++метод указания по КП 13.11.22 (1). Методические указания по выполнению курсового проекта по профессиональному модулю пм 02 Ведение технологического процесса на установках i и ii категории
 Скачать 0.63 Mb.
|
|
получаемых продуктов по известным данным о составах исходного сырья (питания), дистиллята и кубового остатка. Данные расчета материального баланса сводят в таблицу Таблица 3 – Материальный баланс Введем следующие обозначения: F – количество сырья, поступающего на ректификацию, кг/ч; D – количество дистиллята, кг/ч; W – количество кубового остатка, кг/ч; qF,1, qF,2,… qF,  …, qF,n – массовые доли компонентов в сырье; qD,1, qD,2,… qD, …, qD,n – массовые доли компонентов в дистилляте;qW,1, qW,2,… qW, …, qW,n – массовые доли компонентов в кубовом остатке.Запишем уравнения материального баланса колонны по потокам в целом и по каждому компоненту. F = D + W (1) F * qF,1 = D * qD,1 + W * qW,1, (2) F * qF,2 = D * qD,2 + W * qW,2, (3) ………………………………. F * qF,n = D * qD,n + W * qW,n, (4) При этом Σ qF, = 1, Σ qD, = 1, Σ qW, = 1.Подставляя в эти уравнения известные данные, можно определить количества каждого компонента в сырье, дистилляте и кубовом остатке. 5.3 Определение давления и температуры Давление и температура в колонне являются основными параметрами технологического режима. Чем выше принимается давление, тем больше должна быть и температура в колонне, так как с повышением давления увеличиваются температуры кипения и конденсации разделяемых смесей. При ректификации под атмосферным и повышенным давлениями рекомендуется принимать минимальное давление в колонне, при котором возможно проводить конденсацию верхнего продукта при помощи дешевых и доступных хладоагентов (например, воды),т.е.отдавать предпочтение более низким температурам верха колонны. Считается, что это давление будет близко к оптимальному, соответствующему минимальным затратам. При этом следует иметь в виду, что разность температур между хладоагентом и точкой полной конденсации дистиллятных паров должна быть такой, чтобы обеспечивать возможность эффективного теплообмена в конденсаторе. С этой целью температура полной конденсации паров принимается на 15-20°С выше температуры хладоагента. Давление, соответствующее принятой температуре конденсации, определяется по уравнению изотермы жидкой фазы, т е. из условия полной конденсации дистиллятных паров  (5)где  -мольная доля i-го компонента в дистилляте;Ki - константа фазового равновесия i-го компонента. Поскольку Ki является функцией от температуры и давления, то, закрепляя температуру конденсации паров t, можно подобрать давление P, при котором уравнение будет обращаться в тождество. Решение проводят методом последовательных приближений. Поэтому процедура решения достаточно трудоемка и при решении весьма эффективным сказывается применение вычислительных средств. После этого, учитывая гидравлические потери от колонны до емкости орошения, а также гидравлическое сопротивление тарелок, нетрудно определить давление вверху и низу колонны, и на тарелке питания. Температуру верха колонны можно определить, решая методом последовательности последовательных приближений уравнений изотермы паровой фазы:  (6) Где  - мольная доля i- го компонента в дистилляте.Аналогично можно найти температуру низа колонны, используя уравнение изотермы для кубовой жидкости  (7)Где  - мольная доля i- го компонента в кубовом остатке.5.4 Доля отгона и составы жидкой и паровой фаз сырья при подаче в колонну Исходное сырье (питание) может подаваться в колонну в виде жидкости насыщенного пара или пара - жидкостной смеси. В последнем случае приходится определять, какая часть сырья находится соответственно в жидкой и паровой фазах. Долю отгона (доли сырья, подаваемого в паровой фазе) можно определить аналитически по формулам предложенным Д. Трегубовым  (8,9)где Xfi-мольная доля i-компонента в исходном сырье; X'fi-мольная доля i- компонента в жидкой фазе на входе в колонну; Y’fi-мольная доля i-компонента в паровой фазе на входе в колонну; е-мольная доля отгона исходного сырья. Поскольку условия ввода сырья в колонну закреплены, из уравнения можно методом подбора определить и рассчитать составы жидкой и паровой фаз питания. Заметим, что если питание подается в колонну в виде жидкости при температуре, близкой к температуре кипения, то е равно нулю и  -,При этом из уравнения изотермы для жидкой фазы  (в точке начала кипения) или (если жидкость недогрета до кипения).Условие говорит о том, что паровой фазы питание не существует; все питания подаются в виде жидкости. Аналогично, если питание подается в колонну в виде насыщенного и перегретого пара, то  Перерасчет мольной доли отгона в весовую производится по формуле  (10)где  - весовая доля доля отгона, мольная Му - масса паровой фазы. подаваемая в колону; Мс - мольная масса исходного сырья. 5.5 Выбор ключевых компонентов При расчете ректификационных колонн для разделения многокомпонентных смесей широко используется понятие о ключевых компонентах. Ключевые компоненты в этом случае определяются как пограничные, между которыми и проводится разделение. При этом предполагается, что вез компоненты более легкие, чек легкий ключевой компонент, переходят в основном в дистиллят, а более тяжелые, чем тяжелый ключевой, в остаток. Сами же ключевые компоненты в заметных количествах присутствуют и в дистилляте, и в остатке. Выбор ключевых компонентов зависит в основной от четкости ректификации. При четкой ректификации, когда происходит почти полное разделение сырья на две части, наименее летучий компонент в дистилляте будет легким ключевым и наиболее летучий в остатке - тяжелый ключевым компонентом. Например, при стабилизации бензинов желательно иметь небольшое количество бутанов в остатке и пентанов в дистилляте. Эти компоненты, и являются соответственно легким и тяжелым ключевыми компонентами. 5.6 Определение флегмового числа Флегмовое число, или отношение количества горячего орошения к количеству дистиллята, вместе с числом тарелок является основным параметром, определяющим заданное разделение в процессе ректификации. При уменьшении флегмового числа Rтребуемое число тарелок в колонне увеличивается, и при некотором минимальном значении Rmin число тарелок, обеспечивающих заданное разделение смеси, возрастает до бесконечно большого. При бесконечном флегмовом числе,  т.е. когда нет отбора дистиллята, количество тарелок будет минимальным. Эти режимы работы колонн являются гипотетическими и на практике не используются, но они оказались удобными при создании расчетных процедур.Для расчета минимального флегмового числа при ректификации многокомпонентных смесей можно воспользоваться широко распространенными уравнениями Андервуда  (11) (12)где α1, α2 α3 – относительные летучести компонентов, взятые по наименьшему летучему компоненту питания при при температуре питания. Под относительной летучестью i-го компонента (αi) понимается величина  , где Кэ – константа фазового равновесия, принятого за эталон. Обычно за эталон принимается наименее летучий компонент.Тогда  , а значения всех  остальных компонентов - выше единицы.  мольные доли компонентов в питании;  - мольные доли компонентов в дистилляте; - величина, значение которой определяется из уравнения (12) методом последовательного приближения. Она находится между значениями относительной летучести легкого и тяжелого ключевых компонентов; е - мольная доля отгона в питании. При питании колонны кипящей жидкостью е=0 при питании насыщенным паром е = 1После определения по уравнение (12) значения Rmin для оценки оптимального (действительного) флегмового числа R можно воспользоваться рекомендациями Джиллиленда  (13)Для значения этого комплекса, равного 0,26. имеем  (14)5.7 Определение числа теоретических тарелок Под теоретической тарелкой понимается токая ступень контакта, на которой осуществляется изменение концентраций взаимодействующих фаз от рабочего до равновесного состояния. Таким образом, общее число теоретических тарелок будет характеризовать максимальную разделяющую способность колонны. Рекомендованные в литературе методы расчета ректификационных колонн могут быть разделены на три группы: I) основанные на выборе ключевых пар компонентов; 2) основанные на расчетах составов на всех тарелках колонны (расчеты "от тарелки к тарелке") и 3) смешанные методы. Наиболее простым являются первые, с помощью которых система так или иначе сводится к бинарной. Однако физически эти методы обоснованы недостаточно и дают, как правило, ориентировочные результаты. Потарелочные методы, наоборот, дают довольно правильное представление о распределении компонентов разделяемой смеси по высоте колонны и, таким образом, позволяют определить с достаточной точностью число тарелок, необходимое для требуемой степени разделения. Однако расчеты по этим методам очень громоздки особенно при числе компонентов в сырье больше пяти. Смешанные методы сочетают представление, о ключевых компонентах с истинными составами на тарелках колонны и учитывают влияние остальных компонентов на равновесие ключевых. Расчеты по смешанным методам проще, чем по потарелочным, и достаточно точны. Однако они не дают представления о распределении веществ во всей колонне. Остановимся на одном из наиболее распространенных эмпирических методов, основанных на выборе ключевых компонентов - методе Феноке-Джиллиленда. Расчет по методу Феноке – Джиллиленда Ориентировочный расчет числа теоретических тарелок по второму методу проводится с помощью графика Джиллиленда, по которому требуемое число теоретических тарелок определяется в зависимости от минимального числа теоретических тарелок Nmin и флегмовых чисел Rmin и R,определяемых по уравнениям (7,1) – (7,3). Расчетное минимальное число тарелок N1min может быть определено по формуле:  (15) Здесь  , - Отношение концентраций ключевых компонентов в дистилляте и кубовом остатке, соответственно: отношение констант фазового равновесия ключевых компонентов в дистилляте и кубовом остатке, соответственно. При полной конденсации паров в дефлегматоре и полном кипении жидкости в кипятильнике в кипятильнике минимальное число теоретических тарелок принимается равным расчетному, т. е. Nmin = N1min. При полной конденсации и неполном кипении Nmin = N1min – 1. При неполной конденсации и неполном кипении Nmin = N1min – 2. По найденным значениям Nmin, Rmin и R по графику определяется требуемое число теоретических тарелок в колонне N. При этом можно еще пользоваться таким эмпирическим приемом: общее число теоретических тарелок должно быть примерно вдвое больше минимального числа теоретических тарелок. Аналогичный расчет можно провести для укрепляющей части колонны, что позволяет определить тарелку питания в колонне. В этом случае в формуле члены и заменяются на и , выражающие отношение концентраций и констант фазового равновесия ключевых компонентов в питании. В ряде случаев расчеты проводятся при допущении о постоянстве коэффициентов летучести компонентов по высоте колонны, основанном на относительно малом влияние температуры на величину αi. Тогда знаменатель выражения значительно упрощается и может быть представлен в виде  где  - летучесть легкого ключевого компонента по отношению к тяжелому компоненту. Величину относительной летучести можно определять как среднее значение между летучестями в верху и в низу колонны.5.8 Определение числа реальных (действительных) тарелок Переход от теоретических тарелок к реальным осуществляется при помощи общего К.П.Д. тарелки Е. В некоторых случаях величину Е называют К.П.Д, колонны:  , (16)Где Ng – число реальных (действительных) тарелок в колонне. Общий К. П. Д. тарелки в процессах ректификации может изменяться в довольно широких размерах, и определяется он через эффективность одной тарелки (К. П. Д. по Мерфи Ем). В случае линейной равновесной зависимости значения Е и Ем связаны следующим соотношением:  (17)где m – тангенс угла наклона равновесной линии. Величина  изменяется обычно от 0,75 до 1,5 и поэтому в расчетах принимают Е = Ем.Для определения общего К. П. Д. барботажных тарелок можно использовать зависимость О Конелла: Е = 0,49 (Мж*α)-0,245, (18) где Мж – вязкость жидкости; α – относительная летучесть ключевых компонентов. Отметим, что вязкость смеси ключевых Углеводородов Мсм можно определять в зависимости от мольной концентрации их в смеси по правилу аддитивности:  (19)где Мi вязкость I – го компонента. При больших расходах жидкости или больших флегмовых числах для определения Е можно воспользоваться следующим уравнением: Е = 0,47(Мж*α)-0,245*(L/G)0,3*100,3hn (20) где L, G – нагрузки колонны по жидкости и пару, кг моль/час, соответственно: hn – высота сливной планки на тарелках, м. При длине пути жидкости на тарелке больше 0,9м рекомендуется значения Е, подсчитанные по уравнениям, корректировать в соответствии с данными, приведенными в таблице 4 Таблица 4 – Данные для корректировки
Для выбора значения общего к.п.д. тарелки можно рекомендовать также таблица 5, в которой приводятся основные показатели тарелок различных типов. Таблица 5 – Характеристика тарелок
|