Proiect Ptm

1

UNIVERSITATEA DE PETROL ŞI GAZE DIN PLOIEŞTIFALCULTATEA TEHNOLOGIA PETROLULUI ŞI PETROCHIMIECATEDRA INGINERIA PRELUCRĂRII PETROLULUI ŞI PETROCHIMIE

PROIECT DE AN

PROCESE DE TRANSFER DE MASĂ

Student, Conducător,Şef lucrări dr. ing. Mihaela Petre

An V, grupa

PLOIEŞTI

1

PROIECTUL TEHNOLOGIC AL UNEI INSTALAŢII DE FRACŢIONARE

MULTICOMPONENT

1

CUPRINS

Date de proiectare

Schema tehnologică a instalaţiei

1. Calculul tehnologic pentru coloana 1 de fracţionare multicomponent

1.1 Bilanţul de materiale

1.2 Parametrii de operare

1.3 Numărul de echilibre teoretice necesare pentru prima coloană

1.4 Calculul diametrului si a înălţimii coloanei 1

1.5 Sarcina termică a condensatorului şi refierbătorului

2. Calculul tehnologic pentru coloana 2 de fracţionare multicomponent

2.1 Bilanţul de materiale


2.3 Numărul de echilibre teoretice necesare pentru a II-a coloană

2.4 Calculul fracţiei vaporizate

2.5 Calculul diametrului si al înălţimii coloanei 2

2.6 Sarcina termică a condensatorului şi refierbătorului

Anexă – Schema tehnologică automatizată a instalaţiei de fracţionare multicomponent

Bibliografie

1

DATE DE PROIECTARE

A)Alimentare:

Compozitia:

Component C2 C3 iC4 nC4 iC5 nC5

xfi,fr.mol 0,10 0,30 0,20 0,10 0,15 0,15

Debitul 13 t/an

Alimentarea primei coloane se va considera la punct de fierbere iar in coloana a doua va

fi partial vaporizata.

B)Conditii de operare:

Temperaturile din vasele de reflux : 40 oC

Distributia componetilor cheie:

Coloana I

Componeti cheie :usor iC4

greu nC4

Grade de recuperare : φcu = 0,94

φcg = 0,95

Coloana a II-a

Componeti cheie :usor nC4

greu iC5

Grade de recuperare : φcu =0,96

φcg =0,98

1

SCHEMA TEHNOLOGICĂ A INSTALAŢIEI DE FRACŢIONARE MULTICOMPONENT

1

CAPITOLUL I

CALCULUL TEHNOLOGIC AL PRIMEI COLOANE

1.1 Bilanţul termic

Unde fi, bi, di prezintă debitul parţial pentru componentul i în alimenare, în produsul de bază respectiv produsul de vârf, kmol/h.

Gradul de recuperare al componenţilor cheie:

Se consideră că toţi componenţi mai usori decât componentul cheie uşor se duc la vârful coloanei şi toţi componenţi mai grei decât componentul cheie greu se duc la produsul de bază.

Se prezintă în tabelul următor distribuţia aproximativă a componenţilor între vârf şi baza coloanei.

Tabel 1.1.1 Distribuţia componenţilor între vârf şi baza coloanei

1

ComponentAlimentare Produs distilat, D Produs de bază, B

xfi, fr. mol F∙xfi,kmol/h D∙xdi,kmol/h xdi, fr. mol B∙xbi, kmol/h xbi, kmol/hC2 0,10 23,55 23,55 0,169 0 0C3 0,30 70,65 70,65 0,506 0 0iC4 0,20 47,10 44,3 0,317 2,8 0,030nC4 0,10 23,55 1,15 0,008 22,4 0,234iC5 0,15 35,33 0 0 35,33 0,368nC5 0,15 35,33 0 0 35,33 0,368

Total 1,00 F=235,51 D=139,65 1,000 B=95,86 1,000


1.2.1.Temperatura si presiune în vârful coloanei:a) Presiune în vârful coloanei:

Ts = 40 oCPresiunea în vasul de separator se calculează considerăm lichid la punctul de fierbere şi

se aplică ecuaţia pentru amestec neideal. Calculul se efectuează prin încercări de presiunii, până când valorile constantelor de echilibru verifică ecuaţia punctului de fierbere. Constantele de echilibru s-au calculat cu program de calcul (PRO II).

Tabel 1.2.1 Calculul presiunii în vasul separator

Ps =18,1 bar

b) Temperatura la vârful coloanei : se determină considerând vapori la punctul de rouă şi se aplică ecuaţia punctului de rouă pentru amestec neideal.

Tabel 1.2.2 Calculul temperaturii în vârful coloanei

(datorită

consensării totale în vasul de refux)

Tv = 67,3 oC

1.2.2.Temperatura si presiune la baza coloanei:

a) Presiune la baza coloanei:

Comp xdi, fr. mol ∑Ki∙xdi=1C2 0,169 3,076 0,520C3 0,506 0,762 0,385iC4 0,317 0,294 0,093nC4 0,008 0,194 0,002

Total 1,000 - 1,000

Compfr.

molC2 0,169 4,867 0,035C3 0,506 1,346 0,376iC4 0,317 0,558 0,568nC4 0,008 0,382 0,021

Total 1,000 - 1,000

1

unde este numărul real de talere. Se presupune că prima coloana are 40 talere.

prezintă căderea de presiune în fiecare taler, luând valoarea 5 mbar.b) Temperatura la baza coloanei:Temperatura în baza coloanei se determină considerând lichid la punctul de fierbere şi

se aplică ecuaţia punctului de fierbere pentru amestec neideal.

Tabel 1.2.3 Calculul temperaturii în baza coloanei

3.2.3 Temperatura medie şi presiunea medie pe prima coloana

1.3 Numărul de echilibre teoretice necesare pentru prima coloanăNumărul de echilibre teoretice necesare se determină prin metoda Gilliland, în care

trebuie cunoscută valoarea numărului minim de talere şi a raţiei minime de reflux. Numărul minim de talere se calculează aplicând ecuaţia lui Fenske iar raţia

minimă de reflux se obţine folosind relaţia Underwood.Relaţia Fenske:

unde referă la volatilitate relativă a componentului i faţă de componentul

greu, se determină ca raportul între constantele de echilibru.

Se verifică distribuţia componenţilor externi uşori şi grei cu relaţia Geddes:

Tabel 1.3.1 Volatilitate relativă a componenţilor faţă de componentul cheie greu

Component Ki (Tm,Pm)

C2 8,076 8,944

Compxbi, fr. mol Ki (tB,PB)

iC4 0,030 1,936 0,058nC4 0,234 1,708 0,400iC5 0,368 0,776 0,286nC5 0,368 0,697 0,256

Total 1,000 - 1,000

1

C3 2,378 2,633iC4 1,108 1,227nC4 0,903 1,000iC5 0,406 0,450nC5 0,337 0,373

Numărul minim de talere :

Verificarea distribuţiei componenţilor externi între vârf şi bază:

Deci, s-a verificat distribuţia componenţilor în prima coloana. Toţi componenţi externi uşori şi grei sunt nedistribuiţi între vârful şi baza coloanei

Raţia minimă de reflux :

Relaţiile Underwood:

q - condiţia termică alimentării. q=1 datorită alimentării la punctul de fierbere.

1

Din prima ecuaţia se scoate valoare lui prin mai multe încercări ţinând cont că

. Se introduce valoarea obţinută în a doua ecuaţie şi astfel

se calculează raţia minimă de reflux.Se obţine valoarea θ=1,056Raţia minimă de reflux este:

Numărul de echilibre teoretice necesare

Din grafic Gilliland obţinem

Stabilirea poziţiei talerului optim de alimentare Pentru stabilirea talerului optim de alimentare la o coloană cu N talere teoretice se

foloseşte relaţia lui Kirkbride:

Unde : xfu, xfg reprezintă fracţiile molareale componenţilor cheie uşor, respectiv cheie greu în fluxul de alimentare;

n, m reprezintă numărul de talere teoretice din secţia de concentrare, respectiv secţia de stripare, iar N=n+m

1.4 Diametrul şi înălţimea primei coloane

1.4.1 Calculul diametrului

1

În cadrul acestui proiect, se calculează diametrele pentru coloane cu talere cu supape,de tip Glisch. Calculul care ţine cont de sarcina maximă de vapori şi sarcina de lichid, în zona superioară ca şi în zona inferioară.

Zona superioară

V = L + D

R =

Sarcina maximă de vapori:

yli=xdi datorită condensării totale la vârful coloanei

Se calculează volumul vaporilor corectat cu relaţia:

Din grafic funcţie de TV şi MV=ML → ρL=442 kg/m3

Sarcina maximă de lichid:

L=R∙D=3,664∙139,65=511,7 kmol/h

Diametrul coloanei cu talere Glisch se calculează cu relaţia:

1

Unde şi

NP = 1FÎ = 0,82 ( factor de înecare)FS =1 (factor de sistem, pentru hidrocarburi FS=1)

=0,45

s= 0,609 m (distanţa între 2 talere) (viteza vaporilor prin diversor)

Zona inferioară

Sarcina maximă de vapori: (datorită alimentării la punct de fierbere)

Sarcina maximă de lichid:L’ = L + qF = 511,7+1∙235,51=747,2 kmol/h

Bilanţ material în baza coloanei:

Tabel 1.4.1.1 Calculul masei moleculare medii pentru fluxul V’ şi L’

1

iC4 0,030 1,936 0,058 0,055nC4 0,234 1,708 0,400 0,379iC5 0,368 0,776 0,286 0,296nC5 0,368 0,697 0,256 0,270

Total 1,000 - 1,000 1,000

; CAF=0,46

Diferenţa între diametrele în zona superioară şi zona inferioară este mai mare decât 0,3 m. Deci, fiecare zonă se va construi cu diametrul său.

1.4.2 Calculul înălţimii primei coloane

Îv= 1,0 m ( înălţimea în vârful coloanei)Îb=1,0 m (înălţimea în baza coloanei)NTR - numărul de talere reale din coloană se calculează cu relaţia:

Unde: Em –eficacitatea medie globală se calculează cu relaţia O’Connell:

1

este viscozitatea fluxului de alimentare, se calculează funcţie de temperatura medie pe coloană (Tm=1020C) şi masa moleculară medie a fluxului de alimentare (Mf=55,2 kg/kmol) din grafice din literatură;

am reprezintă volatilitarea relativă medie a alimentării la Tm şi Pm pe coloanăam=2,437

1.5 Sarcina termică a condensatorului şi a refierbătorului

Din bilanţul termic în jurul condensatorului şi al vasului de reflux (contur 1,figura 1)

se determină sarcina condensatorului cu relaţia:

Pentru determinarea sarcinii refierbătorului se face bilanţ termic pe întreaga coloană (contur 2, figura 1):

Unde: QC - sarcina condensatorului, kcal/h; QR – sarcina refierbătorului, kcal/h;

- entalpiile de amestec ale fluxurilor respective în kcal/kmol pentru

calculul cărora s-au utilizat programe de calcul.

1

Capitolul II

Calculul tehnologic pentru coloana a II-a de fracţionare multicomponent

Produsul de bază din prima coloana se introduce în coloana adoua ca alimentare. Acesta când intră în coloana adoua, datorită diferenţei de presiuni între două coloane

1

, este parţial vaporizat. Deci, coloana adoua va avea condiţia termică a alimentării , care deosebeşte calculul tehnologic în coloana adoua cu prima în etapa de calculul diametrului coloanei.

2.1 Bilanţ material

Gradul de recuperare al componenţilor cheie:

Se consideră că toţi componenţi mai usori decât componentul chei uşor se duce la vârful coloanei şi toţi componenţi mai grei decât componentul chei greu se duce la produsul de bază.

Se prezintă în tabelul următor distribuţia aproximativă a componenţilor între vârf şi baza coloanei.

Tabel 2.1.1 Distribuţia aproximativă a componenţilor între vârf şi baza coloanei

ComponentAlimentare Produs distilat, D Produs de bază, B

xfi, fr. mol F∙xfi,kmol/h D∙xdi,kmol/h xdi, fr. mol B∙xbi, kmol/h xbi, kmol/hiC4 0,030 2,8 2,8 0,112 0 0nC4 0,234 22,4 21,5 0,860 0,90 0,013iC5 0,368 35,33 0,71 0,028 34,62 0,488nC5 0,368 35,33 0 0 35,33 0,499

Total 1,000 F2=95,86 D=25 1,000 B=70,90 1,000

1

2.2 Parametrii de operare2.2.1 Temperatura si presiunea în vârful coloanei:

a) Presiune în vârful coloanei:Ts = 40 oC

Tabel 2.2.1 Calculul presiunii în vasul separator

Ps =3,84 bar

b) Temperatura la vârful coloanei : se determină considerăm vapori la punctul de rouă şi si aplică ecuaţia pentru amestec neideal.

Tabel 2.2.2 Calculul temperaturii în vârful coloanei

(datorită

consensării totale în vasul de refux)

Tv = 44,7 oC

2.2.2 Temperatura si presiunea la baza coloanei:a) Presiune la baza coloanei:

Unde: este numărul real de talere. Se presupune că a II-a coloană are 20 talere

prezintă căderea de presiune în fiecare taler, luând valoarea 10 mbar.b) Temperatura la baza coloanei:

Se determină aplicând ecuaţia punctului de fierbere pentru amestec neideal.

Tabel 2.2.3 Calculul temperaturii în baza coloanei

2.2.3 Temperatura medie şi presiunea medie pe prima coloana

Comp xdi, fr. mol ∑Ki∙xdi=1iC4 0,112 1,285 0,144nC4 0,860 0,981 0,844iC5 0,028 0,437 0,012

Total 0 - 1,000

Compfr.

moliC4 0,112 1,307 0,086nC4 0,860 1,008 0,853iC5 0,028 0,457 0,061

Total 1,000 - 1,000

Compxbi, fr. mol

Ki (tB,PB)

nC4 0,013 2,687 0,031iC5 0,488 2,399 0,523nC5 0,499 1,071 0,446

Total 1,000 - 1,000

1

2.3 Numărul de echilibre teoretice necesare pentru coloana 2Numărul de echilibre teoretice necesare se determină prin metoda Gilliland, în care

trebuie cunoscută valoarea numărului minim de talere şi a raţiei minime de reflux. Numărul minim de talere se calculează aplicând ecuaţia lui Fenske iar raţia

minimă de reflux se obţine folosind relaţiile Underwood.Relaţia Fenske:

unde referă la volatilitate relativă a componentului i faţă de componentul

greu, se determină ca raportul între constantele de echilibru.

Se verifică distribuţia componenţilor externi uşori şi grei cu relaţia Geddes:

Tabel 2.3.1 Volatilitate relativă a componenţilor faţă de componentul cheie greu

Component Ki (Tm,Pm)

iC4 1,946 2,788nC4 1,730 2,479iC5 0,698 1,000nC5 0,606 0,868

Numărul minim de talere :

Verificarea distribuţiei componenţilor externi între vârf şi bază:

1

S-a verificat distribuţia componenţilor în coloana 2. Toţi componenţi externi uşori şi grei sunt nedistribuiţi între vârful şi baza coloanei.


Relaţiile Underwood:

q - condiţia termică alimentării. q≠1 datorită vaporizării în echilibru adiabatică

2.4 Calculul operaţiei de vaporizare în echilibru adiabatică

Produsul lichid la punct de fierbere de la baza coloanei 1 alimentează coloana 2. Deoarece coloana 2 opereză la presiune mai mică decât coloana 1 înseamnă că produsul de la baza ccoloanei 1 suferă o detentă, lichidul se vaporizează parţial până la stabilirea unui nou echilibru, respectiv la o nouă compoziţie şi o nouă temperatură. Acest proces este cunoscut în literatură sub numele de vaporizare în echilibru adiabatică. Ca urmare a schimbării gradului de vaporizare, a compoziţiei celor două faze în echilibru şi a temperaturii, în acest proces de vaporizare adiabatică trebuie determinate simultan două variabile: fracţia vaporizată şi temperatura finală.

Calculul operaţiei de vaporizare în echilibru adiabatică decurge astfel:1. Se presupune o temperatură t după detentă mai mică decât temperatura iniţială (tb1);

Se calculează temperatura de fierbere şi temperatura de rouă a amestecului la presiunea de după detentă şi în acest interval se fac presupuneri de temperatură;

2. Se calculează fracţia vaporizată e prin încercări succesive cu ecuaţia vaporizării în echilibru scrisă sub forma:

Unde: x0i reprezintă fracţiile molare ale produsului lichid în baza coloanei 1 (xbi);e - fracţia vaporizată;t - temperatura la care are loc vaporizarea în echilibru adiabatică;P - presiunea de după detentă (P2);Ki - constantele de echilibru ale componenţilor.

3. Se calculează compoziţiile celor două faze la echilibru xi, yi.

4. Se verifică temperatura t presupusă prin bilanţ termic pe operaţia de vaporizare adiabatică:

1

Unde: F – debitul molar înainte de operaţia de vaporizare în echilibru adiabatică (=B);L,V – debitele molare de lichid, respectiv de vapori după operaţia de vaporizare în

echilibru adiabatică şi care se calculează astfel:L =(1-e)F ; V=eF

tb1, t – temperaturile înainte de detentă, respectiv temperatura după detentă;hF, hL ,HV – entalpiile fluxurilor respective.

În cazul în care nici una din temperaturi nu verifică relaţia de bilanţ termic se procedează astfel: se reprezintă grafic cantităţile de căldură cu care nu se încheie bilanţul în funcţie de temperaturile respective presupuse şi prin interpolare grafică se determină temperatura care satisface bilanţul termic. Pentru această temperatură se aplică ecuaţia vaporizării în echilibru şi prin încercări succesive se determină fracţia vaporizată e.

La presiunea medie pe coloană de 4,1 bar s-au determinat cu ajutorul programelor de calcul: tf = 66,16 0C şi tr = 74,42 0C.

Pentru : L=77,93kmol/h

V=17,93 kmol/h

=2745,8 kcal/kmol

=7671,4 kcal/kmol

95,86∙6093=77,93∙2745,8+17,93∙7671,4584 075=351 528

Pentru : L=57,56 kmol/h

V=38,30 kmol/h

=2836 kcal/kmol

=7810 kcal/kmol

95,86∙6093=57,56∙2836+38,3∙7810584 075=462 363

Pentru : L=32,25 kmol/h

V=63,61 kmol/h

=2928 kcal/kmol

=7955 kcal/kmol

95,86∙6093=32,25∙2928+63,61∙7955584 075=600 446

Tabel 2.4.1 Calculul fracţiei vaporizate e

,

fr.

=4,34 bar =4,34 bar

1

Component mol,fr.mol ,fr.mol

iC4 0,030 2,140 0,025 0,054 2,234 0,020 0,045 2,328 0,016 0,037

nC4 0,234 1,901 0,200 0,380 1,983 0,168 0,333 2,069 0,137 0,283

iC5 0,368 0,787 0,383 0,301 0,830 0,395 0,328 0,875 0,401 0,351

nC5 0,368 0,676 0,392 0,265 0,705 0,417 0,294 0,737 0,446 0,329

Total 1,000 - 1,000 1,000 - 1,000 1,000 - 1,000 1,000

1

Fig.4 Reprezentarea grafică ∆Q=f(t) pentru determinarea temperaturii de alimentare

Din grafic rezultă

Pentru această temperatură s-au determinat:e=0,629L=35,61 kmol/hV=60,25 kmol/h

=2917 kcal/kmol

=7943 kcal/kmol

95,86∙6093=35,61∙2917+60,25∙7943

584 075=582 440

Eroare=0,28 %


Se calculează q=1-e, deci q=1-0,629=0,371Din prima ecuaţia se scoate valoare lui prin mai multe încercări ţinând cont că

. Se introduce valoarea obţinută în a doua ecuaţie şi astfel

se calculează raţia minimă de reflux.Se obţine valoarea θ=1,850

1

Raţia minimă de reflux este:

Numărul de echilibre teoretice necesare

Din grafic Gilliland obţinem

Stabilirea poziţiei talerului optim de alimentare Pentru stabilirea talerului optim de alimentare la o coloană cu N talere teoretice se

foloseşte relaţia lui Kirkbride:

Unde : xfu, xfg reprezintă fracţiile molareale componenţilor cheie uşor, respectiv cheie greu în fluxul de alimentare;

n, m reprezintă numărul de talere teoretice din secţia de concentrare, respectiv secţia de stripare, iar N=n+m

2.5 Diametrul şi înălţimea coloanei 2

2.5.1 Calculul diametrului În cadrul acestui proiect, se calculează diametrele pentru coloane cu talere cu

supape,de tip Glisch. Calculul care ţine cont de sarcina maximă de vapori şi sarcina de lichid, în zona superioară ca şi în zona inferioară.

Zona superioară

1

V = L + D

R =


yvi=xdi datorită condensării totale la vârful coloanei

Se calculează volumul vaporilor corectat cu relaţia:

Din grafic funcţie de TV şi MV=ML → ρL=558 kg/m3

Sarcina maximă de lichid:

L=R∙D=4,734∙25=118,4kmol/h

Diametrul coloanei cu talere Glisch se calculează cu relaţia:

Unde:

NP = 1FÎ = 0,82 ( factor de înecare)FS =1 (factor de sistem, pentru hidrocarburi FS=1)

=0,45

s= 0,609 m (distanţa între 2 talere)

1

(viteza vaporilor prin diversor)

Zona inferioară


Sarcina maximă de lichid:L’ = L + qF =118,4+0,371∙95,86=154 kmol/h

Bilanţ material în baza coloanei:

Tabel 4.7 Calculul masei moleculare medii pentru fluxul V’ şi L’

nC4 0,013 2,687 0,031 0,028iC5 0,488 2,399 0,523 0,512nC5 0,499 1,071 0,446 0,460

Total 1,000 - 1,000 1,000

1

; CAF=0,45

Diferenţa între diametrele în zona superioară şi zona inferioară este mai mică decât 0,3 m. În concluzie coloana 2 se va construi cu diametrul Dc inf= 0,840 m

2.5.2 Calculul înălţimii coloanei 2

Îv= 1,0 m ( înălţimea în vârful coloanei)Îb=1,5 m (înălţimea în baza coloanei)NTR - numărul de talere reale din coloană se calculează cu relaţia:

Unde: Em –eficacitatea medie globală se calculează cu relaţia O’Connell:

este viscozitatea fluxului de alimentare, se calculează funcţie de temperatura de alimentare în coloană (talim=72,15 0C) şi masa moleculară medie a fluxului de alimentare,din grafice din literatură;

am reprezintă volatilitarea relativă medie a alimentării la Talim şi P2 am=1,784

1

2.6 Sarcina termică a condensatorului şi a refierbătorului

Din bilanţul termic în jurul condensatorului şi al vasului de reflux (contur 1,figura 1)

se determină sarcina condensatorului cu relaţia:

Pentru determinarea sarcinii refierbătorului se face bilanţ termic pe întreaga coloană (contur 2, figura 1):

Unde: QC - sarcina condensatorului, kcal/h; QR – sarcina refierbătorului, kcal/h;

- entalpiile de amestec ale fluxurilor respective în kcal/kmol pentru

calculul cărora s-au utilizat programe de calcul.

1

ANEXĂ

1

Bibliografie

1. ***PRO/II, Reference Manual;

2. Marinoiu, V., Paraschiv, N., Automatizarea proceselor chimice, vol. 2, Editura Tehnică,

1992;

3. Şomoghi, V., ş.a., Proprietăţi fizice utilizate în calcule termice şi fluidodinamice, Editura

U.P.G., Ploieşti, 1997;

4. Strătulă, C., Fracţionarea. Principii şi metode de calcul, Editura Tehnică, Bucureşti,

1986;

5. Strătulă, C., ş.a., Caiet de grafice şi tabele pentru proiectare, vol.2, I.P.G., Ploieşti, 1979;

6. Strătulă, C., Vaporizarea şi condensarea- principii şi metode de calcul, Editura Tehnică,

Bucureşti,1988;

7. Suciu, G. C. (coordonator), Ingineria Prelucrării hidrocarburilor, vol. 1, Editura Tehnică,

Bucureşti, 1977;

8. Suciu, G. C. (coordonator), Ingineria Prelucrării hidrocarburilor, vol. 3, Editura Tehnică,

Bucureşti, 1987;

9. Taran, C., Strătulă, C., Procese difuzionalede separare, vol. 1, I.P.G., Ploieşti, 1979;

10. Taran, C., Strătulă, C., Procese difuzionalede separare, vol. 2, I.P.G., Ploieşti, 1979

Proiect Ptm

Documents