Процессы и аппараты нефтегазо- переработки. процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии куиии д., Левеншпиль о

• Название: процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии куиии д., Левеншпиль о
• Анкор: Процессы и аппараты нефтегазо- переработки.docx
• Дата: 05.05.2018
• Размер: 2.36 Mb.
• Имя файла: Процессы и аппараты нефтегазо- переработки.docx
• Тип: Документы; #18896
• страница: 39 из 60

Gn^gn+1 + Д или а_п — g„₊₁ = D = const (XIV,20)

и по НКК

°_ау---е_п+1* + °у₀ (XIV,21)

Из уравнения (XIV,20) следует, что в концентрационной части колонны масса паров всегда больше массы флегмы, и массы обоих потоков изменяются в одном направлении. Поток паров как бы состоит из паров ректификата и сопутствующего потока паров, образованного испарившейся флегмой, которая вновь образуется при конденсации паров на следующей ступени контакта.

Уравнение (XIV,21) можно записать также в следующем виде:

ИЛИ


У


Sn+l

gtl+1 + О


D


gn+i + D


(XIV,23)

S_n+JD =(y_D — y)/{y—x) (XIV,22)

* + ■


R+1 ¹Я+1


(XIV,24)

Разделив числитель и знаменатель каждого слагаемого на Dи обозначив R = g,i+i/D — флегмовое число, получим

Это уравнение называется уравнением рабочей линии. Оно устанавливает связь между концентрациями потоков пара

кости £„₊₁ в любом произвольном сечении колонны. В координа-
тах х — у уравнение (XIV,24) представляет собой кривую линию
с тангенсом угла наклона R/(R + 1). При неизменной массе по-
тока флегмы g,_l+1 имеем уравнение прямой.

На диаграмме х—у (рис. XIV-2) можно установить характерные
точки, через которые проходит рабочая линия. Так, при х --- у„
получим, что у = y_D, т. е. рабочая линия проходит через точку D,
лежащую на диагонали диаграммы. Ее положение определяется
исключительно составом ректификата у_п и не зависит от массы
флегмы. Поэтому через точку D рабочая линия проходит незави-
симо от того, кривая она или прямая.

Координаты второй точки рабочей линии можно определить,
например, приняв х = 0. Тогда у = y_D/(R + 1) (точка В на ди-
аграмме). Как видно, положение точки В зависит от величины
флегмового числа R = g_n+l/D, т. е. в конечном итоге от массы
флегмы g_n+l. С увеличением флегмового числа точка В пе-
ремещается вниз, а рабочая линия приближается к диа-
гонали ОА. При R — > оо рабочая линия сливается с диаго-
налью.

Следует подчеркнуть, что уравнение рабочей линии связывает
неравновесные составы потоков в произвольном сечении ко-
лонны.

В случае изменения массы потока флегмы по высоте верхней
части колонны уравнение рабочей линии может быть построено
с использованием свойств энтальпийной диаграммы. Для верхней
части колонны (выше сечения 3—3 на рис. XIV-1) уравнение ра-
бочей линии запишется следую-

щим образом:

Ri ,


Ут


где


Ут —


Ri -И ^т

ОрУр + ^<9дг₁₁1/дг_о


Ri + 1


'•f + G


W„


и /?i = gjD.


Рис. XIV-2. Расположение рабочих линий на
диаграмме х — у:

/ — уравнение равновесия; 2 — рабочая ли-
ния верхней части колонны; 3 — рабочая ли-
ния нижней части колонны.


(XIV,25)


Gpljf + G\„y JV„


(XIV,26)


Пары G_m состава у_т, поступающие под нижнюю тарелку
концентрационной части колонны, образуются при смешении по-
тока паров G_F, испарившихся при ОИ сырья, и паров <Д/₀, по-
кидающих нижнюю часть колонны.

Уравнение рабочей линии нижней части колонны. Проанали-
зируем работу нижней части колонны, для чего рассмотрим по-

8п‘+1

и для НКК


(XIV,27) (XIV,28)


No

754. 
     G_n.-\W или g_n,_+l —G_n, = W = const 8n’+\ =^Gn-y+^Wx\v
     

токи ниже сечения 2—2 (см. рис. XIV-1). Уравнения материальных балансов имеют вид

Из этих уравнений следует, что в нижней части колонны масса потока флегмы больше массы потока паров, при этом массы обоих потоков могут изменяться только в одном направлении. Жидкость, стекающую с любой тарелки колонны, можно рассматривать состоящей из массы остатка W и сопутствующей флегмы, масса и состав которой равны массе и составу встречного потока паров G_n>.

или


G_n>-\- W


X


\v_Xw


(XIV, 29) (XIV,30)

755. 
     ^Gn’l^w =(^{х x}w)/(y -*)
     

Уравнение (XIV,28) после замены g_n’+\ потоками пара и остатка приведется к следующему виду:

Разделив числитель и знаменатель каждого слагаемого на W и обозначив Р -- G_n’!W — паровое число, получим

^ХУУ

р
(XIV,31)

Уравнение (XIV.3J) является уравнением прямой при G_tl■ = = const, тангенс угла наклона которой равен (1 + Р)/Р. На диаграмме х—у (рис. XIV-2) эта прямая проходит через характерные точки. Одна из этих точек W, имеющая координаты х = -= у x_w, находится на диагонали. При этом положение точки W не зависит от потока паров и флегмы. Другую точку, например С, можно найти при у = I, тогда х_с = (x_w -\ Р)/(1 + Р)

Положение точки С зависит от парового числа. При увеличении парового числа рабочая линия нижней части колонны перемещается ближе к диагонали ОЛ и при Р —• оо сливается с диагональю. Рабочая линия связывает составы неравновесных парового и жидкостного потоков, встречающихся на одном уровне. При изменении массы паров (флегмы) по высоте нижней части колонны уравнение рабочей линии можно построить с привлечением энтальпийной диаграммы.

^VU7


(XIV,32)

756. 
     ¹ + Р*.
     
757. 
     Уы_а — р ^Хт
     

Для всей нижней части колонны (ниже сечения 4—4 на рис. XIV-1) уравнение рабочей линии запишется в виде

Жидкость g_m состава х_т, поступающая на верхнюю тарелку отгонной части колонны, образуется при смешении жидкого остатка g_F, полученного при ОН сырья, и потока флегмы gy, стекающей с нижней тарелки концентрационной части колонны.

3. 
   ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ТАРЕЛОК ГРАФИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
   

3044. 
      Чтобы обеспечить заданное разделение смеси в колонне при определенном флегмовом и паровом числах, необходимо иметь соответствующее число тарелок, которое можно определить графическим методом с использованием диаграммы х—у. Для этого необходимо иметь кривую равновесия фаз и рабочие линии для обеих частей колонны (рис. XIV-3 и XIV-4).
      
3045. 
      Пусть требуется получить ректификат с содержанием НК.К Уп- Рабочая линия BD верхней части колонны проходит через точку D с координатами х = у = у₀■ Пары ректификата состава y_D были получены после прохождения паров, поднимающихся с верхней тарелки колонны, через парциальный конденсатор, где часть паров сконденсировалась, образовав поток флегмы g. Состав этой жидкости х’о находится в равновесии с парами ректификата и поэтому может быть найден при пересечении ординаты у_п с кривой равновесия (точка /). Абсцисса точки 1 равна хЬ ■ Поступившая на верхнюю тарелку концентрационной части колонны, имеющую
      
3046. 
      
      758. 
           
           
      759. 
           Рис. XIV-4 Графический расчет числа тарелок в отгонной части колонны.
           
      
      
      
3047. 
      номер N_K, жидкость состава х% будет контактировать с паром, поднимающимся с нижележащей тарелки. В результате образу- зуются потоки паров состава y_N и жидкости состава х_Мк. Составы x*_D и y_N относятся к встречным потокам и поэтому будут связаны уравнением рабочей линии. На рис. XIV-3 им отвечает точка 2. Ордината точки 2 определяет состав паров у_Ык.
      
3048. 
      Составы x_Nk и y_Nfi потоков, покидающих данную тарелку, находятся в равновесии, и следовательно, на диаграмме х—у представлены точкой 3, абсцисса которой равна х_Л,_к.
      
3049. 
      Далее жидкость состава x,_Vk встречается между тарелками М_к и N_K — 1 с парами состава у_Мк_х. Поэтому их составы будут взаимосвязаны уравнением рабочей линии (точка 4). Ордината точки 4 дает состав у_Ык^.
      
3050. 
      Продолжая аналогичные рассуждения, видим, что концентрации потоков паров и флегмы определяются при построении ступенчатой линии между кривой равновесия и рабочей линией: D, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10. Построение ее завершается, когда состав жидкости х_1у стекающей с нижней тарелки концентрационной части колонны, и состав паров у_т, поступающих из питательной секции, будут отвечать заданным. Составы этих потоков соответствуют уравнению рабочей линии (точка 10).
      
3051. 
      Нетрудно убедиться, что число ступеней между равновесной и рабочей линиями соответствует числу тарелок. В данном случае = 5.
      
3052. 
      Следует заметить, что первая ступень изменения концентраций D, 1, 2 связана с наличием парциального конденсатора. В случае других способов отвода тепла из верхней колонны эта ступень соответствует верхней тарелке колонны.
      
3053. 
      Из приведенного графического построения можно заключить, что число тарелок зависит от флегмового числа R -- gJD, т. е. от положения рабочей линии. Увеличение флегмового числа приближает рабочую линию к диагонали ОА, что связано с уменьшением числа тарелок. Наоборот, когда флегмовое число уменьшается, рабочая линия перемещается ближе к кривой равновесия, и число тарелок увеличивается.
      
3054. 
      Когда рабочая линия сливается с диагональю (R —» оо), число тарелок будет минимальным, обеспечивающим заданный состав ректификата y_D. При некотором минимальном количестве орошения R_mln (см. далее) число тарелок будет бесконечно большим.
      
3055. 
      Число тарелок в отгонной части колонны определяют аналогичными построениями (рис. XIV-4). Рабочая линия WC определяется положением точки W, имеющей координаты х = у — x_w. При подводе тепла Q_B Гв низ колонны образовавшиеся пары состава y'w будут находиться в равновесии с уходящим из колонны остатком состава х^. Поэтому указанные составы будут определяться кривой равновесия (точка 1). Ордината точки 1 равна yw-
      
3056. 
      Пары состава уЬ встречаются с жидкостью состава х\>, стекающей с нижней тарелки, т. е. они отвечают уравнению рабочей линии (точка 2). Абсцисса точки 2 дает состав флегмы Х\>. Жидкость состава х_г и пары у г, уходящие от нижней тарелки, находятся в'равновесии. Поэтому состав этих паров у_г определяется ординатой точки 3 на линии равновесия.
      
3057. 
      Проводя соответствующие построения, получим ступенчатую линию IV, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8. Координаты точки 8, лежащей на рабочей линии, определяют составы ^паров у^₀, поднимающихся с верхней тарелки отгонной части колонны, и жидкости х_т, стекающей из питательной секции. В данном случае число тарелок N₀ = 4. Необходимо отметить, что первая ступень изменения концентраций W, 1, 2 отвечает подводу тепла к жидкости, стекающей с нижней тарелки отгонной части колонны. При других способах подвода тепла эта ступень отвечает первой тарелке.
      
3058. 
      Приведенное построение показывает, ^что число тарелок в отгонной части колонны зависит от положения рабочей линии, г. е. от величины парового числа Р = GIW. При увеличении парового числа рабочая линия перемещается к диагонали, и число тарелок уменьшается. При Z³ —> оо рабочая линия сливается с диагональю, а число тарелок будет минимальным. При уменьшении парового числа рабочая линия приближается к кривой равновесия, что приводит к росту числа тарелок. При некотором значении P_mln (V₀ —> оо.
      

3. 
   СОПРЯЖЕНИЕ СОСТАВОВ ПОТОКОВ В ПИТАТЕЛЬНОЙ СЕКЦИИ
   

3059. 
      Схема потоков в питательной секции дана на рис. XIV-5. В питательной секции встречаются потоки сырья (в общем случае в парожидкостном виде), стекающей с нижней тарелки концентрационной части флегмы g₁ и поднимающихся с верхней тарелки отгонной части паров G_Nii. Эти потоки, смешиваясь, дают потоки паров G_m и жидкости g_m, поступающих в соответствующие секции колонны.
      
3060. 
      Из уравнения (XIV,25) рабочей линии для верхней части колонны или из уравнения (XIV,32) для нижней части колонны следует, что составы паров y_Nt и жидкости х_х лежат на одной прямой. При этом для нормального течения процесса ректификации должны выполняться следующие условия:
      
3061. 
      *1 >^xm>*F (XIV,34)
      
3062. 
      Ун„<Ут<У} <^XIV'³⁵)
      
3063. 
      Кроме того, из материального баланса процесса ОИ сырья следует, что
      
3064. 
      еур -I- (1 —е)Хр =X_F (XIV,36)
      
3065. 
      где е — Gf!F — доля отгона при вводе сырья в колонну.
      
3066. 
      Уравнение (XIV,36) называется линией сырья.
      
3067. 
      На рис. XIV-6 приведено построение составов потоков, проходящих через питательную секцию, что обеспечивает правильный переход от концентрационной части, колонны к отгонной при определении числа тарелок.
      
3068. 
      Рис. XIV-6. Графическое определение сопряженных составов в питательной секции колонны.
      
3069. 
      Прямая EFHG соответствует уравнению (XIV,36) при данной доле отгона сырья е. Пересечение линии сырья с линией равнове-
      
3070. 
      сия (точка Н) определяет составы потоков у} и х£, полученные при ОИ сырья. Эти составы определяют положение прямой ab. Пересечение линии сырья с диагональю определяет сырьевую точку F. Координаты точки d, лежащей на рабочей линии верхней части колонны, определяют концентрации х_у потока флегмы и у_т потока паров. Точка h, имеющая координаты и ун_а, должна находиться на прямой ab. Состав жидкости х_т, стекающей в нижнюю часть колонны, отвечает абсциссе точки е, находящейся на рабочей линии нижней части колонны WC.
      
3071. 
      Таким образом, переход от концентрационной к отгонной секции колонны осуществляется через точку h, находящуюся на линии ab.
      

3. 
   АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА
   

3072. 
      Расчет числа тарелок при бесконечном орошении. При флег- мовом и паровом числах, стремящихся к бесконечности, рабочие линии в обеих частях колонны сливаются с диагональю диаграммы х—у. В этом случае составы паровой и жидкой фаз, встречающиеся в любом сечении колонны, будут равны, т. е.
      
3073. 
      
      ^хп+1 — Уп
      (XIV,37)
      
3074. 
      а число тарелок будет минимальным и равным N_min. Для нахождения jV_mln рассмотрим изменение составов потоков фаз по тарелкам колонны (рис. XIV-7).
      
3075. 
      Пар состава yfo, покидающий кипятильник, находится в равновесии с жидким остатком состава x_w. Запишем уравнение равновесия в виде уравнения (XIII,30)
      
3076. 
      y*v!(} Ууу)^{=а x}w!{^^xw)
      
3077. 
      Между тем для любых двух смежных тарелок можно записать следующие соотношения: