2. Температурный режим

При ректификации многокомпонентных смесей, например нефти и нефтепродуктов, температуры потоков определяют подбором таких значений температуры, при которых удовлетворяются следующие равенства:

для жидкого потока

(4.1)

для парового потока

(4.2)

для паро-жидкостного потока с заданной мольной долей отгона е

(4.3)

В явном виде температура в уравнениях (4.1) - (4.3) не фигурирует. Однако величины Р_i(k_i = Р_i/П) и е являются ее функциями и при заданной температуре принимают вполне определенные значения. Для уменьшения числа приближений при расчете пользуются графической интерполяцией.

Температуру паров фракции, уходящей с верха колонны, определяют как температуру конца однократного испарения этой фракции. Температура конца однократного испарения сложной смеси должна иметь значение, удовлетворяющее равенству (4.2). При расчете температуры верха колонны, работающей с водяным паром (при применении острого испаряющегося орошения), следует, подсчитывая парциальное давление верхнего продукта, учитывать пары орошения и воды.

В условиях однократного испарения в присутствии водяных паров парциальное давление смеси углеводородов определяют

где у - мольная доля углеводородных паров; N_уг.п., N_в.п.- углеводородные и водяные пары, кмоль.

Пример 4.4. Определить парциальное давление паров бензина наверху ректификационной колонны, если оттуда уходит G₁ = 6000 кг/ч (1,666 кг/с) паров бензина молекулярной массы М = 142 и G₂ = 1200 кг/ч (0,333 кг/с) водяных паров. Давление наверху колонны Р = 0,151 МПа.

Решение.Парциальное давление паров бензина равно

где

параметры	Вариант
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
G1 кг/ч	5000	5200	5400	5600	5800	6000	6200	6400	6600	6800
М кг/кмоль	138	139	140	141	142	143	144	145	146	147
G2 кг/ч	800	900	1000	1100	1200	1300	1400	1500	1600	1700
Р МПа	0,148	0,149	0,150	0,151	0,152	0,153	0,154	0,155	0,156	0,157

Пример 4.5.Определить температуру наверху ректификационной колонны, в которой идет разделение этилбензола и ксилолов. Температура кипения этилбензолаt₁= 136°С, средняя для ксилоловt₂= 140,5°С. С верха колонны должна уходить фракция с содержанием низкокипящего компонентау= 0,980. Давление в колонне близко к атмосферному.

Решение. Для определения температуры верха колонны используют уравнение (4.2). Задаются температурой, при которой определяют величину k_i = Р_i/П для каждого компонента. Давление на­сыщенных паров компонента Pi можно определить по формуле . Основной компонент, уходящий сверху колонны (максимальная доля в парах), - этилбензол, поэтому задаются температурой верха колонны, близкой к температуре его кипения. Принимают температуру 137°С и проверяют, удовлетворяет ли она условию, при котором соблюдается равенство (4.2). Подсчеты сводят в таблицу:

Компонент	Температура верха колонны, оС	y	Pi,кПа	ki	yi/ki
Этилбензол Ксилолы	137 137	0,980 0,020	102,6 78,6	1,01 0,77	0,975 0,025
					Итого 1,000

Так как

считают, что температура подобрана верно и равна 137^оС.

параметры	Вариант
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
t1 0C	100	105	110	115	120	125	130	135	140	145
t2 0C	105	110	115	120	125	130	135	140	145	150
У	0,96	0,97	0,98	0,99	0,96	0,97	0,98	0,99	0,96	0,97

Рис. 4.5. Определение температур жидких потоков в колонне при разделении сложных смесей:

1 - верхняя тарелка (абсолютное давление в колонне выше 0,101 МПа, широкие пределы выкипания продукта); 1а - верхняя тарелка (давление до 0,1011 МПа); 2 - тарелка с боковым отбором жидкости (абсолютное давление в колонне выше 0,101 МПа, узкие пределы выкипания фракций, орошение невелико); 2а - тарелка с боковым отбором жидкости (давление до 0,101 МПа).

Рис. 4.6. Кривые ИТК и ОИ для фракции 190-240°С (к примеру 4.6).

Температуру низа колонны рассчитывают, используя уравнение (4.1). Температуру низа колонны, работающей с водяным паром, можно определять на основе опытных данных. Эту температуру можно также найти из уравнения теплового баланса отгонной части колонны, предварительно задавшись количеством фракции, которое необходимо отпарить из остатка. Рекомендуется рассчитывать колонну так, чтобы образовавшихся паров было не более 25-35% от остатка.

Пример 4.6. Определить температуру выхода из колонны G₁ = 6538кг/ч (1,816кг/с) жидкой нефтяной фракции молекулярной массы М = 114,4. Линия ИТК фракции приведена на рис. 4.6. Давление наверху колонны составляет Р = 0,15 кПа. Фракция отбирается с 19-ой тарелки сверху, через которую проходит G₂ = 1000 кг/ч (0,2777 кг/с) водяных паров, G₃ = 1500 кг/ч паров бензина (М-100). Перепад давления на каждой тарелке принят равным Р₁ = 0,399 кПа.

Решение. На рис. 4.6 дана линия разгонки данной фракции - ИТК. К этой линии строят линию ОИ при атмосферном давлении. По построенной линии ОИ видно, что началу однократного испарения (0% отбора) соответствует температура 210°С.

Определяют парциальное давление фракции

Давление в точке вывода фракции

П = 150 + 19  0,399 = 157,5 кПа = 0,1575 МПа

Подставляют полученные значения

Температуру начала однократного испарения корректируют на парциальное давление по графику Кокса (см. Приложение 2) Получают температуру 197°С.

параметры	Вариант
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
G1кг/ч	6000	6100	6200	6300	6400	6500	6700	6800	6900	7000
М кг/кмоль	109	110	111	112	113	114	115	116	117	118
Р кПа	0,11	0,12	0,13	0,14	0,15	0,16	0,17	0,18	0,19	0,2
N	24	23	22	21	20	19	18	17	16	15
G2кг/ч	750	800	850	900	950	1000	1050	1100	1150	1200
G3кг/ч	900	1000	1100	1200	1300	1400	1500	1600	1700	1800
Р1кПа	0,395	0,396	0,397	0,398	0,399	0,4	0,401	0,402	0,403	0,404

Пример 4.7. Определить температуру внизу изобутановой колонны, работающей под давлением Р = 0,707 МПа. С низа колонны уходят компоненты, мольные доли которых в смеси следующие: изо-бутана ₁ = 0,045; н-бутана ₂ = 0,377; пентанов ₃ = 0,009; легкого алкилата ₄ = 0,556 (средняя температура кипения t₄ = 107 °С), тяжелого алкилата ₅ = 0,013 (средняя температура кипения t₅ = 205°С).

Решение. Для определения температуры низа колонны используют равенство (4.1) в котором мольные доли компонентов смеси известны. Надо определить величину k_i для каждого компонента.

Для определения этой величины необходимо знать давление системы (в условии задачи П = 0,707 МПа) и давление насыщенных паров компонентов при t°C. Для решения задаются несколькими значениями температуры и при этих температурах соответственно определяют P_i (по графику Кокса или по формуле Ашворта), затем и, наконец,, которая при правильно выбранной температуре должна быть равна единице. Температуру кипения бутанов при атмосферном давлении находят в справочнике: длян-бутана 0,6°С, для изобутана 10°С. Температурой задаются, исходя из практических данных, либо определяют по началу линии ОИ. Задаемся, исходя из практических данных, температурами 140 и 135°С. Для этих температур находят давление насыщенных паров изобутана и н-бутана по формуле Ашворта

(4.4 )

где Р – давление насыщенных паров, Па; Т – соответствующая температура, К; Т₀ – температура кипения фракции при атмосферном давлении, К; f(Т) – функция температуры Т; и справочным данным, для остальных компонентов — по графику Кокса (см. Приложение 1). Результаты расчетов сводят в таблицу:

Компонент	Температура 140 оС
		Pi, МПА
Изобутан н-Бутан Пентан Легкий алкилат Тяжелый алкилат	0,045 0,377 0,009 0,556 0,013	2,698 2,427 1,315 0,263 0,013	3,85 3,47 1,87 0,37 0,00	0,173 1,308 0,016 0,205 0,000
			Итого 1,702

Видно, что не равна единице, т. е. выбранная температура не удовлетворяет равенству. Задаются температурой 135°С и делают аналогичный расчет, результаты которого также сводят в таблицу.

Компонент	Температура 135 оС
		Pi, МПА
Изобутан н-Бутан Пентан Легкий алкилат Тяжелый алкилат	0,045 0,377 0,009 0,556 0,012	2,535 2,280 1,184 0,196 0,010	3,62 3,25 1,69 0,28 0,00	0,162 1,222 0,015 0,155 0,000
			Итого 1,554

При 135°С также не равна единице. Следовательно, необходимо задаваться значением температуры до тех пор, пока при этом значении данная сумма не будет равна единице. Но можно несколько упростить задачу, если провести экстраполяцию графическим методом. Для этого в координатахиt (рис. 4.7) строят прямую по полученным при вычислениях данным. Точка А соответствует температуре 140°С и = 1,702, точкаВ—температуре 135°С и = 1,554. По этой прямой определяют температуру, при которой=l. Искомая температура 117°С.

параметры	Вариант
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Р МПа	0,703	0,704	0,705	0,706	0,707	0,708	0,709	0,71	0,711	0,712
1	0,04	0,041	0,042	0,043	0,044	0,045	0,046	0,047	0,048	0,049
2	0,45	0,442	0,434	0,426	0,418	0,41	0,402	0,394	0,386	0,378
3	0,005	0,006	0,007	0,008	0,009	0,01	0,011	0,012	0,013	0,014
4	0,5	0,505	0,51	0,515	0,52	0,525	0,53	0,535	0,54	0,545
t40С	100	101	102	103	104	105	106	107	108	109
5	0,005	0,006	0,007	0,008	0,009	0,01	0,011	0,012	0,013	0,014
t50С	200	201	202	203	204	205	206	207	208	209

Рис. 4.7. График для определения температуры низа колонны (к примеру 4.7).

Температура сырья, поступающего в колонну. Так как сырье поступает в колонну в паро-жидкостном состоянии, то температуру входа сырья в колонну подбирают такую, при которой удовлетворяется равенство (4.3). Следует учитывать, что в колонну с кипятильником часто целесообразно подавать сырье с температурой, при которой массовая доля отгона равна нулю, тогда расчет ведут по формуле (4.1). Однако практически выбирают температуру входа сырья, соответствующую большей доле отгона, чтобы разгрузить низ колонны. В колонну, работающую с водяным паром, подают сырье с достаточно высокой температурой, чтобы увеличить глубину отбора легких фракций.

Очень часто температуру входа сырья в клонну находят методом подбора так, чтобы при заданном давлении обеспечивалась необходимая доля отгона. При расчете отгона состав жидкой и паровой фаз определяют по уравнениям

для жидкой фазы

(4.5)

для паровой фазы

Уравнения (4.5) позволяют определить концентрацию любого компонента в жидкой и паровой фазах при однократном испарении при известных температуре, давлении и мольных долях компонен­тов в сырье. Пересчет массовой доли отгона в мольную е ведут по уравнению

(4.6)

где М_о -молекулярная масса исходного сырья; Му - молекулярная масса паровой фазы.

На основании обследования работы колонн рекомендуют расход водяного пара: в отгонную часть атмосферной колон­ны 1,5-2% на сырье колонны; в стриппинги - лигроина 0,3-0,4%, керосина - 0,2-0,3%, соляра 0,1-0,2%; в отгонную часть вакуумной колонны 1,2-1,5% на мазут.

Пример 4.8. Определить массовую долю отгона от нефти при t = 300°С и давлении в месте ввода сырья в колонну Р = 20 кПа. Состав нефти, молекулярная масса и средние температуры кипения приве­дены в таблице. Мольную долю отгона принять е = 0,35.

Решение. Вычисляют давление насыщенных паров каждой фракции при 300°С по уравнению Ашворта (4.4). Для шестой фракции давление паров принимают равным нулю, так как при 300°С фракция практически не испаряется. Для определения доли отгона нефти необходимо подсчитать мольную долю каждого компонента в паровой и жидкой фазах по уравнениям (4.5). Все данные для расчета известны. Результаты подсчета сведены в таблицу. В результате подсчетов получают в графах 12 и 13 мольный состав равновесных паровой и жидкой фаз. В графе 14 даны произведения мольной доли компонентов в парах на их молекулярную массу. Эти произведения по существу представляют собой массы каждого компонента, приходящиеся на 1 моль паров. Сумма этих масс, данная в конце графы, составляет массу 1 моль паров, образовавшихся в результате однократного испарения или численно равную ей молекулярную массу паровой фазы Му = 162,5.

Таблица к примеру 4.8

Пределы выкипания фракции	Массовая доля	Молеку-лярная масса	Средняя темпера-тура ки-пения, оС	Давления насыщен-ных паров, Рi, кПа		Мольная доля
60-218 218-300 300-360 360-440 440-520 Выше 520	0,139 0,141 0,100 0,130 0,130 0,360	139 194 238 286 348 465	165 260 330 400 480 -	1173,00 226,00 52,52 9,33 0,85 0	10,00 7,27 4,21 4,54 3,74 7,74	0,266 0,194 0,112 0,121 0,100 0,207
Итого….	-	-	-	-		1,000