Выбор и обоснование схемы разделения исходной смеси
Скачать:
3 Выбор и обоснование схемы разделения исходной смеси
Схема разделения исходной смеси представлена на рисунке 4. Исходная смесь в парожидкостном состоянии подается в колонну К-100. С верха колонны К-100 отводится балансовое количество дистиллята с суммарным мольным содержанием н-бутана и н-пентана 0,9999. С низа колонны К-100 отводится балансовое количество остатка с суммарным мольным содержанием н-гексана и н-гептана 0,9999.
Далее полученная смесь н-бутана и н-пентана поступает в теплообменник Т-100, откуда подается в колонну К-101. С верха колонны К-101 отводится балансовое количество дистиллята с суммарным мольным содержанием н-бутана 0,999. С низа колонны К-101 отводится балансовое количество остатка с суммарным мольным содержанием н-пентана 0,999.
Остаток колонны К-100 (смесь н-гексана и н-гептана) поступает в теплообменник Т-101, откуда подается в колонну К-102. С верха колонны К-102 отводится балансовое количество дистиллята с суммарным мольным содержанием н-гексана 0,999. С низа колонны К-102 отводится балансовое количество остатка с суммарным мольным содержанием н-гептана 0,999.
Рисунок 4- Схема многократного испарения (конденсации)
4 Расчёт по определению оптимального ввода сырья и оптимального размера колонн
В ректификационной колонне заданные составы ректификата и остатка могут быть получены при различных флегмовых(паровых) числах и соответствующих числах теоретических тарелок. При бесконечном флегмовом числе в колонне будет минимальное число тарелок Nmin. При уменьшении флегмового числа число тарелок в колонне увеличивается, при минимальном флегмовом числе Fmin число тарелок возрастает до бесконечно большого.
Таким образом, количество орошения и необходимое число тарелок, а следовательно, и высота колонны в определенных пределах являются взаимосвязанными величинами, при этом четкость разделения будет оставаться одной и той же.
Для определения оптимального размера колонны находим необходимое количество тарелок исходя из зависимости флегмового числа от произведения N(F+1) . Выбираем число тарелок при котором данное произведение будет минимальным. Для определения оптимального ввода сырья при выбранном количестве тарелок находим номер тарелки ввода питания, при котором флегмовое число будет минимальным , результаты расчетов приведены в таблицах для каждой колонны .
4.1 Результаты расчетов для колонны К-100.
Таблица 7- Значение флегмового числа (F) в зависимости от количества тарелок (N) для колонны К-100.
|
Число тарелок N |
Флегмовое число F |
(F+1)*N
|
|
16 |
208,5 |
3352 |
|
17 |
12,78 |
234,26 |
|
18 |
6,606 |
136,91 |
|
19 |
5,165 |
117,14 |
|
20 |
3,634 |
92,68 |
|
21 |
3,031 |
84,65 |
|
22 |
2,839 |
84,46 |
|
23 |
2,443 |
79,19 |
|
24 |
2,171 |
76,11 |
|
25 |
1,977 |
74,43 |
|
26 |
1,893 |
75,22 |
|
27 |
1,847 |
76,87 |
|
28 |
1,824 |
79,07 |
|
29 |
1,813 |
81,58 |
|
30 |
1,808 |
84,24 |
|
31 |
1,806 |
86,99 |
Вывод : оптимальные размеры колонны достигаются при числе тарелок – 25.
|
(F+1)·N |
|
F |
Рисунок 5 – Определение Fопт для колонны К-100
Таблица8 - значение флегмового числа (F) от тарелки ввода (N)
|
Номер тарелки ввода |
н Флегмовое число F |
|
1 |
2572 |
|
2 |
702,33 |
|
3 |
214,34 |
|
4 |
69,19 |
|
5 |
24,11 |
|
6 |
9,811 |
|
7 |
5,02 |
|
8 |
3,24 |
|
9 |
2,43 |
|
10 |
2,12 |
|
11 |
1,97 |
|
12 |
1,99 |
|
13 |
2,08 |
|
14 |
2,28 |
|
15 |
2,61 |
|
16 |
3,12 |
|
F |
|
N |
Рисунок 6– Определение оптимальной тарелки ввода для колонны К-100
Оптимальная тарелка ввода для колонны К-100 - 11 тарелка.
4.2 Результаты расчетов для колонны К-101
Таблица 9 – Значение флегмового числа (F) в зависимости от количества тарелок (N) для колонны К-101
|
Число тарелок N |
Флегмовое число F |
(F+1)·N
|
|
10 |
14,62 |
156,20 |
|
11 |
7,08 |
88,87 |
|
12 |
5,12 |
73,18 |
|
13 |
3,67 |
60,76 |
|
14 |
2,99 |
55,99 |
|
15 |
2,53 |
52,92 |
|
16 |
2,26 |
52,14 |
|
17 |
2,13 |
53,26 |
|
18 |
2,09 |
55,62 |
|
19 |
2,07 |
58,39 |
Вывод: оптимальные размеры колонны достигаются при числе тарелок -16
|
N |
|
(F+1)·N |
Рисунок 7 - Определение Fопт для колонны К-101
Таблица- значение флегмового числа (F) от тарелки ввода (N)
|
Номер тарелки ввода |
н Флегмовое ч число F |
|
11 1 |
409,80 |
|
2 |
89,81 |
|
3 |
21,74 |
|
4 |
7,17 |
|
5 |
3,69 |
|
6 |
2,73 |
|
7 |
2,47 |
|
8 |
2,53 |
|
9 |
2,84 |
|
10 |
3,51 |
|
11 |
4,89 |
|
12 |
8,18 |
|
13 |
17,81 |
|
14 |
50,63 |
|
15 |
165,60 |
|
F |
|
N |
Рисунок 8 – Определение оптимальной тарелки ввода для колонны К-101
Оптимальная тарелка ввода для колонны К-101 – тарелка 7
4.3 Результаты расчетов для колонны К-102
Таблица 9 – Значение флегмового числа (F) в зависимости от количества тарелок (N) для колонны К-102
|
Число тарелок N |
Флегмовое число F |
(F+1)·N
|
|
16 |
8,30 |
148,74 |
|
17 |
4,72 |
97,17 |
|
18 |
3,47 |
80,44 |
|
19 |
2,85 |
73,21 |
|
20 |
2,48 |
69,62 |
|
21 |
2,24 |
68,12 |
|
22 |
1,93 |
64,35 |
|
23 |
1,74 |
62,95 |
|
24 |
1,63 |
63,02 |
|
25 |
1,53 |
63,25 |
|
26 |
1,46 |
63,91 |
|
27 |
1,40 |
64,88 |
|
28 |
1,37 |
66,39 |
|
29 |
1,35 |
68,27 |
|
30 |
1,30 |
69,03 |
Вывод: оптимальные размеры колонны достигаются при числе тарелок - 23
|
N |
|
(F+1)·N |
Рисунок 9 – Определение Fопт для колонны К-102
Таблица- значение флегмового числа (F) от тарелки ввода (N)
|
Номер тарелки ввода |
н Флегмовое ч число F |
|
1 |
175,82 |
|
2 |
67,94 |
|
3 |
27,35 |
|
4 |
12,24 |
|
5 |
6,46 |
|
6 |
4,11 |
|
7 |
2,99 |
|
8 |
2,41 |
|
9 |
2,06 |
|
10 |
1,86 |
|
11 |
1,76 |
|
12 |
1,74 |
|
13 |
1,83 |
|
14 |
1,97 |
|
15 |
2,34 |
|
16 |
3,08 |
|
17 |
4,5 |
|
18 |
8,13 |
|
19 |
15,92 |
|
F |
|
N |
Рисунок 10 – Определение оптимальной тарелки ввода для колонны К-102
Оптимальная тарелка ввода для колонны К-102 – тарелка 12
Оптимальное число тарелок и тарелка ввода сырья для каждой колонны представлены в таблице 10
Таблица 10 – Оптимальное число тарелок и тарелка ввода для каждой колонны
|
Параметры |
К-100 |
К-101 |
К-102 |
|
Оптимальное число тарелок |
25 |
16 |
23 |
|
Тарелка ввода |
11 |
7 |
12 |
5 Расчет основных параметров работы ректификационных колонн
Флегмовые и паровые числа для колонн К-100, К-101, К-102 приведены в таблице 11. Параметры основных материальных потоков приведены в таблице 12. Графики зависимостей температуры, давления, состава, расхода пара и жидкости от номера тарелки показаны на рисунках 11-22.
Таблица 11 – Флегмовые и паровые числа для колонн
|
Колонна |
Флегмовое число |
Паровое число |
|
К-100 |
1,98 |
1,89 |
|
К-101 |
2,47 |
1,48 |
|
К-102 |
1,74 |
6,34 |
|
N |
Рисунок 11 – Зависимость температуры от номера тарелки для колонны К-100
|
N |
|
Р, кПа |
Рисунок 12 – Зависимость давления от номера тарелки для колонны К-100.
|
Расход, кг/с |
|
N |
Рисунок 13 – Зависимость расхода пара и жидкости от номера тарелки
|
N |
Рисунок 14 – Зависимость состава (мольная доля) от номера тарелки для колонны К-100
|
t, 0C |
|
N |
Рисунок 15 – Зависимость температуры от номера тарелки для колонны К-101
|
Р, кПа |
|
N |
Рисунок 16 – Зависимость давления от номера тарелки для колонны К-101
|
Расход, кг/с |
|
N |
Рисунок 17 – Зависимость расхода пара и жидкости от номера тарелки для колонны К-101
|
мольная доля |
Рисунок 18 – Зависимость состава (мольная доля) от номера тарелки для колонны К-101
|
t, 0C |
|
N |
Рисунок 19 – Зависимость температуры от номера тарелки для колонны К-102
|
Р, кПа |
|
N |
Рисунок 20 – Зависимость давления от номера тарелки для колонны К-102.
|
Расход, кг/с |
|
N |
Рисунок 21 – Зависимость расхода пара и жидкости от номера тарелки для колонны К-102
|
мольная доля |
|
N |
Рисунок 22 – Зависимость состава (мольная доля) от номера тарелки для колонны К-102
Основные параметры потоков приведены в таблице 12.
Таблица 12- Основные параметры потоков
|
Поток |
Доля пара
|
Температура, 0С |
Давление, кПа |
Массовый расход, кг/с |
Мольная доля |
||||
|
н-бутан |
н-пентан |
н-гексан |
н-гептан |
||||||
|
Колонна К-100 |
|||||||||
|
Смесь |
0,4279 |
47,60 |
101,3 |
10 |
0,2 |
0,3 |
0,4 |
0,1 |
|
|
флегма |
0,00 |
9,63 |
80 |
4,28 |
0,39999 |
0,59999 |
0,00011 |
0,00001 |
|
|
куб |
0,00 |
71,19 |
95 |
5,72 |
0,00011 |
0,00001 |
0,79999 |
0,20001 |
|
|
Колонна К-101 |
|||||||||
|
флегма |
0,35 |
12,17 |
75 |
4,28 |
0,39999 |
0,59999 |
0,00011 |
0,00001 |
|
|
н-бутан |
0,00 |
-17,72 |
50 |
1,49 |
0,99990 |
0,00091 |
0,00061 |
0,00043 |
|
|
н-пентан |
0,00 |
23,72 |
65 |
2,78 |
0,00082 |
0,99990 |
0,00001 |
0,00052 |
|
|
Колонна К-102 |
|||||||||
|
куб |
0,7747 |
72,38 |
90 |
5,72 |
0,00011 |
0,00001 |
0,79999 |
0,20001 |
|
|
н-гексан |
0,00 |
57,64 |
70 |
4,44 |
0,00001 |
0,00012 |
0,99990 |
0,00087 |
|
|
н-гептан |
0,00 |
92,53 |
85 |
1,29 |
0,00001 |
0,00002 |
0,00110 |
0,99899 |
|
6 Расчет контактных устройств и основных размеров колонн
Для колонн К-100, К-101, К-102 выбираем ситчатые тарелки. Характеристики выбранных контактных устройств и секций колонн приведены в таблице 14.
Рассчитываем значения флегмового числа для колонн при различном КПД контактных устройств. Строим графики зависимости F от КПД (рисунки 23-25).
Таблица 13-Показания флегмового числа от КПД тарелки
|
Колонна К-100 |
Колонна К-101 |
Колонна К-102 |
|||
|
КПД |
F |
КПД |
F |
КПД |
F |
|
1 |
1,98 |
1 |
2,48 |
1 |
3,79 |
|
0,95 |
2,21 |
0,95 |
2,79 |
0,95 |
3,91 |
|
0,9 |
2,55 |
0,9 |
3,29 |
0,9 |
4,04 |
|
0,85 |
3,15 |
0,85 |
4,12 |
0,85 |
4,22 |
|
0,8 |
4,29 |
0,8 |
5,67 |
0,8 |
4,51 |
|
0,75 |
7,17 |
0,75 |
9,32 |
0,75 |
5,24 |
|
0,7 |
23,53 |
0,7 |
24,97 |
0,7 |
26,41 |
|
0,69 |
43 |
0,69 |
37,14 |
0,69 |
40,18 |
|
0,68 |
238,13 |
0,68 |
70,92 |
0,68 |
97,53 |
|
0,678 |
2154 |
0,67 |
734,42 |
0,67 |
983,94 |
|
0,6779 |
3646 |
0,669 |
13365 |
0,669 |
7934 |
|
КПД |
|
F |
Рисунок 23 – Зависимость флегмового числа от КПД тарелок для колонны К-100
|
F |
|
КПД |
Рисунок 24 – Зависимость флегмового числа от КПД тарелок для колонны К-101
|
F |
|
КПД |
Рисунок 25 – Зависимость флегмового числа от КПД тарелок для колонны К-102
Как видно из рисунков, чем ниже КПД тарелок, тем больше флегмовое число, следовательно, тем большее количество орошения необходимо подавать на верх колонн. Чем больше орошения, тем больше диаметр колонн, что увеличивает капитальные затраты. Следует стремиться к повышению КПД тарелок.
Таблица 14 – Расчетные данные контактных устройств
|
Колонна |
К-100 |
К-101 |
К-102 |
|
Контакт. устройства |
ситчатые |
ситчатые |
ситчатые |
|
Диаметр секции, м |
2,44 |
1,68 |
4,27 |
|
Макс.захлебывание, % |
70,67 |
75,24 |
79,52 |
|
Поперечное сечение, м2 |
4,67 |
2,21 |
14,30 |
|
Высота секции, м |
15,24 |
9,14 |
9,75 |
|
Сопрот.секции, кПа |
0,16 |
0,10 |
0,13 |
|
Поточность |
1,00 |
1,00 |
1,00 |
|
Длина потока, мм |
1778,00 |
1206,50 |
3149,60 |
|
Ширина хода, мм |
2200,58 |
1517,60 |
3839,50 |
|
Макс.заполн.слив.стакана, % |
38,49 |
34,32 |
47,13 |
|
Макс.нагрузка на перегор. |
57,10 |
34,38 |
82,50 |
|
Макс.сопротив.тарелки, кПа |
0,01 |
0,01 |
0,01 |
|
Расстояние между тарелками, мм |
609,60 |
609,60 |
609,60 |
|
Общ.длина перегор., мм |
1668,69 |
1163,90 |
2879,07 |
|
Высота перегородки, мм |
50,80 |
50,80 |
50,80 |
|
Актив.площ., м2 |
3,91 |
1,83 |
12,09 |
|
Зазор слив.стакана, мм |
38,10 |
38,10 |
38,10 |
|
Площ.слив.стакана, м2 |
0,38 |
0,19 |
1,10 |
|
Длина бок.слив.перегор., м |
1,67 |
1,16 |
2,88 |
|
Площадь отверстий, м2 |
0,60 |
0,28 |
1,85 |
|
Оценка числа отвер./клап. |
506,01 |
237,06 |
1562,90 |
|
Площадь перелива, м2 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
|
Ширина бок.сл.стак, верх, мм |
330,20 |
234,95 |
558,80 |
|
Ширина бок.сл.стак, низ, мм |
330,20 |
234,95 |
558,80 |
|
Длина бок.сл.стак, верх, м |
1,67 |
1,16 |
2,88 |
|
Длина бок.сл.стак, низ, м |
1,67 |
1,16 |
2,88 |
|
Площ. бок.сл.стак, верх, м2 |
0,38 |
0,19 |
1,10 |
|
Площ. бок.сл.стак, низ, м2 |
0,38 |
0,19 |
1,10 |
Диаметр колонны приравниваем диаметру контактного устройства (тарелки) Высота колонны считается по формуле:
H=2·hвн+(n+1)·hт
где hвн - расстояние между первой тарелкой и верхом колонны, hвн =0,6 м ;
n - число тарелок в колонне;
hт - расстояние между тарелками в колонне, м.
Полученные результаты приведены в таблице 15.
Таблица 15- Основные размеры колонн
|
Колонна |
К-100 |
К-101 |
К-102 |
|
Диаметр, м |
2,44 |
1,68 |
4,27 |
|
Высота, м |
17,05 |
10,95 |
11,56 |
7 Основные параметры материальных потоков
Основные параметры материальных потоков,циркулирующие в подсхеме колонн ,включающие в себя ректификационную колонну,конденсатор и ребойлер,приведены в таблице 16.
Таблица 16- Характеристика потоков подсхемы колонн.
Поток
Доля
пара
Температура,
0С
Давление,
кПа
Массовый
расход,
кг/с
Мольная доля
н-бутан
н-пентан
н-гексан
н-гептан
Колонна К-100
Смесь
0,4279
47,60
101,3
10
0,2
0,3
0,4
0,1
Флегма
0,00
9,63
80
4,28
0,39999
0,59999
0,00011
0,00001
Куб
0,00
71,19
95
5,72
0,00011
0,00001
0,79999
0,20001
Конденсатор
1
20,12
80
12,74
0,39999
0,59999
0,00011
0,00001
Ребойлер
0
69,63
95
16,34
0,00001
0,00022
0,87021
0,12957
Бойлюп
1
71,24
95
10,62
0,00001
0,00029
0,90744
0,09229
Рефлюкс
0
9,63
80
8,46
0,39999
0,59999
0,00011
0,00001
Колонна К-101
Флегма
0,35
12,17
75
4,28
0,39999
0,59999
0,00011
0,00001
н-бутан
0,00
-17,72
50
1,49
0,99990
0,00099
0,00061
0,00043
н-пентан
0,00
23,72
65
2,78
0,00082
0,99990
0,00001
0,00052
Конденсатор
1
-17,65
50
5,19
0,99990
0,00099
0,00061
0,00043
Ребойлер
0
23,64
65
6,91
0,00204
0,99786
0,00009
0,00001
Бойлюп
1
23,72
65
4,13
0,00284
0,99711
0,00001
0,00001
Рефлюкс
0
-17,72
50
3,69
0,99990
0,00099
0,00061
0,00043
Колонна К-102
Куб
0,7747
72,38
90
5,72