Лабораторная работа. Исходной смеси,% масс. пропан 10 изобутан 15 нбутан 20 изопентан 30 нпентан 25. Заданное
 Скачать 7.21 Mb.
|
|
3.2 Определение параметров верха колонны Давление паров вверху колонны будет больше, чем давление конденсации, т. к. пары должны иметь напор для преодоления сопротивления шлемовой трубы и межтрубного пространства конденсатора. Этот напор принимают равным от 0,02 до 0,05 МПа. Для дальнейшей расчетов напор принимают равным 0,02 МПа. Давление паров вверху колонны определяется по уравнению Рv = Рконд + Ршл, (6) где Рv – давление паров вверху колонны, МПа; Рконд – давление конденсации, МПа; Ршл – напор для преодоления сопротивления шлемовой трубы, МПа. Тогда получают: Рv = 2,044 + 0,020 = 2,064 МПа. Задаются температурой верха колонны равной 60,0 0С с последующей проверкой. Константы фазового равновесия рассчитывают по формуле (5), где в качестве дистиллята подставляют давление паров вверху колонны, рассчитанных по уравнению (3) при температуре 60,0 0С с использованием данных таблицы 2 Температура паров вверху колонны рассчитывается по уравнению (4) с помощью метода подбора средствами МS Excel настройки «Поиск решения» температура составила 61,14 °С. Расчет приведен в таблице 4. Таблица 4 – Результаты расчета температуры паров вверху колонны
3.3 Определение параметров в питании колонны Давление в питании (зоне подачи сырья) рассчитываем по формуле: Pf = Pv + Pукр (7) где Рf – давление в зоне подачи сырья, МПа; Pv – давление паров вверху колонны, МПа; Pукр – гидравлическое сопротивление тарелки в укрепляющей части колонны, МПа. Гидравлическое сопротивление тарелок в укрепляющей части колонны рассчитывают по формуле [4, с. 244]: Рукр =  ·  , (8)где – число теоретических тарелок в укрепляющей части; – гидравлическое сопротивление тарелки, МПа.При таком давлении рассчитывается температура питания по уравнению изотермы жидкой фазы:  где Хfi мольная доля i – го компонента в питании; Кi – константа фазового равновесия. Гидравлическое сопротивление клапанной тарелки в зоне питания принимается равным 0,0006 МПа, количество тарелок 15 штук. Тогда давление в зоне подачи сырья по формуле (7,8) будет равно: Pf = 0,504 + 6 ·0,0003 = 0,5058 МПа. Константы фазового равновесия компонентов смеси рассчитывают по уравнению (5). Задаются температурой питания колонны равной 144,45 °С с последующей проверкой. Температуру питания (tf) уточняют с помощью уравнения изотермы жидкой фазы (9). Результаты расчёта представлены в таблице 5. Таблица 5 – Результаты расчёта температуры питания колонны. Температура питания 112,2 0С. Давление в зоне подачи сырья 2,0730 МПа
3.4 Определение параметров в кубовой части колонны Давление в кубовой части колонны рассчитывают по уравнению: Pw = Pf + Pисч, (10) где РW – давление в кубовой части колонны, МПа.; Pf – давление в зоне подачи сырья, МПа.; Рисч – гидравлическое сопротивление тарелки в исчерпывающей части колонны, МПа. Гидравлическое сопротивление тарелок в исчерпывающей части колонны рассчитывают по формуле [4, с. 244]: Рисч =  ·  , (11)где – число теоретических тарелок в исчерпывающей части; – гидравлическое сопротивление тарелки, МПа.При таком давлении рассчитывается температура питания по уравнению изотермы жидкой фазы:  где ХWi – мольная доля i – го компонента в кубовом остатке; Кi – константа фазового равновесия. Константы фазового равновесия компонентов смеси рассчитывают по уравнению (5). Гидравлическое сопротивление тарелок принимают равным 0,0006 МПа, а количество –15 штук. Тогда давление в кубовой части колонны по формуле (10, 11) равно: Pw = 2,0730 + 15 · 0,0006 = 2,0820 МПа. При таком давлении рассчитывается температура в кубовой части колонны по уравнению (12). Средствами МS Excel настройки «Поиск решения» найдена tW = 166,70 °С ,при которой  Результаты расчета представлены в таблице 6.Таблица 6 – Результаты расчета температуры в кубовой части колонны Температура в кубовой части колонны 166,70 0С. Давление в кубовой части колонны 2,0820 МПа
Исходя из значения температуры в кубовой части колонны, выбирают в качестве горячего теплоносителя (для кипятильника) водяной пар с температурой на 15 – 20 °С выше чем температура куба колонны. Тогда параметры водяного пара следующие [4, с. 550]: Давление – 1,00 МПа; Температура – 179,0 °С; Удельная теплота парообразования –2024 кДж/кг. Рассчитывают среднюю температуру в колонне: tср = (tV + tF + tW)/3 = (61,14 + 112,16+ 166,70)/3 = 113,33 0С 4. Расчет минимального флегмового числа и числа теоретических ступеней контакта Флегма необходима для создания эффективного контакта между жидкостью и паром на тарелках, не орошаемым жидким питанием колонны. Флегмовым числом (R) называют отношение количества флегмы к количеству дистиллята. R =  , (13)где R – флегмовое число; Ф – количество флегмы; D – количество дистиллята. Флегмовое число(R) и число тарелок(N) в колонне являются основными параметрами, определяющими качество разделения при ректификации. Численные значенияR иN показывают, на сколько легко разделяются целевые компоненты. При увеличении флегмового числа необходимое число тарелок уменьшается, и наоборот. Предельными значениями флегмового числа являютсяRminиR ͚. Оба этих значения являются крайними случаями и никогда не встречаются на практике. ПриRminдля достижения заданного качества разделения потребуется бесконечное число теоретических тарелок, приR ͚ потребуется минимальное число теоретических тарелок. Все методы расчета реальных флегмового числа и числа тарелок основаны на определении их минимальных значений. Заданное качество разделения может быть достигнуто при различных сочетанияхNиR. Выбор наилучшей парыN иR называется оптимизацией процесса ректификации или оптимизацией флегмового числа. На практике наиболее часто минимальное флегмовое число рассчитывают по уравнениям Андервуда [1]: Rmin + 1 =  (14)где Rmin – минимальное флегмовое число; xDi – мольная доля i – го компонента в дистилляте; Ɵ – вспомогательный коэффициент;  i – коэффициент относительной летучести i – компонента.1-q =  (15)где q – молярная доля жидкости в питании колонны (если питание в жидком виде, то q = 1); xFi – мольная доля i – го компонента в питании; Минимальное число теоретических тарелок определяют по уравнению Фенске отдельно для укрепляющей и исчерпывающей части[1].  , (16) , (17)где  – мольные доли легкого и тяжелого ключевого компонента в дистиллате соответственно; – мольные доли легкого и тяжелого ключевого компонента в питании соответственно; - мольные доли легкого и тяжелого ключевого компонента в кубовом остатке соответственно; ,  – минимальное число теоретических тарелок для укрепляющей и исчерпывающей части соответственно; укр, исч – коэффициенты относительной летучести при средних температурах в укрепляющей и исчерпывающей частях колонны соответственно. Он рассчитывается для каждой части по формуле:  , (18)где  ,  – давление насыщенного пара лёгкого и тяжёлого ключевых компонентов при средней температуре укрепляющей и исчерпывающей частей колонны, соответственно.При ректификации многокомпонентных смесей методика составления материального баланса колонны по внешним потокам будет различаться в зависимости от четкости разделения смесей. При четкой ректификации отдельные компоненты могут отсутствовать или быть в незначительных количествах в дистилляте и остатке. Для определения составов дистиллята и остатка используется понятие о ключевых компонентах. Ключевые компоненты в этом случае определяются как пограничные, между которыми производится заданное разделение – наименее летучий компонент в дистилляте будет легким ключевым и наиболее летучий в остатке – тяжелым ключевым компонентом. Ключевой парой являются пропан и н-бутан. Легкий ключевой компонент пропан, тяжелый н-бутан. Средняя температура колонны рассчитывается по уравнению: tср =  , (19)tср =  = 113,33 0ССредняя температура в укрепляющей и исчерпывающей частях колонны рассчитывается по формулам: tукр =  , (20)tукр =  = 86,65 °С.tисч =  , (21)tисч =  = 139,43 °С.При нахождении  методом подбора нужно учесть, что его значение будет находится между значениями коэффициента относительной летучести тяжёлого и лёгкого ключевых компонентов. Поэтому первоначально задаются θ = 1,01 и затем с помощью MS Excel надстройки “Поиск решения” находят истинное значение θ, таким образом, чтобы сумма в уравнении (15) была равна 0. В ходе расчёта величина θ получилась равной 1,3000Коэффициенты относительной летучести компонентов к тяжелому компоненту при средней температуре 113,33°С представлены в таблице 7. Таблица 7 – Относительная летучесть компонентов при средней температуре в колонне
Тогда минимальное флегмовое число, рассчитанное по уравнению (14) будет равно: Rmin =  Коэффициент относительной летучести для укрепляющей части колонны рассчитываем при tср.укр = 86,65°С по уравнению (18): укр = = 1,1188.Для исчерпывающей части колонны при tср.исч = 139,43°С: исч = = 1,0916.Минимальное число теоретических тарелок определяют по уравнению Фенске отдельно для укрепляющей и исчерпывающей части. Минимальное число теоретических тарелок для укрепляющей части колонны расчитываем по уравнению (16):  = 2,9647шт.Минимальное число теоретических тарелок для исчерпывающей части колонны рассчитываем по уравнению (17):  = 3,1081шт.Общее число теоретических тарелок составит: N = + = 2,9647 + 3,1081= 6,0729шт. |
Компонент