Моделювання процесів у відпарні ректифікаційній колоні

Контрольні завдання

Варіант	G, кг/сек	Варіант	с1 мас.%;
1	4000	1	1,5
2	5000	2	2,0
3	6000	3	2,5
4	7000	4	3,0
5	8000	5	3,5

Вихідні данні:

продуктивність колони по сировині G=11 кг/сек.;

вміст розчинника в сировині с₁ =0,02 мас.%;

склад розчинника 50 мас.% фенолу;

50 мас.% крезолу;

густина рафінаду при тем-рі 293 К р ₂₉₃ =880 кг/м;

молекулярні маси рафінаду М₂=620;

М₁=100;

тиск в колоні π=101,3 кПа;

вміст розчинника в нижньому продукті колони Х_R=0,005 мас.%;

витрата перегрітої водяної пари Z=2 мас.%.

Кількість верхнього і нижнього продуктів колони

Розрахунки ведемо за алгоритмом, запропонованим авторами [Кузнецов А. А., Кагерманов С. М., Судаков Е. Н. Расчёты процессов и аппаратов нефтеперерабатывающих промышленности. – Л.: Химия, 1974. – 344 с. ].

З рівняння матеріального балансу колони знаходимо кількість D верхнього продукту, що с чистим розчинником, тому, що рафінат практично нелетючий:

де Сі=0,02 мас.%; - концентрація розчинника а сировині, Х_R=0.00005мас% – концентрація розчинника в залишку, у_D≈1мас.% – концентрація розчинника дистиляті.

Кількість нижнього продукту колони (рафінату):

Визначення елементів ректифікації.

Перший міжтарілочний простір (рисунок 1). Кількість розчинникаV_R,що відганяються з флегми, та стікає в низ колони, знаходимо з рівняння Авогадро-Дальтона:

звідки (1)

де р₁₂-парціальний тиск парів залишку, що складається з досить малої кількості розчинника (перший, низькокиплячий компонент) і рафіната (другий, висококиплячий компонент); р_z - парціальний тиск водяного пару.

Кількість водяної пари, що потрібна для відгонки розчинника:

На основі промислових даних приймаємо температуру знизу колони Т-548 К і знаходимо парціальний тиск парів залишку знизу колони за рівнянням ізотерми рідкої фази:

(2)

де ,– тиск насичених парів відповідно розчинника і рафінату при Т_r=548К; – мольна частка розчинника в залишку.

Виходячи з того, що рафінат практично нелетючий, то Р₂ ≈0, а тому маємо

(3)

Щоб створити деякий запас роздільної здатності колони, приймемо тиск насиченої пари розчинника рівним тиску насиченої пари найтяжчого компонента - крезолу. Тиск насиченої пари крезолу при 548 К складає

Перерахуємо склад залишку із масових долей в мольні:

(4)

де М₁=100 – молекулярна маса розчинника. М_r- молекулярна маса залишку, що дорівнює

(5)

Виходячи з того, що – величина дуже мала ,

отже

Парціальний тиск водяної пари:

Підставивши числові значення в рівняння Авогадро–Дальтона, отримаємо

Кількість g₁ флегми, що стікає з нижньої тарілки (рис.1), знайдемо з рівняння матеріального балансу об'єму колони, що знаходиться між її низом і першим міжтарілочним простором (під першою тарілкою)

склад цієї флегми визначимо з рівнянь концентрації для цього ж перерізу колони:

звідки

(6)

Тут у₁ ≈1, тому що в будь-кому перерізі колони пари складаються тільки з розчинника, а рафінат практично не летючий. Мольний склад флегми:

Тепер визначимо ентальпію і температуру флегми.

Ентальпію флегми знайдемо з відгонної колони рівняння об'єму колони, що знаходиться між її низом і першим міжтарілочним простором:

,

звідки

(7)

де Q_r-ентальпія парів розчинника при Т_r~548 К кДж/кг; q_r -ентальпія залишку ари Т-548К, кДж/кг; і₀ – ентальпія водяної пари при її подачі в колону, ентальпію q_r парів розчинника визначаємо, як величину, середню, між ентальпіями парів фенола і крезолу користуючись поліномом. Ентальпію q_R залишку знаходимо з поліному, рахуючи його чистим рафінадом, ентальпію перегрітої водяної пари знаходимо з (2),'

,

Після підстановки в рівняння числових значень величин, знайдемо:

Через малий вміст у флегмі g₁ розчинника (x₁ =0,00023), можна без помітної похибки, вважати її чистим рафінатом. Ентальпії флегми q_{1 =}628 кДж/кг відповідає температура Т₁=T_r=548K. Такий збіг температур пояснюється тільки тим, що знизу колони з 39207,03кг флегми випаровується всього 7,03кг розчинника, то практично не впливає на температури потоків g₁ і R.

Таким чином, для першого міжтарілочного простору визначено всі елементи ректифікації і можна перейти до другого міжтарілочного простору.

Другий міжтарілочний простір (між першою і другою, тарілками), Для всіх наступних міжтарілочних просторів розрахунок проводимо по тій же схемі, що і для першого міжтарілочііого відділення

Парціальний тиск парів розчинника, що покинув першу (нижню) тарілку:

де P=510∙10³ Па - тиск насиченої пари крезолу при температурі на першій тарілці Т=548К.

Парціальний тиск водяної пари:

Кількість парового потоку парів розчинника, що підіймаються з першої тарілки, за рівнянням Авогадро-Дальтона:

Кількість флегми, що стікає з другої тарілки на першу;

Склад флегми в масових долях:

,

де у≈1, оскільки пари складаються переважно тільки з розчинника. Склад флегми в мольних долях:

Ентальпія флегми:

Ентальпії окремих потоків залишились такими самими, що і в першому міжтарілочному відділенні, тому, що Т ₁ =Т_R=548 К. Через малий вміст у флегмі розчинника (х₂=0.0011), можна без помітної похибки вважати її чистим рафінатом.

Тому її ентальпія q₂=628 кДж/кг буде, як раніше відповідати температура Т₂=Т₁=Т_r=548 К Як видно і на другій тарілці температура не змінилась.

Третій міжтарілочний простір (між другою і третьою тарілками):

Четвертий міжтарілочний простір (між третьою і четвертою тарілками):

Через незначний вміст розчинника у флегмі, останню можна вважати чистим рафінатом Цій ентальпії q₄=633 кДж/кг відповідає температура Т₄=550.5 К.

П'ятий міжтарілочний простір (між четвертою та п'ятою тарілками):

Тиск насичених парів розчинника при T₄=550.5K, складає Р₁=534600Па. тому:

Проаналізуймо отримані дані Кількість парів розчинника V₄=4762 Па значно переважає його кількість, що міститься в сировині (0,2 кг/сек), яке подається в колону. Цього бути не може, тому, що ні в які інші точки колони розчинник ззовні не подається.

Кількість флегми g₅=12,2 кг/сек що стікається на четверту тарілку, більша, ніж кількість сировини G=11 кг/сек, що подається в колону. Цього також не може бути, тому, що на верх колони ніякого зрошення не подається.

Тому, при вибраній витраті водяної пари, прийнятій температурі низу колони і заданому вмісту розчинника для відгонки розчинника необхідні лише три теоретичні тарілки.

Тоді з верхньої (четвертої) тарілки в секцію живлення колони буде .поступати V₃=0,19 кг/сек парів розчинника, а на цю тарілку з секції живлення будуть поступати g₄=11,1 кг/сек флегми з вмістом розчинника х₄=0,017. При цьому температура в секції, а отже і зверху колони буде дорівнювати Т_R=Т₄=550,5 К.

Рисунок 4.1 Розрахункова схема теплового балансу

Частка відгону сировини в секції живлення колони .

Знаючи склад сировини і його рівноважних парової і рідкої фаз при Т_D=Т₄=550,5 К, знаходимо масову долю відгону за рівнянням

(8)

де с₁=0,02-масова частка розчинника в сировині; Х_G =Х₄ =0,017 масова частка розчинника в паровій фазі сировини, y_G=l - масова доля розчинника в паровій фазі.

Підставивши числові значення маємо

Кількість розчинника, що відганяється з сировини в секції живлення

Тоді кількість рідкої фази сировини, що поступає із секції живлення на верхню тарілку:

Воно майже дорівнює кількості флегми Незначна різниця між пояснюється тим, що ми з самого початку розрахунків знехтували малим вмістом розчинника в залишку.