0,031 - коэффициент гидравлического сопротивления;

l_Н - эквивалентная длина участка нагрева радиантных труб по одному

потоку, равная l_Н ⁼ l_Э - l_И = 1304 - 135 = 1169 м;

d_b = 0,136 м - внутренний диаметр трубы;

u - массовая скорость сырья в трубах, кг/(м²·с);

с_ж = 888 кг/м³ при средней температуре на участке нагрева радиантных

труб Т_СР = 513 К.

Массовая скорость:

кг/(м²·с).

Подставим найденные величины в формулу для ДР_И:

ДР_И =

Определим статический напор, необходимый для подъема экстрактного раствора от уровня его ввода в змеевик печи до уровня вывода из печи по формуле:

ДР_СТ = Д_О · с_ж · g = 9,4 · 888 · 9,81 = 81,9 · 10³ Па.

Таким образом, давления сырья на входе в змеевик будет равно:

Р_ВХ = 360 · 10³ + 71 · 10³ + 81,9 · 10³ = 513 · 10³ Па = 0,51 · 10⁶ Па.

8. Расчет потерь напора в газовом тракте печи.

Общие потери по газовому тракту печи, или величина тяги дымовой трубы, рассчитываются по формуле:

ДР_ОБЩ = ДР_Р + ДР_К + ДР_Б + ДР_ТР ,

где ДР_Р - величина разрежения в камере радиации (принимается РР=19,62 Па);

ДР_К - потери напора в конвекции, Па;