KBR_2005
.pdfФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА им. И.М. Губкина
Т.В. Прокофьева, В.А. Щелкунов, В.В. Андриканис, Е.Б. Федорова
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ БИНАРНОЙ СМЕСИ
Москва 2005
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
_________________
Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина
Т.В. Прокофьева, В.А. Щелкунов, В.В. Андриканис, Е.Б. Федорова
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ БИНАРНОЙ СМЕСИ
Методические указания по курсовому, дипломному проектированию и по НИРС
для студентов специальностей 17.05, 25.01, 25.04, 25.13., 32.07
Москва 2005
УДК 66.048.375
Прокофьева Т.В., Щелкунов В.А., Андриканис В.В., Федорова Е.Б.
Технологический pасчет ректификационной колонны для разделения бинарной смеси. - М.: РГУ нефти и газа, 2005, 37 с.
В методическом указании приведен пример технологического расчета ректификационной колонны для разделения бинарной смеси углеводородов. Дана методика определения технологического режима, обеспечивающего заданное разделение, расчет диаметра и высоты колонны, диаметров штуцеров. Расчет параметров ректификации проводится с использованием программы Excel.
Методическое указание пpедназначено для студентов специальностей 17.05, 25.01, 25.04, 25.13., 32.07, изучающих курс “Процессы и аппараты химической технологии“.
Ил. 10, табл. 7, библ. - 4 назв.
© Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина, 2005
Целью технологического расчета ректификационной колонны является определение: температурного режима, нагрузок по парам и жидкости, количества и качества получаемых продуктов, размеров аппарата.
Расчет ректификационной колонны может быть выполнен как в массовых, так и в мольных единицах, причем соответствующие уравнения материального баланса имеют один и тот же вид. Ниже приведен расчет колонны в массовых единицах. Примем следующие обозначения (рис. 1):
F , x , e , tF |
- массовый расход сырья, массовая доля НКК, доля |
отгона и температура сырья на входе в колонну; |
|
GF , gF , yF*, xF* |
- массовый расход паровой части сырья и неиспарив- |
шейся жидкости в секции питания, доля НКК в этих потоках; |
|
D , yD , tD |
- массовый расход, доля НКК и температура паров |
ректификата, отбираемых из колонны; |
|
W, xW , tW |
- массовый расход, доля НКК и температура остатка, |
уходящего с низа колонны; |
|
GNk, yNk , tNk |
- массовый расход, доля НКК и температура паров, |
уходящих с верхней тарелки в парциальный конденсатор; |
|
gD , xD* , tD |
- массовый расход, доля НКК и температура горяче- |
го орошения; |
|
g1 , x1 , t1 |
- массовый расход, доля НКК и температура жидко- |
сти, стекающей с нижней тарелки концентрационной части; |
|
GNo , yNo , tNo |
- массовый расход, доля НКК и температура паров, |
уходящих с верхней тарелки отгонной части; |
|
GW , yW* , tW |
- массовый расход, доля НКК и температура паров, |
поступающих из кипятильника; |
|
Qd |
- тепло, снимаемое на верху колонны (тепло ороше- |
ния); |
|
QВ |
- тепло, подводимое в низ колонны (тепло кипя- |
тильника).
Рис. 1. Принципиальная схема ректификационной колонны
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
1.Сырье состоит из смеси н.октана и н.декана, содержание н.октана
всырье xF = 0,4 .
2. Содержание н.октана в ректификате yD = 0,98 , в остатке xW = 0,01.
3.Давление в секции питания колонны πэв = 0,12 МПа.
4.Массовая доля отгона сырья, поступающего в колонну е=0,2.
5.Физические свойства компонентов:
|
н.октан |
н.декан |
молекулярная масса, М |
114,2 |
142,2 |
температура кипения, tk, оС |
125,7 |
174,1; |
относительная плотность, ρ420 |
0,703 |
0,730. |
6. Массовый расход сырья F = 12000 кг/ч.
1. РАСЧЕТ ЗАВИСИМОСТИ ДАВЛЕНИЙ НАСЫЩЕННЫХ ПАРОВ КОМПОНЕНТОВ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ,
РАВНОВЕСНЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ, ЭНТАЛЬПИЙ
Для расчета состава равновесных фаз и построения кривой равновесия фаз, изобарных температурных кривых и энтальпийной диаграммы рассчитываются давления насыщенных паров (ДНП) компонентов от температуры.
Большинство существующих формул для определения упругости насыщенных паров эмпирические. Наиболее известными для определения упругости насыщенных паров индивидуальных углеводородов являются формулы: Дальтона, Дюринга, Рамсай-Юнга, Кокса, Ашворта, Антуана, Вильсона [1-4].
В приведенном ниже примере для расчета давлений насыщенных паров используется уравнение Антуана [1]:
lg Pi = Ai − |
Bi |
, |
(1) |
|
Ci + t |
||||
|
|
|
где Ai , Bi , Ci - константы уравнения Антуана для i-го компонента;
t - температура, оС.
Константы уравнения Антуана взяты из справочной литературы [1, 2].
Для н.октана с температурой кипения 125,7оС при давлении в колонне
π = 0,12 МПа ближайшая температура 130оС, для н.декана с температурой кипения 174,1оС такой температурой является 180оС; следовательно, кривые зависимости ДНП от температуры строятся в интервале температур 130 - 180оС . Интервал температур уточняется, т.е. определяются температуры
кипения компонентов при заданном давлении (P1=π при t=ta ;
P2=π при t=tw).
Температуры кипения компонентов при давлении π = 0,12 МПа составляют: н.октана ta = 131,98oC и н.декана tw = 180,96 oC .
В интервале ta - tw произвольно задаемся рядом температур и вычис-
ляем составы равновесных жидкой |
x' и паровой y' фаз по уравнениям (2) |
|||||||||||||
и (3): |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x' |
= |
π −P2 |
, |
|
|
|
(2) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
P1 −P2 |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
y' |
= |
P1 |
x' . |
|
|
|
(3) |
||||
|
|
|
π |
|
|
|
||||||||
Значения массовых концентраций определены по уравнениям (4) и (5): |
||||||||||||||
x |
= |
|
M 1 x' |
|
|
|
|
|
= |
M 1 x' |
, |
(4) |
||
M 1 x' |
+ M 2 ( 1−x' ) |
|||||||||||||
|
|
|
M ж .cp |
|
|
|||||||||
y |
= |
|
M |
1 y' |
|
|
|
|
|
= |
M 1 y' |
, |
(5) |
|
M 1 y' + M 2 ( 1− y' ) |
M n.cp |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||
где М1 и М2 - соответственно, молекулярные массы н.октана и н.декана;
Mж.ср и Mп.ср - средние молекулярные массы жидкости и паров.
Температура ввода сырья в колонну определяется при заданной доле отгона е = 0,2:
e = |
xF − x*F |
|
||
|
|
. |
(6) |
|
* |
* |
|||
|
yF |
− xF |
|
|
Температуры дистиллята и остатка определяются без учета изменения давления по высоте колонны подбором по заданным концентрациям yD и
xW..
Результаты расчетов приведены в табл. 1., на рис. 2-4 даны графические зависимости.
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t,oC |
P1 |
P2 |
x' |
y' |
x |
y |
|
e |
131,98 |
0,1200 |
0,0302 |
1,0000 |
1,0000 |
1,0000 |
1,0000 |
|
##### |
133,65 |
0,1254 |
0,0318 |
0,9419 |
0,9846 |
0,9286 |
0,9809 |
|
-10,112 |
140,00 |
0,1480 |
0,0389 |
0,7436 |
0,9169 |
0,6995 |
0,8986 |
|
-1,505 |
145,00 |
0,1678 |
0,0453 |
0,6098 |
0,8528 |
0,5564 |
0,8231 |
|
-0,587 |
150,00 |
0,1897 |
0,0525 |
0,4921 |
0,7779 |
0,4376 |
0,7377 |
|
-0,125 |
154,92 |
0,2133 |
0,0604 |
0,3898 |
0,6927 |
0,3390 |
0,6441 |
|
0,200 |
160,00 |
0,2399 |
0,0696 |
0,2958 |
0,5913 |
0,2522 |
0,5374 |
|
0,518 |
165,00 |
0,2685 |
0,0798 |
0,2132 |
0,4771 |
0,1787 |
0,4228 |
|
0,907 |
170,00 |
0,2997 |
0,0910 |
0,1390 |
0,3471 |
0,1147 |
0,2991 |
|
1,547 |
179,94 |
0,3696 |
0,1168 |
0,0125 |
0,0385 |
0,0101 |
0,0312 |
|
18,488 |
180,96 |
0,3774 |
0,1200 |
0,0000 |
0,0000 |
0,0000 |
0,0000 |
|
##### |
|
0,40 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,35 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,30 |
|
|
|
|
|
|
|
МПа |
0,25 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Давление, |
0,20 |
|
|
|
π =0,12 МПа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
0,15 |
a |
|
|
|
|
b |
|
|
|
0,10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,05 |
|
|
|
|
tw =180,96oC |
|
|
|
|
|
o |
|
|
|
||
|
0,00 |
|
ta=131,98 C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
130 |
140 |
150 |
160 |
170 |
180 |
190 |
|
|
|
|
|
|
Температура, оС |
|
|
|
Рис.2. Зависимости давлений насыщенных паров н.октана и н.декана от температуры