3.2 Подбор основного оборудования к технологической схеме

Основным оборудованием блока выделения ароматики С₈ является:

- ректификационная колонна К-1, оснащенная 180-ю клапанными тарелками и имеющая высоту 97100 мм, диаметр - 7050 мм;

- теплообменник горизонтальный Т-1, с неподвижной трубной решеткой диаметром 1200 мм;

- емкость для орошения Е-1;

- печь П-1 для поддержания теплового баланса;

- насос Н-1 для подачи сырья в колонну;

- насос Н-2 для подачи углеводородов в качестве орошения на первую тарелку;

- насос Н-3 для подачи продукта низа колонны в печь;

- насос Н-4 для подачи «горячей струи» в качестве теплового баланса.

4 Механический раздел

4.1 Определение диаметра колонного аппарата

Диаметр ректификационной колонны зависит от физических свойств разгоняемых жидкостей, производительности колонны по пару, четкости ректификации, конструкции устройств, обеспечивающих массообмен.

Выполним проверочный расчет диаметра колонного аппарата.

_{Рассчитали ректификационную колонну с колпачковыми тарелками при следующих исходных данных: нагрузка по пару: Gп = 220000 кг/ч; нагрузка по жидкости: Gж = 880000 кг/ч; плотность паров: ρп = 25 кг/м; плотность жидкости: ρж =880 кг/м.}

В качестве сырья ортоксилол от 110 до 120 ^оС, в качестве орошения – параксилол от 220 до 230 ^оС.

_{Предварительно принимаем расстояние между тарелкам Hт = 0,5м и коэффициент спениваемости φ = 0,9.}

Рассчитаем величину комплекса по формуле

, (4.1)

где G_ж - расход жидкой фазы, кг/ч;

G_п - расход орошения, кг/ч;

ρ_ж - плотность жидкой фазы, кг/м³;

ρ_п - плотность орошения, кг/м³.

Подставив исходные данные в формулу, получим

.

_{Скорость пара в рабочем сечении колонны рассчитаем по формуле}

, (4.2)

где С - коэффициент, зависящий от величины комплекса и высоты теоретической ступени, С = 0,07.

Подставив исходные данные в формулу, получим

м/с.

_{Объемный расход пара в колонне рассчитаем по формуле}

. (4.3)

Подставив исходные данные в формулу, получим

м³/с.

Рабочую площадь тарелки найдем по формуле

(4.4)

Подставив исходные данные в формулу, получим

м².

По данным таблицы 4 [4], полученной расчетным путем величине рабочей площади тарелки соответствует значение внутреннего диаметра колонного аппарата равного 7000 мм согласно ГОСТ 9617-76.

4.2 Подбор массообменных устройств

_{В данном колонном аппарате в качестве массообменных устройств используются клапанные однопоточные тарелки.}

Клапанные тарелки применяют в аппаратах с целью увеличения диапазона нагрузок по газу. Принцип работы таких тарелок основан на том, что отверстия, через которые проходит газ, перекрыты клапанами, степень открытия которых зависит от нагрузки по газу.

Клапанные тарелки - это тарелки с переменным проходным сечением газа или пара, которое изменяется с изменением нагрузки колонны по газу (пару). Клапаны представляют собой крышки той или иной конструкции, прикрывающие отверстия на тарелке под действием собственной массы и давления слоя жидкости. При малых нагрузках по газу клапан открывается незначительно и сечение для прохода газа также мало. По мере увеличения нагрузки клапан открывается сильнее, увеличивая свободное сечение для прохода газа (рисунок 4.1). Таким образом, скорость газа при различных нагрузках остается одинаковой, что обеспечивает устойчивую работу тарелки в широком диапазоне нагрузок без провала жидкости. Уровень жидкости на тарелке определяется высотой сливного порога над ней. Конструктивные особенности клапанных тарелок (рисунок 4.2) позволяют сохранять высокую интенсивность массопередачи почти во всем допустимом интервале изменения нагрузок колонны при приблизительной стабильности сопротивления тарелок.

Расстояние между клапанными тарелками в колонне устанавливается 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1,0 и 1,2 м. Шаг расположения клапанов на секциях - 50 мм. Площадь свободного сечения клапанных тарелок составляет от 8 до 15 % общей площади сечения колонны. Наиболее устойчивые в работе балластные клапаны, в которых легкий клапан помещен внутри более тяжелой балластной детали так, что при небольшие расходах газа поднимается лишь один легкий клапан, а при больших - вместе с балластной деталью.

Рисунок 4.1 - Конструкция тарелки с двумя зонами контакта фаз

Диаметр круглых отверстий в клапанных тарелках обычно равен 40 мм; диаметр клапана - 50 мм, толщина - 2 мм, масса - 30 г. В колоннах, работающих под атмосферным давлением, расстояние между центрами клапанов в 2 раза больше их диаметра, при избыточном рабочем давлении - в 3 - 4 раза.

Клапанные прямоточные тарелки типа ТКП применяют при атмосферном или повышенном давлении, изменяющихся нагрузках по пару (газу) и жидкости, а также при повышенных требованиях к качеству и четкости разделения смеси.

Технические характеристики одно - и двухпоточных клапанных тарелок приведены в табл. приложения. Преимуществами клапанных тарелок являются высокие относительные скорости газа (пара) и жидкости, обусловливающие высокую интенсивность массообмена, низкий перепад давлений на сухой тарелке, устойчивость рабочего режима в широком интервале изменения нагрузок по газу (пару). Отношение максимальной нагрузки к минимальной достигает 4 : 5. Промышленность выпускает клапанные тарелки размером от 1 до 7 м.

Рисунок 4.2 - Конструкция клапанной тарелки (а) и клапана (б)

4.3 Выбор конструкционных материалов и типа основных элементов колонного аппарата

От правильного выбора конструкционных материалов зависит долговечность и безопасность эксплуатации аппаратов и машин.

Выбор материала корпуса:

- среда - ароматические углеводороды;

- рабочее внутреннее избыточное давление Р_раб = 0,3 МПа;

Так как среда малокоррозионная, в качестве материала корпуса выбираем сталь 08Х13 - высоколегированная коррозионностойкая и жаростойкая сталь ферритного класса. Эта сталь обладает высокой стойкостью от разъедания кислот, щелочей, растворителей, обладает низкой стоимостью в отличие от других высоколегированных сталей [5].

Выбор материала опоры:

- среда - воздух;

- высота Н = 7000 мм.

В качестве материала опорной обечайки выбираем сталь Ст3 - менее дорогостоящую по сравнению с материалом корпуса.

Результаты выбора конструкционного материала элементов корпуса и опоры представлены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 - Результаты выбора конструкционного материала элементов корпуса и опоры

Корпус колонного аппарата		Опорная обечайка
Название среды в аппарате	Ароматические углеводороды
Воздействие среды	агрессивное	Воздействие среды	неагрессивное
Температура среды (рабочая), 0С	tраб =150	Температура среды, 0С	tраб =20
Температура наиболее холодной пятидневки, 0С	tх.п.=-37	Наличие переходного участка в опоре	да
Давление рабочее, МПа	Рраб =0,3	Материал переходного участка	09Г2С
Материал	08Х13	Материал опорной обечайки	Ст3

4.3.1 Обоснование выбора типа цилиндрической обечайки и выбора базового диаметра.

В зависимости от диаметра корпус колонного аппарата:

- может состоять из отдельных цилиндрических царг, соединенных между собой на фланцах - царговые: диаметром до 800 мм, под давлением до 1,6 МПа;

- может быть цельносварным - диаметром 1000 - 7000 мм и более под давлением до 16 МПа, при атмосферном давлении или под вакуумом с остаточным давлением не ниже 665 Па. Так как диаметр аппарата более 800 мм, а давление не превышает 16 МПа, то корпус аппарата выбирается цельносварного типа из листового проката, за базовый принимается внутренний диаметр из нестандартного ряда, равный 7500 мм.

4.3.2 Обоснование выбора типа и высоты опорной обечайки.

Колонные вертикальные аппараты могут устанавливаться на лапах, стойках и так называемых юбочных опорах - цилиндрических или конических.

Аппараты изготавливают на опорах - лапах для установки на перекрытиях в помещении. Высота расположения опор - лап для насадочных и тарельчатых колонных аппаратов определяется заказчиком.

Высоту обечайки опоры выбирают с учетом требований технологии (например, необходимой высоты столба жидкости в приемном трубопроводе откачивающего насоса) и условий эксплуатации.

Колонные аппараты диаметром 400, 600, 800 мм рекомендуется устанавливать на цилиндрические опоры высотой 1100 мм, диаметром 1000 - 3600 мм - на цилиндрические или конические опоры высотой 2000 - 3000 мм, если высота аппарата не превышает Нmax (максимальную высоту), указанную в таблице 4.2.

Таблица 4.2 - Максимальная высота колонных аппаратов

Диаметр D, мм	400–800	1000	1200–2200	2400–3600
Высота, макс.,м	20	23	30	50

Так как диаметр не попадает в диапазон указанный в таблице 4.2 - 7000 мм, высота колонны превышает максимально допустимое значение, с учетом выбора достаточно прочного конструкционного материала используя иные справочники, можно принять цилиндрическую опору высотой 7000 мм [6].

4.3.3 Обоснование выбора типа днищ.

Днища, как и обечайки, являются одним из основных элементов оборудования нефтегазовой отрасли. Цилиндрические цельносварные и царговые обечайки как горизонтальных, так и вертикальных аппаратов с обеих сторон ограничиваются днищами.

Днища бывают эллиптическими, полусферическими, в виде сферического сегмента, коническими и цилиндрическими отбортованными и не отбортованными, а также плоскими.

Полусферические днища рисунок, целесообразно применять в крупногабаритных аппаратах, подведомственных Ростехнадзору, диаметром более 4 м. Стальные полусферические днища изготавливают диаметром от 3,6 м до 12 м при толщине стенок 10 - 36 мм.

Сферические не отбортованные днища (в виде сферического сегмента) применяют главным образом в аппаратах, работающих под наливом, а также в виде составных частей отъемных крышек аппаратов, работающих под избыточным давлением до 1,6 МПа.

Так как диаметр колонного аппарата достигает 7000 мм, то остановим свой выбор на сферическом днище диметром 7050 мм и высотой 3525 мм.

4. Определение допускаемых напряжений материала корпуса и опорной обечайки для рабочих условий и условий испытаний

Расчет производится для двух условий: рабочих и условий испытаний на основании ГОСТ Р 52857.1 - 2007, ГОСТ Р 52857.2 - 2007.

Найдем допускаемые напряжения материала корпуса:

- для рабочих условий

= 153,3 МПа. (4.4)

- для условий испытаний

= МПа. (4.5)

Найдем допускаемые напряжения материала опорной обечайки:

- для рабочих условий

МПа. (4.6)

- для условий испытаний

МПа. (4.7)

При расчете колонного аппарата устанавливаются следующие расчетные сечения представленные на рисунке 4.3:

- для аппаратов постоянного сечения - (по диаметру и толщине стенки) - сечения Г - Г - поперечное сечение корпуса и опорной обечайки в месте их присоединения друг к другу;

- Д - Д - поперечное сечение опорной обечайки в местах расположения отверстий (в дипломном проекте в качестве данного сечения выбираем сечение приблизительно на половине высоты опорной обечайки, где расположен лаз);

- Е - Е - поперечное сечение опорной обечайки в месте присоединения нижнего опорного кольца (в дипломном проекте принимаем, что нижнее опорное кольцо присоединяется к фундаменту, который находится на одном уровне с землей).

Расстояние от земли до сечения Д - Д составляет 3600 мм, до сечения Г - Г - 7000 мм, а до сечения Е - Е принимаем равным 0.

Рисунок 4.3 - Расчетные сечения

4.4.1 Проверка прочности стенки корпуса аппарата.

Проверку прочности в соответствии со стандартом следует проводить для рабочего условия и условия монтажа в следующих расчетных сечениях:

в поперечном сечении, где корпус присоединяется к опорной.

Продольные (меридиональные) напряжения возникают от всех трех нагрузок Р_рас, F и Мυ и определяются на наветренной и подветренной сторонах соответственно по следующим формулам

, (4.7)

. (4.8)

Кольцевые (тангенциальные) напряжения возникают только от внутреннего (наружного) давления и рассчитываются по формуле

, (4.9)

где D_i – внутренний диаметр колонны в соответствующем расчетном сечении, мм;

S_i – исполнительная толщина стенки колонны в соответствующем расчетном сечении, мм;

С – сумма всех прибавок к расчетной толщине стенки, мм.

В формулы (4.7 - 4.13):

- при подставляются Р=Р₁, М=М₁, F=F₁;

- при подставляются Р₃=0, М=М₃, F=F₃.

Рассчитываются эквивалентные напряжения на наветренной и подветренной сторонах для и по формулам

(4.10)

(4.11)

Производится проверка прочности:

- на наветренной стороне по формуле

(4.12)

- на подветренной стороне по формуле

(4.13)

где [σ] - допускаемое напряжение для материала корпуса аппарата при расчетной температуре, МПа;

φ – коэффициент прочности сварного шва.

В случаях, когда или сжимающие напряжения, значение φ в формулах 4.12 и 4.12 принимают φ =1,0.

Если условия (4.12) и (4.13) не выполняются, то необходимо увеличить толщину стенки корпуса и повторить расчет.

Для рабочих условий напряжения, рассчитываемые по формулам (4.7), (4.8), (4.19), будут иметь следующие значения

.

МПа,

МПа

Проверка прочности

Таким образом, условия прочности для рабочих условий на наветренной и подветренной сторонах выполняются.

Для условий монтажа напряжения, рассчитываемые по формулам

.

Проверка прочности

Таким образом, условия прочности для условий монтажа на наветренной и подветренной сторонах выполняются.

4.4.2 Результаты проверки прочности стенки корпуса.

Результаты проверки прочности стенки корпуса колонного аппарата в сечении Г-Г представлены в таблице 4.3.

Таблица 4.3 - Результаты проверки прочности стенки корпуса колонного аппарата

Параметр	Рабочее условие (υ = 1)	Условие монтажа (υ = 3)
Расчетное сечение	Г - Г	Г - Г
Расчетное давление, МПа	Р tрас =0	Р tрас =0
Расчетный изгибающий момент, Н мм	М1 =27030457	M3 =279955,2194
Осевая сжимающая сила, Н	F1=2168802	F3=101680,9
Исполнительная толщина стенки корпуса, Sгост , мм	Sгост = 24	Sгост = 8
Допускаемое напряжение материала корпуса,МПа	[ ]t кор = 171	= 250
Допускаемое напряжение для материала опоры, МПа	[ ]t оп= 196	= 250

4.4.3 Проверка устойчивости стенки корпуса колонного аппарата.

Для аппаратов, работающих под внутренним избыточным давлением, и аппаратов, работающие без давления проверку устойчивости для рабочих условий и условий испытаний следует проводить по формуле

, (4.14)

где [F] - допускаемое осевое сжимающее усилие, соответственно, для рабочих условий или условий испытаний Н;

[M] - допускаемый изгибающий момент, Н·мм, соответственно, для рабочих условий или условий испытаний;

F - осевое сжимающие усилие, Н, соответственно, для рабочих условий или условий испытаний;

M - расчетный изгибающий момент в сечении Г - Г, Н·мм, соответственно, для рабочих условий или условий испытаний.