Ректификационная колонна
Исходные данные
1. Состав сырья (мол.%): СН4– 39,6; С2Н4– 19,7;С2Н6– 14,7; С3Н8– 5,3;С3Н10– 0,3; н-С4Н10 – 1,7; н-С5Н12– 5,3;С6Н6– 0,13; С7Н8– 0,01
2. Содержание этана в дистилляте, % мол.– 8,73
3. Содержание этана в остатке, % мол. – 27,17
4. Производительность по сырью, кг/ч – 44601
Последовательность расчёта колонны.
1. По заданной производительности и составу сырья определяем массовые и мольные количества всех компонентов.
2. Из уравнений материальных балансов всего объёма колонны, записанных по общему количеству потоков и по каждому компоненту, определяем количества и составы дистиллята и остатка.
Расчёт массовых и мольных количеств всех компонентов сырья приведен в табл. 6.2
Таблица 6.2
|
№ п/п |
Наименование |
Состав сырья % мол |
состав сырья % масс |
Мол. масса Mi |
Мольная доля c”i |
Mi c”i |
Состав сырья в мас. долях ci= Mi c”i /Mic”ii |
Количество в сырье | |
|
кг/час |
кмоль/ч | ||||||||
|
1. |
водород |
13,3 |
1,3 |
2 |
0,133 |
0,266 |
0,01130328 |
579,81 |
289,91 |
|
2. |
Метан |
39,6 |
30,9 |
16 |
0,396 |
6,336 |
0,26924352 |
5782 |
861,36 |
|
3. |
Этилен |
19,7 |
26,9 |
28 |
0,197 |
5,516 |
0,23439824 |
3998 |
428,49 |
|
4. |
Этан |
14,7 |
21,5 |
30 |
0,147 |
4,41 |
0,18739961 |
4589,2 |
319,64 |
|
5. |
Пропен |
5,3 |
10,9 |
42 |
0,053 |
2,226 |
0,09459218 |
3861,5 |
115,75 |
|
6. |
Пропан |
0,3 |
0,7 |
44 |
0,003 |
0,132 |
0,00560924 |
312,21 |
7,1 |
|
7. |
Углеводороды С4 (н-бутан) |
1,7 |
4,9 |
58 |
0,017 |
0,986 |
0,04189932 |
2185,5 |
37,68 |
|
8. |
Углеводороды С5 |
5,3 |
2,3 |
72 |
0,053 |
3,816 |
0,16215803 |
1025,8 |
114,25 |
|
9. |
Бензол |
0,13 |
0,5 |
78 |
0,0013 |
0,1014 |
0,00430892 |
161,49 |
2,86 |
|
ИТОГО |
100,0 |
|
- |
1,0000 |
23,533
|
1 |
22183,1 |
2177,52 | |
Количество и состав дистиллята и остатка.
Расчёт производится на 100 кмоль сырья. Составы изображены в мольных долях. Условно принимаем, что содержание Н2 в остатке, а С2Н6 – С6Н6 в дистилляте равно нулю.
Т.е. х”R1,R2= 0; y”D(4÷10)= 0 (здесь и дальше х” и y” – мольные доли компонентов соответственно в жидкости и парах, индекс R относится к остатку, индекс D – к дистилляту, индекс 1,2,3… - соответственно к водороду, метану, этану и т.д., индекс G – к сырью).
Запишем уравнение материального баланса для всей колонны по общему количеству молей потоков и по каждому компоненту:
G = D + R
Gc’1 = D*y’D1 + R*x’R1
Gc’2 = D*y’D2 + R*x’R2
Gc’3 = D*y’D3 + R*x’R3
Gc’4 = D*y’D4 + R*x’R4
Gc’5 = D*y’D5 + R*x’R5
Gc’6 = D*y’D6 + R*x’R6
Gc’7 = D*y’D7 + R*x’R7
Gc’8 = D*y’D8 + R*x’R8
Gc’9 = D*y’D9 + R*x’R9
Подставляя в эти уравнения известные нам величины
308,985*0.017 = D*y’D1 + (308,985-D)*0 (2’)
308,985*0.054 = D*0,029 + (308,985-D)*x’R2 (3’)
308,985*0.017 = D*0 + (308,985-D)*x’R3 (4’)
308,985*0.631 = D*0 + (308,985-D)*x’R4 (5’)
308,985*0.054 = D*0 + (308,985-D)*x’R5 (6’)
308,985*0.207 = D*0 + (308,985-D)*x’R6 (7’)
308,985*0.018 = D*0 + (308,985-D)*x’R7 (8’)
Суммируя (3’) - (8’) получаем:
303,670 = D*0,029 + (308,985 – D) *(x’R2 + x’R3+ x’R4+ x’R5+ x’R6+ x’R7+ )
но по условию разделения известно, что
x’R2 + x’R3+ x’R4+ x’R5+ x’R6+ x’R7 = 1
Следовательно:
303,670= 0,029*D + 308,985 – D
Откуда:
D = 5,475 кмоль/час, а
R = 308,985-5,475 =303,510 кмоль/час
Аналогично находим мольные доли остальных компонентов в жидкости:
y’D1 = 13,3: 21,9 = 0,607 (6.15)
y’D2 = 39,6: 21,9 = 1,808, (6.16)
y’D2 = 19,7: 21,9 = 0,900 (6.17)
y’D3=0,087 (6.18)
x’R4 = (18,739961– 21,9 * 0,087) : 78,1= 0,22 (6.19)
x’R5 = 9,459218: 21,9 = 0,43 (6.20)
x’R6 = 5,60924: 21,9 = 0,26. (6.21)
x’R7 = 4,189932: 21,9 = 0,19 (6.22)
x’R8 = 16,215803: 21,9 = 0,74 (6.23)
x’R9 = 4,30892: 21,9 = 0,197. (6.24)
x’R10 = 0,39095: 21,9 = 0,018 (6.25)
Далее находим:
R
x’R4
= 78,1*
0,087=
6,79, (6.26)
R
x’R5
= 78,1*
0,43= 33,58. (6.27)
R
x’R6
= 78,1*
0,26= 20,306, (6.28)
R
x’R7
= 78,1*
0,19= 14,84, (6.29)
R
x’R8
= 78,1*
0,74= 57,79, (6.30)
R
x’R9
= 78,1*
0,197= 15,39, (6.31)
R
x’R10
= 78,1*
0,018= 1,41, (6.32)
Данные о составе и количестве дистиллята и остатка в молях сведём в табл. 6.3, а массовые количества и состав дистиллята и остатка – в табл. 6.4 и 6.5 соответственно.
Состав и количество дистиллята и остатка
Таблица 6.3
|
Компоненты |
Сырьё, моль |
Дистиллят D
|
Остаток R | ||
|
D |
y’Di=x”Di |
R |
x ’Ri | ||
|
Водород, Н2 |
13,3 |
13,3 |
0,607 |
- |
0 |
|
Метан, СН4 |
39,6 |
39,6 |
1,808 |
- |
0 |
|
Этилен, С2Н4 |
19,7 |
19,7 |
0,900 |
- |
0 |
|
Этан, С2Н6 |
14,7 |
0,327 |
0,087 |
6,79 |
0,22 |
|
Пропилен, С3Н6 |
5,3 |
- |
0 |
33,58 |
0,43 |
|
Пропан, С3Н8 |
0,3 |
- |
0 |
20,306 |
0,26 |
|
Н-бутан,С4 Н10 |
1,7 |
- |
0 |
14,84 |
0,19 |
|
Н-пентан, н-С5 Н12 |
5,3 |
- |
0 |
57,79 |
0,74 |
|
бензол,С6 Н6 |
0,13 |
- |
0 |
15,39 |
0,197 |
|
Толуол С7 Н8 |
0,01 |
- |
0 |
1,41 |
0,018 |
|
ИТОГО |
100 |
72,6517 |
1 |
150,106 |
|
x’Di,
моль
x’Ri,моль
Для пересчёта в массовые доли используются известные зависимости.
Таблица 6.4
Массовое количество и состав дистиллята D, поток №14
|
№ п/п |
Наименование |
Состав, % мол. |
Мол. масса Mi |
Мольная доля c”i |
Mi c”i |
Состав сырья в мас. долях ci= Mi c”i /Mic”ii |
Количество в дистилляте | |
|
кг/ч |
% масс. | |||||||
|
1 |
Водород |
18,3 |
2 |
0,183 |
0,366 |
0,02191092 |
4823,8434 |
18,3 |
|
2 |
Метан |
54,5 |
16 |
0,545 |
8,72 |
0,52203064 |
14366,091 |
54,5 |
|
3 |
Этилен |
27,1 |
28 |
0,271 |
7,588 |
0,45426245 |
7143,5058 |
27,1 |
|
4 |
этан |
0,087 |
30 |
0,00100001 |
0,03000023 |
0,00179599 |
26,36 |
0,087 |
|
ИТОГО |
100 |
- |
1,0 |
16,704 |
1,0000 |
26359,8 |
100 | |
Таблица 6.5
Массовое количество и состав остатка R, поток №17
|
№ п/п |
Наименование |
Состав, % мол. |
Мол. масса Mi |
Мольная доля c”i |
Mi c”i |
Состав сырья в мас. долях ci= Mi c”i /Mic”ii |
Количество в дистилляте | |
|
кг/ч |
% масс. | |||||||
|
1 |
Этан |
53,207 |
30 |
0,53207 |
15,9621 |
0,39810428 |
9705,59528 |
53,207 |
|
2 |
Пропилен, |
19,31 |
42 |
0,26651 |
11,193507 |
0,27917273 |
4861,5 |
19,31 |
|
3 |
Пропан |
1,09 |
44 |
0,01711 |
0,7530886 |
0,01878248 |
312,21 |
1,09 |
|
4 |
Н-бутан |
6,195 |
58 |
0,11981 |
6,9490494 |
0,17331343 |
2185,5 |
6,195 |
|
5 |
Н-пентан |
17,31 |
72 |
0,05623 |
4,0489441 |
0,10098308 |
1025,8 |
17,31 |
|
6 |
Бензол |
1,7 |
78 |
0,01222 |
0,9535556 |
0,02378225 |
223 |
1,7 |
|
7 |
толуол |
1,18 |
92 |
0,00255 |
0,2350284 |
0,00586175 |
46,6 |
1,18 |
|
ИТОГО |
100,0 |
- |
1,0 |
40,095
|
1,0 |
18241,2 |
1,0 | |
Аналогично методике расчета первой колонны, рассчитаем все остальные ректификационные колонны. Все расчеты проводятся в MS Exel, данные будут занесены в соответствующие таблицы.
Колонна №3. Состав и количество дистиллята и остатка
Таблица 6.6
|
Компоненты |
Сырьё, моль |
Дистиллят D
|
Остаток R | ||
|
D |
y’Di=x”Di |
R |
x ’Ri | ||
|
Этан, С2Н6 |
53,207 |
53,207 |
1,83 |
- |
0 |
|
Пропилен, С3Н6 |
19,31 |
1,931 |
0,02 |
1,41968 |
0,02 |
|
Пропан, С3Н8 |
1,09 |
- |
0 |
1,218814 |
0,0172 |
|
Н-бутан,С4 Н10 |
6,195 |
- |
0 |
8,816323 |
0,1242 |
|
Н-пентан, н-С5 Н12 |
17,31 |
- |
0 |
27,480741 |
0,3871 |
|
бензол,С6 Н6 |
1,7 |
- |
0 |
6,92762 |
0,0976 |
|
Толуол С7 Н8 |
1,18 |
- |
0 |
6,16116 |
0,0868 |
|
ИТОГО |
100 |
55,138 |
|
52,024
|
1 |
x’Di,
моль
x’Ri,моль
Таблица 6.7
Массовое количество и состав дистиллята D, поток №26
|
№ п/п |
Наименование |
Состав, % мол. |
Мол. масса Mi |
Мольная доля c”i |
Mi c”i |
Состав сырья в мас. долях ci= Mi c”i /Mic”ii |
Количество в дистилляте | |
|
кг/ч |
% масс. | |||||||
|
1 |
этан |
99,9 |
30 |
0,99804 |
29,94122 |
0,99725937 |
9679,21 |
0,999 |
|
2 |
пропилен |
0,1 |
42 |
0,00195 |
0,082283 |
0,00274063 |
19 |
0,001 |
|
ИТОГО |
100 |
- |
1,0 |
30,02 |
1,0000 |
9698,21 |
1 | |
Таблица 6.8
Массовое количество и состав остатка R, поток №36
|
№ п/п |
Наименование |
Состав, % мол. |
Мол. масса Mi |
Мольная доля c”i |
Mi c”i |
Состав сырья в мас. долях ci= Mi c”i /Mic”ii |
Количество в дистилляте | |
|
кг/ч |
% масс. | |||||||
|
1 |
Пропилен, |
41,184 |
42 |
0,56906 |
23,900648 |
0,46382243 |
4861,5 |
41,184 |
|
2 |
Пропан |
2,35 |
44 |
0,03654 |
1,6080131 |
0,03120554 |
312,21 |
2,35 |
|
3 |
Н-бутан |
13,34 |
58 |
0,25582 |
14,837779 |
0,28794595 |
2185,5 |
13,34 |
|
4 |
Н-пентан |
41,60 |
72 |
0,12007 |
8,6454040 |
0,16777504 |
1025,8 |
41,60 |
|
5 |
Бензол |
1,02 |
78 |
0,02610 |
2,0360552 |
0,03951224 |
223 |
1,02 |
|
6 |
толуол |
0,78 |
92 |
0,00545 |
0,5018383 |
0,00973881 |
46,6 |
0,78 |
|
ИТОГО |
100,0 |
- |
1,0 |
51,53
|
1,0 |
8542,99 |
100 | |
Колонна №4.таблица 6.9 Состав и количество дистиллята и остатка
|
№ п/п |
Наименование |
Состав, % мол. |
Мол. масса Mi |
Мольная доля c”i |
Mi c”i |
Состав сырья в мас. долях ci= Mi c”i /Mic”ii |
Количество в дистилляте | |
|
кг/ч |
% масс. | |||||||
|
1 |
Этилен |
42,0 |
28 |
0,42397 |
11,87117 |
0,40721471 |
7143,51 |
42,0 |
|
2 |
этан |
58,0 |
30 |
0,57603 |
17,28094 |
0,59278529 |
9705,6 |
58,0 |
|
ИТОГО |
100 |
- |
1,0 |
29,15 |
1,0000 |
16849,076 |
100 | |
Таблица 6.10 Состав и количество дистиллята и остатка
|
Компоненты |
Сырьё, моль |
Дистиллят D
|
Остаток R | ||
|
D |
y’Di=x”Di |
R |
x ’Ri | ||
|
Этилен, С2Н4 |
27,1 |
27,1 |
0,32 |
- |
0 |
|
Этан, С2Н6 |
72,9 |
72,9 |
0,1 |
3,55 |
1,86 |
|
ИТОГО |
100 |
100 |
|
3,55
|
|
x’Di,
моль
x’Ri,моль
Таблица 6.11
Массовое количество и состав дистиллята D, поток №30
|
№ п/п |
Наименование |
Состав, % мол. |
Мол. масса Mi |
Мольная доля c”i |
Mi c”i |
Состав сырья в мас. долях ci= Mi c”i /Mic”ii |
Количество в дистилляте | |
|
кг/ч |
% масс. | |||||||
|
1 |
этилен |
99,9 |
30 |
0,80915 |
24,27450 |
0,75176088 |
11995,4 |
0,999 |
|
2 |
этан |
0,1 |
42 |
0,19084 |
8,015690 |
0,24823912 |
1684,9 |
0,001 |
|
ИТОГО |
100 |
- |
1,0 |
32,29 |
1,0000 |
13680,3 |
1 | |
Таблица 6.12
Массовое количество и состав остатка R, поток №32
|
№ п/п |
Наименование |
Состав, % мол. |
Мол. масса Mi |
Мольная доля c”i |
Mi c”i |
Состав сырья в мас. долях ci= Mi c”i /Mic”ii |
Количество в дистилляте | |
|
кг/ч |
% масс. | |||||||
|
1 |
этан |
100 |
42 |
1 |
42 |
1 |
8020,7 |
100 |
|
ИТОГО |
100,0 |
- |
|
42
|
1 |
8020,7 |
100 | |
Колонна 5. таблица 6.13 Состав и количество дистиллята и остатка
|
№ п/п |
Наименование |
Состав, % мол. |
Мол. масса Mi |
Мольная доля c”i |
Mi c”i |
Состав сырья в мас. долях ci= Mi c”i /Mic”ii |
Количество в дистилляте | |
|
кг/ч |
% масс. | |||||||
|
1 |
Пропилен, |
41,184 |
42 |
0,56906 |
23,900648 |
0,46382243 |
4861,5 |
41,18 |
|
2 |
Пропан |
2,35 |
44 |
0,03654 |
1,6080131 |
0,03120554 |
312,21 |
2,35 |
|
3 |
Н-бутан |
13,34 |
58 |
0,25582 |
14,837779 |
0,28794595 |
2185,5 |
13,34 |
|
4 |
Н-пентан |
41,60 |
72 |
0,12007 |
8,6454040 |
0,16777504 |
1025,8 |
41,60 |
|
5 |
Бензол |
1,02 |
78 |
0,02610 |
2,0360552 |
0,03951224 |
223 |
1,02 |
|
6 |
толуол |
0,78 |
92 |
0,00545 |
0,5018383 |
0,00973881 |
46,6 |
0,78 |
|
ИТОГО |
100,0 |
- |
1,0 |
51,53
|
1,0 |
8542,99 |
100 | |
Таблица 6.14
Массовое количество и состав дистиллята D, поток №41
|
№ п/п |
Наименование |
Состав, % мол. |
Мол. масса Mi |
Мольная доля c”i |
Mi c”i |
Состав сырья в мас. долях ci= Mi c”i /Mic”ii |
Количество в дистилляте | |
|
кг/ч |
% масс. | |||||||
|
1 |
Пропилен |
18,3 |
2 |
0,93965 |
1,879309 |
0,66060349 |
4861,5 |
95 |
|
2 |
Пропан |
54,5 |
16 |
0,06034 |
0,965527 |
0,33939651 |
312,21 |
5,0 |
|
ИТОГО |
100 |
- |
1,0 |
2,84 |
1,0000 |
5173,71 |
100 | |
Таблица 6.15
Массовое количество и состав остатка R, поток №50
|
№ п/п |
Наименование |
Состав, % мол. |
Мол. масса Mi |
Мольная доля c”i |
Mi c”i |
Состав сырья в мас. долях ci= Mi c”i /Mic”ii |
Количество в дистилляте | |
|
кг/ч |
% масс. | |||||||
|
4 |
Н-бутан |
6,195 |
58 |
0,62785 |
36,415582 |
0,57022157 |
2185,5 |
0,061 |
|
5 |
Н-пентан |
17,31 |
72 |
0,29469 |
21,217960 |
0,3322462 |
1025,8 |
0,193 |
|
6 |
Бензол |
1,7 |
78 |
0,06406 |
4,9969835 |
0,07824639 |
223 |
0,004 |
|
7 |
толуол |
1,18 |
92 |
0,01338 |
1,2316355 |
0,01928584 |
46,6 |
0,004 |
|
ИТОГО |
100,0 |
- |
1,0 |
63,86
|
1,0 |
3480,9 |
1,0 | |
Колонна 6. таблица 6.16 Состав и количество дистиллята и остатка
|
№ п/п |
Наименование |
Состав, % мол. |
Мол. масса Mi |
Мольная доля c”i |
Mi c”i |
Состав сырья в мас. долях ci= Mi c”i /Mic”ii |
Количество в дистилляте | |
|
кг/ч |
% масс. | |||||||
|
1 |
Пропилен |
25,1 |
42 |
0,39092 |
16,41870 |
0,93696207 |
4861,5 |
22,8 |
|
2 |
Пропан |
74,9 |
44 |
0,02510 |
1,104634 |
0,06303793 |
312,21 |
68,1 |
|
ИТОГО |
100 |
- |
1,0 |
17,52 |
1,0000 |
5173,71 |
80,9 | |
Состав и количество дистиллята и остатка
Таблица 6.17
|
Компоненты |
Сырьё, моль |
Дистиллят D
|
Остаток R | ||
|
D |
y’Di=x”Di |
R |
x ’Ri | ||
|
Пропилен |
25,1 |
27,1 |
0,32 |
- |
0 |
|
Пропан |
74,9 |
72,9 |
0,1 |
5,22 |
1,14 |
|
ИТОГО |
100 |
100 |
|
5,22 |
|
x’Di,
моль
x’Ri,моль
Таблица 6.18
Массовое количество и состав дистиллята D, поток №45
|
№ п/п |
Наименование |
Состав, % мол. |
Мол. масса Mi |
Мольная доля c”i |
Mi c”i |
Состав сырья в мас. долях ci= Mi c”i /Mic”ii |
Количество в дистилляте | |
|
кг/ч |
% масс. | |||||||
|
1 |
Пропилен |
99,9 |
42 |
0.42 |
41,90518 |
0,99763518 |
4861,5 |
0,999 |
|
2 |
Пропан |
0,1 |
44 |
0.44 |
0,099332 |
0,00236482 |
11 |
0,001 |
|
ИТОГО |
100 |
- |
1,0 |
42,00 |
1,0000 |
4872,5 |
1 | |
Таблица 6.19
Массовое количество и состав остатка R, поток №47
|
№ п/п |
Наименование |
Состав, % мол. |
Мол. масса Mi |
Мольная доля c”i |
Mi c”i |
Состав сырья в мас. долях ci= Mi c”i /Mic”ii |
Количество в дистилляте | |
|
кг/ч |
% масс. | |||||||
|
1 |
Пропан |
100 |
44 |
1 |
42 |
1 |
301,21 |
100 |
|
ИТОГО |
100,0 |
- |
1 |
42
|
1 |
301,21 |
100 | |
Колонна 7. таблица 6.20 Состав и количество дистиллята и остатка
|
№ п/п |
Наименование |
Состав, % мол. |
Мол. масса Mi |
Мольная доля c”i |
Mi c”i |
Состав сырья в мас. долях ci= Mi c”i /Mic”ii |
Количество в дистилляте | |
|
кг/ч |
% масс. | |||||||
|
4 |
Н-бутан |
6,195 |
58 |
0,62785 |
36,415582 |
0,57022157 |
2185,5 |
0,061 |
|
5 |
Н-пентан |
17,31 |
72 |
0,29469 |
21,217960 |
0,3322462 |
1025,8 |
0,193 |
|
6 |
Бензол |
1,7 |
78 |
0,06406 |
4,9969835 |
0,07824639 |
223 |
0,004 |
|
7 |
толуол |
1,18 |
92 |
0,01338 |
1,2316355 |
0,01928584 |
46,6 |
0,004 |
|
ИТОГО |
100,0 |
- |
1,0 |
63,86
|
1,0 |
3480,9 |
3480, | |
Таблица 6.21
Массовое количество и состав дистиллята D, поток №53
|
№ п/п |
Наименование |
Состав, % мол. |
Мол. масса Mi |
Мольная доля c”i |
Mi c”i |
Состав сырья в мас. долях ci= Mi c”i /Mic”ii |
Количество в дистилляте | |
|
кг/ч |
% масс. | |||||||
|
1 |
Н-бутан |
99,9 |
58 |
0,95675 |
55,49188 |
0,9468731 |
2185,5 |
22,8 |
|
2 |
Н-пентан |
0,1 |
72 |
0,04324 |
3,113523 |
0,0531269 |
98,78 |
68,1 |
|
ИТОГО |
100 |
- |
1,0 |
58,605 |
1,0000 |
2284,28 |
100 | |
Таблица 6.22
Массовое количество и состав остатка R, поток №55
|
№ п/п |
Наименование |
Состав, % мол. |
Мол. масса Mi |
Мольная доля c”i |
Mi c”i |
Состав сырья в мас. долях ci= Mi c”i /Mic”ii |
Количество в дистилляте | |
|
кг/ч |
% масс. | |||||||
|
2 |
Н-пентан |
73,0 |
72 |
0,77469 |
55,778308 |
0,93012062 |
927,02 |
0,193 |
|
3 |
Бензол |
4,0 |
78 |
0,18635 |
14,535942 |
0,00848717 |
223 |
0,010 |
|
4 |
толуол |
23,0 |
92 |
0,03894 |
3,5827581 |
0,06139221 |
46,6 |
0,061 |
|
ИТОГО |
100,0 |
- |
1,0 |
73,897 |
1,0 |
1196,62 |
22397 | |