Лабораторная работа. Исходной смеси,% масс. пропан 10 изобутан 15 нбутан 20 изопентан 30 нпентан 25. Заданное
 Скачать 7.21 Mb.
|
|
Введение Исходные данные Состав исходной смеси,% масс.: пропан – 10; изобутан – 15; н-бутан – 20; изопентан – 30; н-пентан – 25. Заданное содержание в дистилляте компонентов, % масс.: изопентан – 0,15; н-пентан –0,0. Заданное содержание компонентов в кубовом остатке, % масс.: пропан – 0,0; изобутан – 0,0; н-бутан – 0,2. Расход исходной смеси равен 24000 кг/ч. В данной работе необходимо: 1) Составить материальный баланс процесса. 2) Выбрать режим работы колонны, выбрать подходящие холодный и горячий хладагенты. 3) Рассчитать по уравнениям Андервуда и Фенске минимальное флегмовое число и число теоретических тарелок в колонне. 4) Оптимизировать флегмовое число по методу Джиллиленда и найти оптимальное число теоретических тарелок, соответствующее этому флегмовому числу. 5) Рассчитать средний коэффициент полезного действия тарелки и определить действительное число тарелок. 6) Составить тепловой баланс процесса и определить расход греющего пара в кипятильнике. 7) Выбрать тип тарелки, определить диаметр обечайки колонны и расстояние между тарелками. 8) Проверить гидравлическое сопротивление и откорректировать расстояние между тарелками и диаметр колонны. 9) Выполнить эскиз тарельчатой ректификационной колонны в масштабе. тарельчатая ректификационная колонна флегмовое 1. Краткая теория процесса ректификации Ректификация – процесс разделения бинарных или многокомпонентных паровых, а также жидких смесей на практически чистые компоненты или их смеси, обогащенные легколетучими или тяжелолетучими компонентами, процесс осуществляется в результате контакта неравновесных потоков пара и жидкости. В настоящее время ректификация многокомпонентных углеводородных смесей в простых колоннах является одним из самых распространённых процессов в нефтегазопереработке; сюда относится выделение лёгких углеводородов из смеси широких фракций (деметанизация, деэтанизация, стабилизация бензинов и газоконденсатов), получение технического пропана и бутана из широких фракций, разделение смеси бутанов, пентанов и т. д. Для заданного разделения смесей используют ректификационные установки, основным элементом которых являются ректификационные аппараты, представляющие собой ряд ступеней контакта, соединённых в противоточный разделительный каскад. Наиболее простое конструктивное оформление противоточного каскада в ректификационных аппаратах достигается при движение жидкости от одной ступени контакта к другой под действием силы тяжести [1, c. 12]. В зависимости от технологической схемы установки используются простые и сложные колонны, а также простые и сложные системы колонн. Простая ректификационная колонна имеет один сырьевой поток, два продуктовых потока, один теплоподвод и один теплосъём по концам аппарата или только один теплоподвод и один теплосъём. Для ректификации смеси на две фракции, обогащённые легко- и тяжелолетучими компонентами в заданном количестве или с заданным содержанием в них целевых компонентов применяется технологическая схема установки с полной ректификационной колонной. В таком аппарате сырьё подаётся в середину колонны, дистиллят, обогащённый легколетучими компонентами или фракциями, отбирается сверху, а остаток, обогащенный тяжелолетучими компонентами или фракциями, – снизу колонны. Секция колонны, расположенная выше ввода сырья, называется концентрационной или укрепляющей; секция, расположенная ниже ввода сырья, – отгонной или исчерпывающей [1, c. 13]. При отсутствии особых требований к качеству одного из продуктов применяют установки с неполными ректификационными колоннами: укрепляющими и отгонными. В укрепляющую колонну сырьё подаётся в паровой фазе под нижнюю тарелку, в отгонную – в жидкой фазе на верхнюю тарелку колонны. Ректификация смесей может осуществляться так же с водяным паром или инертным газом, которые подаются в нижнюю часть колонны наряду с подогревом или вместо подогрева остатка [1, c. 14]. Сложная ректификационная колонна имеет больше одного сырьевого и больше двух продуктовых потоков, а так же промежуточные теплоподводы и теплосъёмы. Применение сложных ректификационных колонн позволяет значительно уменьшить не только эксплуатационные, но и капитальные затраты за счёт улучшения термодинамических условий разделения, рациональной организации теплообмена, совмещения в одном аппарате нескольких технологических процессов и т. д. [1, c. 15]. Современные ректификационные аппараты можно классифицировать в зависимости от технологического назначения, давления и вида внутреннего устройства, обеспечивающего контакт пара и жидкости. По технологическому назначению ректификационные аппараты подразделяются на колонны атмосферно-вакуумных установок, термического и каталитического крекингов, вторичной перегонки нефтепродуктов, ректификации газов и т. д. В зависимости от применяемого давления аппараты подразделяются на вакуумные, атмосферные и работающие под давлением. В зависимости от внутреннего устройства различают аппараты тарельчатые, насадочные, роторные (с вращающимися деталями). В нефтяной, химической, нефтехимической и газовой промышленности наиболее широко распространены тарельчатые и насадочные колонны. Современные ректификационные аппараты должны обладать высокой разделительной способностью и производительностью, характеризоваться достаточной надёжностью и гибкостью в работе, обеспечивать низкие эксплуатационные расходы, иметь небольшую массу и быть конструктивно простыми и технологичными в изготовлении. Последние требования не менее важны, чем первые, поскольку они не только определяют капитальные затраты, но и в значительной мере влияют на эксплуатационные расходы, обеспечивают лёгкость и удобство изготовления аппаратов, их монтажа и демонтажа, ремонта, контроля, испытания, а так же безопасную эксплуатацию. Особое значение имеет надёжность работы ректификационной установки, производящей сырьё для нефтехимических процессов. Это объясняется тем, что установки стоят во главе целого нефтехимического комплекса, стоимость которого во много раз превышает стоимость самих установок [1, c. 17]. В современных ректификационных аппаратах применяются самые разнообразные конструкции контактных устройств. Они непрерывно совершенствуются, свидетельством чему – непрекращающийся поток научных исследований и патентных материалов [1, c. 18]. 2. Расчет материального баланса ректификационной колонны Материальный баланс составляется с целью определения количества и состава дистиллята и кубового остатка при заданной четкости разделения. Для дальнейшего расчета необходимо выбрать пару ключевых компонентов: легкий ключевой компонент – н-пентан, тяжелый ключевой компонент – бензол. В данном случае расчет материального баланса сводится к решению системы уравнений:   где  – количество исходной смеси (питания), кг/час; – количество кубового остатка, кг/час; – количество дистиллята, кг/час; – концентрация i-ого компонента в питании, мас. дол.; – концентрация i-ого компонента в дистилляте, мас. дол.; – концентрация i-ого компонента в кубовом остатке, мас. дол.При подстановке в систему уравнений известных величин она упрощается до вида: 2  4000 = W +D24000 · 0,10 = W · 0,0 + D · Х1D 24000 · 0,15 = W · 0,0 + D · Х2D 24000 · 0,20 = W · 0,2 + D · Х3D 24000 · 0,30 = W · Х4W + D · 0,15 24000 · 0,25 = W · Х5W + D · 0,0 D  = 10789,64W = 11225,61 Х1D = 0,2224 Х2D = 0,3336 Х3D = 0,4424 Х4W = 0,5438 Х5W = 0,4542 По рассчитанным значениям составов и количеств дистиллята и кубового остатка, а так же по известному составу питания составляем материальный баланс колонны, который представлен в таблице 1. Пересчет массовых долей в мольные осуществляется по формуле:  (1)где  концентрация i-го компонента в паровой фазе, мол. дол.; концентрация i-го компонента в паровой фазе, мас. дол.; молярная масса i-го компонента, кг/моль.Концентрация пропана в питании по формуле (1) равна: Упропан =  = 0,1425 моль. дол.Расчет содержания остальных компонентов смеси в питании, дистилляте, кубовом остатке аналогичен, результаты представлены в таблице 1. Таблица 1 – Материальный баланс процесса ректификации
3. Выбор технологических параметров процесса 3.1 Определение параметров конденсации В качестве хладагента задана промышленная оборотная вода, которая имеет начальную температуру 25 °С, конечную – 45 °С. По принятой температуре хладагента рассчитывается температура конца конденсации по уравнению: tкк = tха + (5-20), (1) где tха – конечная температура хладагента, °С. Согласно уравнению (1) температуру охлаждения (температура конца конденсации) принимают равной 50 °С. При выбранной температуре конца конденсации рассчитывают давление конденсации по уравнению изотермы жидкой фазы [1, с. 70]:  (2)где Рконд – давление конденсации, МПа; хDi – мольная доля i –го компонента в дистилляте; Рi0 – давление насыщенного пара i – го компонента. Давления насыщенных паров компонентов, входящих в смесь рассчитываем по уравнению.  , (3)где  п– давление насыщенного пара i-го компонента смеси при соответствующем значении температуры, атм (мм рт. ст.); , , – справочные коэффициенты уравнения Антуана, индивидуальные для каждого компонента; п–птемпература, при которой определяется давление насыщенного пара  -го компонента многокомпонентной смеси, оС.Коэффициенты уравнения Антуана для расчета давления насыщенных паров (  ) компонентов смеси представлены в таблице 2.Таблица 2 – Коэффициенты уравнения Антуана и давление насыщенных паров компонентов смеси при температуре конца конденсации tк.к =92,99°С. [2, с. 533]
Давление конденсации рассчитывается по уравнению (2) значения для расчета берем из таблиц 1 и 2: Рконд = (2,0560 · 0,9916) + (0,6302 · 0,0084) + (0,2709 · 0,0000) + + (0,2140· 0,0000) + (0,0361 · 0,0000) =2,0440 МПа. Температура начала конденсации рассчитывается по уравнению изотермы паровой фазы:  где УVi – мольная доля i – го компонента в папах в верху колонны; Кi – константа фазового равновесия i – го компонента.  – определяемая по формуле:К i =  (5)С помощью метода подбора средствами МS Excel настройки «Поиск решения» балы найдена температура tнк равная 60,65°С. Результаты расчета представлены в таблице 3. Таблица 3 – Результаты расчета температуры начала конденсации
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Компонент
Компонент