6.2.5.Расход флегмы по высоте колонны.
В ректификационной колонне на тарелках осуществляется контакт поднимающихся по колонне паров со стекающей жидкостью (флегмой). Флегма создается в результате того, что часть верхнего продукта простой колонны возвращается в жидком состоянии на верхнюю тарелку и стекает на нижележащие.
Расход водяного пара по высоте колонны К-2. |
|
Рис. 6.3. |
Отношение количества орошающей жидкости к количеству дистиллята данной простой колонны называется флегмовым числом. Чем выше флегмовое число, тем более высокой четкости ректификации удается добиться. При расчете колонны принимаем условно, что флегмовое число по высоте колонны одинаково и равно двум.
Тогда в нашем примере количество флегмы, стекающей с тарелки вывода фракции 290-3500С найдем из произведения:
= g290-350
×
2 = 12,6
×
2 = 25,2
кг.
Количество флегмы, стекающей с тарелки вывода фракции 230-2900С:
=
g230-290
×
2 = 14,1
×
2 = 28,2
кг.
Количество флегмы, стекающей с тарелки вывода фракции 180-2300С:
=
g180-230
×
2 = 11,5 ×
2 = 23,0 кг.
Количество флегмы в верху колонны:
=
g105-180
×
2 = 17,4 ×
2 = 34,8 кг.
6.2.6.Определение температуры нагрева сырья на входе в колонну.
Температуру нагрева нефти на входе в колонну К-2 определяем аналитическим методом. Для этого определяем температуру нагрева нефти, которая должна соответствовать необходимой массовой доле отгона сырья колонны в зоне питания. Под необходимой долей отгона (теоретической) нефти понимают сумму светлых в долях от единицы, которую определяют из материального баланса колонны.
В нашем примере теоретическая доля отгона (ет) будет следующей (см. табл. 6.5):
ет = 0,174 + 0,115 + 0,141 + 0,126 = 0,556.
В результате расчета необходимо определить температуру нагрева нефти, которая должна обеспечить величину фактической доли отгона равной или на 0,001 - 0,003 больше теоретической.
Температура нагрева нефти в печи перед колонной К-2 находится в пределах 340-3600С. Для определения температуры нагрева нефти необходимо рассчитать процесс однократного испарения сырья.
Расчет процесса однократного испарения сырья колонны удобнее вести для условий испарения в трубах печи, а не в питательной секции колонны. В этом случае следует принять давление на 0,03-0,04 МПа выше, чем в питательной секции.
В данном случае расчетное давление принимаем следующим:
Рр = Рвход + 0,03 = 0,166+0,03=0,196 МПа.
Для удобства продолжаем вести расчет на 100 кг сырья.
Разбиваем сырье колонны - отбензиненную нефть (или нефть) на узкие фракции (на 50-градусные). Чем больше узких фракций, тем точнее будет расчет.
При принятом давлении задаемся температурой нагрева нефти 3400С и методом подбора с использованием ПЭВМ находим молярную долю (ер), при которой соблюдаются равенства
,
,
где хi - молярная концентрация компонентов жидкой фазы;
уi - молярная концентрация компонентов паровой фазы;
ai - молярная концентрация компонентов сырья;
ер - молярная доля отгона;
Кi - константа фазового равновесия.
Зная молярную долю отгона рассчитываем массовую долю отгона из соотношения
,
где
- массовая доля отгона (расчетная);
Му - молярная масса паровой фазы;
Мс - молярная масса сырья.
Расчет доли отгона оформим в виде табл. 6.6. Пояснения к колонкам табл. 6.6.:
1 - Номер фракции.
2 - Пределы выкипания фракций, оС.
3 - Выход фракций (фактический) на сырье установки, % масс.
Фактический выход фракции на сырье установки рекомендуется определять по кривой фактического отбора (см. рис. 6.1).
4 - Выход фракций на сырье колонны, % масс. (Gi).
5 - Молярная масса фракции (Мi).
6 - Количество вещества фракций, кмоль/ч (Ni=Gi/Mi).
7 - Молярные концентрации компонентов сырья колонны (ai = Ni/SNi).
8 - Средняя температура кипения фракции, оС.
За среднюю температуру кипения фракции принимаем ее температуру 50 % выкипания по кривой ИТК (рис. 6.1).
9 - Давление насыщенных паров (ДНП) фракции, МПа (Рi).
Давление насыщенных паров фракции определяем по сетке Максвелла в зависимости от средней температуры кипения фракции и принятой температуры сырья на входе в колонну.
10 - Константа фазового равновесия (Кi).
Константу фазового равновесия определяют из соотношения
,
где Рi - давление насыщенных паров фракции, МПа.
Рр - общее давление (расчетное), МПа.
-
11 - (Кi - 1).
12 - [ер× (Кi - 1)].
13 - [1 + ер× (Кi - 1)].
Колонки 11-13 не заполняют при расчете на ПЭВМ.
14 -
.
15 - [yi = Ki×хi].
16 - [Mi×yi];
Mi
=
-
молярная масса паровой фазы.
17 -
- массовая концентрация компонентов
паровой фазы.
18 - [Mi×Хi];
Mi
=
-
молярная масса жидкой фазы.
19 -
- массовая концентрация компонентов
жидкой фазы.
20 -
- массовая концентрация компонентов
сырья.
21 - ri - плотность фракций, г/см3.
22 -
;
- величина объемов единицы массы жидкой
фазы;
23 -
;
- величина объемов единицы массы паровой
фазы;
24 -
;
- величина объемов единицы массы сырья.
Знание величин объемов единицы жидкости, паров и сырья позволяет определить их плотности из соотношений:
;
;
.
Молярную массу сырья находят по формуле
МС = GC/NC,
где GС - расход сырья (отбензиненной нефти) в колонну, кг (колонка 4);
NС - число молей сырья (колонка 6).
NС
=
Gi/Mi),
где Gi - расход компонента (фракции) сырья, кг; в нашем примере Gi = 100 кг (колонка 4).
Mi - молярная масса компонента сырья (колонка 5).
NС = 0,431 (колонка 6).
МС = 100 / 0,431 = 232,21.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАССЧЕТА ДОЛИ ОТГОНА:
-
Молярные концентрации
Константы фазового равновесия
0,193000
18,878000
0,186000
7,653000
0,156000
3,776000
0,135000
1,786000
0,076000
0,816000
0,066000
0,293000
0,056000
0,102000
0,026000
0,048000
0,105000
0,014000
1,000000
–
РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА НА ПЭВМ
Молярная доля отгона е = 0,714056 при 345оС и 0,196 МПа.
СОСТАВ ФАЗ
Номер компонента |
Жидкая фаза |
Газовая фаза |
1 |
0,0140 |
0,2644 |
2 |
0,0323 |
0,2471 |
3 |
0,0524 |
0,1979 |
4 |
0,0867 |
0,1548 |
5 |
0,0880 |
0,0718 |
6 |
0,1332 |
0,0391 |
7 |
0,1568 |
0,0160 |
8 |
0,0811 |
0,0039 |
9 |
0,3557 |
0,0049 |
Сумма молярных долей |
||
|
1,0000 |
1,0000 |
Таблица 6.6.
Определение молярной доли отгона отбензиненной нефти
на входе в колонну при температуре 345оС и давлении 0,196 МПа
доля отгона ер= 0,714056
-
№
п/п
Пределы выкипания фракции,0С
Выход фракций (фактический) на сырье установки, % масс.
Выход фракций на сырье колонны (Gi),
% масс.
Мi
,кмоль/ч
Средняя температура кипения,
оС
Давление насыщенных паров фракции при 355оС,
МПа
(Рi)
Кi-1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
1.
105-150
8,4
9,88
119
0,083
0,193
130
3,7
18,878
17,878
2.
150-200
10,4
12,24
153
0,080
0,186
176
1,5
7,653
6,653
3.
200-250
10,7
12,59
187
0,067
0,156
228
0,74
3,776
2,776
4.
250-300
10,5
12,35
212
0,058
0,135
277
0,35
1,786
0,786
5.
300-350
7,5
8,82
268
0,033
0,076
322
0,160
0,816
-0,184
6.
350-400
7,8
9,18
323
0,028
0,066
375
0,058
0,293
-0,707
7.
400-450
7,7
9,06
374
0,024
0,056
425
0,020
0,102
-0,898
8.
450-475
3,9
4,59
410
0,011
0,026
458
0,0095
0,048
-0,952
9.
475
18,1
21,29
470
0,045
0,105
510
0,0027
0,014
-0,986
Итого
-
85
100,00
0,431
1
Продолжение таблицы 6.6.
-
№
п/п
eр × (Ki-1)
1+eр × (Ki-1)
уi=Ki×хi
Mi×yi
Mi×хi
12
13
14
15
16
17
18
19
1.
12,766
13,766
0,0140
0,2644
31,5
0,1740
1,7
0,0046
2.
4,751
5,751
0,0323
0,2471
37,8
0,2090
4,9
0,0137
3.
1,982
2,982
0,0524
0,1979
37,0
0,2046
9,8
0,0272
4.
0,561
1,561
0,0867
0,1548
32,8
0,1814
18,4
0,0510
5.
-0,131
0,869
0,0880
0,0718
19,3
0,1064
23,6
0,0654
6.
-0,505
0,495
0,1332
0,0391
12,6
0,0698
43,0
0,1193
7.
-0,641
0,359
0,1568
0,0160
6,0
0,0331
58,6
0,1627
8.
-0,679
0,321
0,0811
0,0039
1,6
0,0089
33,2
0,0922
9.
-0,704
0,296
0,3557
0,0049
2,3
0,0127
167,2
0,4638
Итого
1,0000
1,0000
180,9
1,0000
360,4
1,0000
Продолжение таблицы 6.6.
-
№
п/п
ri
Паровая фаза
Жидкая фаза
кмоль
кг
кмоль
кг
20
21
22
23
24
25
26
27
28
1.
0,0988
0,7420
0,0062
0,2345
0,1332
0,0813
9,68
0,0017
0,21
2.
0,1224
0,7800
0,0176
0,2680
0,1569
0,0760
11,63
0,0040
0,61
3.
0,1259
0,8080
0,0337
0,2533
0,1558
0,0609
11,38
0,0065
1,21
4.
0,1235
0,8270
0,0616
0,2194
0,1494
0,0476
10,09
0,0107
2,26
5.
0,0882
0,8470
0,0772
0,1257
0,1042
0,0221
5,92
0,0108
2,90
6.
0,0918
0,8680
0,1375
0,0804
0,1057
0,0120
3,88
0,0164
5,30
7.
0,0906
0,8760
0,1857
0,0378
0,1034
0,0049
1,84
0,0193
7,22
8.
0,0459
0,8980
0,1027
0,0099
0,0511
0,0012
0,50
0,0100
4,09
9.
0,2129
0,9190
0,5047
0,0139
0,2317
0,0015
0,71
0,0438
20,59
Итого
1,0000
1,1270
1,2427
1,1913
0,3075
55,62
0,1231
44,38
Определяем массовую долю отгона отбензиненной нефти - сырья колонны К-2 при температуре 345оС и давлении 0,196 МПа.
= 0,714056× (180,9 / 232,21) = 0,556.
Массовая доля
отгона (
)
сырья основной колонны, полученная в
результате расчета, должна быть несколько
больше или равна теоретической доле
отгона
.
В данном примере
=0,556,
а
=0,556.
Следовательно температуру нагрева
сырья на входе в колонну определили
верно.
Проверку правильности расчета проводим, определяя плотность сырья колонны из соотношения
,
где
=
= 0,8047;
=
= 0,8873.
= 0,8394.
Определим плотность сырья по данным табл. 12.6 (колонка 24):
=
= 0,8394.
Полученное значение плотности сырья колонны и определенное ранее значение должны совпадать. В данном примере они совпадают.