Расчет ректификационной колонны

В данном пособии приводится наиболее часто встречающаяся в курсовом и дипломном проектировании последовательность расчета процесса ректификации. Методики расчёта многокомпонентной ректификации широко известны и изложены в литературе [8,9]. Методы и последовательность расчёта различаются в зависимости от исходных условий (набора исходных значений) и целей расчёта (простейший расчёт, поверочный расчёт и т.д.).

Расчёт колонны ректификации многокомпонентной смеси обычно осуществляется в следующей последовательности:

  • - расчет материального баланса ректификации (составы и количества дистиллята и кубового остатка);
  • - определение давлений верха и низа колонны;
  • - расчет температур верха и низа колонны;
  • - определение доли отгона и фазового состояния сырья;
  • - расчет минимального числа теоретических ступеней разделения по уравнению Фэнске;
  • - расчет минимального флегмового числа по методу Андервуда;
  • - определение флегмового числа и количества тарелок по корреляции Джиллиленда;
  • - расчет теплового баланса для определения тепловой нагрузки на кипятильник и конденсатор колонны;
  • - расчет диаметра колонны;
  • - расчет гидравлического сопротивления массообменных устройств и определение высоты колонны;
  • - механический расчет (толщина крышек и обечаек, крепление, ветровая нагрузка, диаметр штуцеров и др.).

Расчёт материального баланса многокомпонентной ректификации

Целью расчета материального баланса процесса многокомпонентной ректификации является определение состава и количества исходного сырья, дистиллята и кубового остатка. Наиболее частым случаем является определение состава и количества дистиллята и кубового остатка по заданному сырью.

Для определения состава дистиллята и кубового остатка используются понятия тяжелого и легкого ключевых компонентов.

Тяжелый ключевой компонент (ТКК) - это самый тяжелый из всех компонентов содержащихся в дистилляте.

Легкий ключевой компонент (ЛКК) - это самый легкий из всех компонентов содержащихся в кубовом остатке.

Методика составления и расчёта материального баланса различается в зависимости от требуемой четкости разделения смесей.

Четкость разделения или фракционный состав получаемых продуктов определяется заданием на проектирование.

При нечеткой ректификации многокомпонентных смесей материальный баланс колонны может быть составлен после проведения полного потарелочного расчета колонны.

При четкой ректификации содержанием компонентов в дистилляте более тяжелых, чем ТКК, а также содержанием компонентов в кубовом остатке более легких, чем ЛКК пренебрегают.

Далее рассматривается метод расчета четкой ректификации.

Материальный баланс простой ректификационной колонны записывается в следующем виде:

F=D+W, (1)

где F, D и W - расходы соответственно по сырью, дистилляту и кубовому остатку, кг/ч или кмоль/ч.

Необходимо отметить, что расчет материального баланса четкой ректификации может производиться в любых соответствующих размерностях, например, кг/ч и %масс, кг/ч и массовые доли, кмоль/ч и мольные доли. Однако, все расчеты связанные с определением параметров работы колонны могут производиться только с использованием мольных концентраций, что связано с допущением в рассматриваемых методах расчета постоянства мольных расходов пара и жидкости по сечению колонны.

Для сложных колонн необходимо также учесть все входящие и выходящие из колонны материальные потоки.

Покомпонентный материальный баланс для системы из п компонентов имеет вид:

п tkk п

(2) i=l /=1 i=lkk

или система уравнений

F • с. = D • у. + W • х,

1 1 1 (3)

F • с2 = D • у2 + W • х2

F c3 = D - y3+W • x3

Cc„=Dy„+Wx„ • где с,, yt, л, - составы питания, дистиллята и кубового остатка соответственно (массовые или мольные доли); tkk и 1кк - индексы для ТКК и ЛКК соответственно.

Расчет материального баланса многокомпонентной ректификации сводится к решению системы уравнений.

При расчете многокомпонентной ректификации, как правило, известен состав и количество питания колонны. Требуется найти состав и количество дистиллята и кубового остатка. Для этого необходимо описать требуемые составы дистиллята и кубового остатка.

Уравнения системы материального баланса располагают в порядке уменьшения летучестей компонентов (или увеличения температур кипения) сверху вниз, что соответствует реальному физическому распределению компонентов по ректификационной колонне (большая часть или все легкие компоненты отбирают с дистиллятом, соответственно тяжелые - с кубовым остатком).

При расчете четкой ректификации начинать решение следует с выбора тяжелого и легкого ключевых компонентов. Ключевые компоненты должны быть соседними. При этом должны выполняться условия: индекс tkk = Ikk +1; xi = 0 для для п > i > tkk ; где 1 < i < п.

Для решения системы уравнений материального баланса требуется, чтобы количество неизвестных переменных равнялось количеству уравнений, но в большинстве случаев, когда известны состав и количество питания и заданны ключевые компоненты, количество переменных всегда будет на единицу больше чем число уравнений, т.е. система уравнений не имеет однозначного решения, поэтому систему дополняют условием разделения: ^х = 1 или 2> = 1.

Пример, необходимо составить систему уравнений материального баланса колонны для выделения целевого продукта дистиллята с содержанием компонента 4 не более 0.001 масс, долей, при этом содержание компонента 3 в кубовом остатке не должно превышать 0.003 масс, долей. Также заданны количество и состав питания - F, се.

Компонент

Ci

У>

________Xi________

1.

0,2

У1

X] = 0

Увеличение

2.

0,1

У2

х2 = 0

температур

3.

0,1

Уз

Х4(1кк) = 0.003

кипения или

4.

0,1

y4(lkk) = 0.001

х4

уменьшение

5.

0,2

) 5 = 0

Х5

парциальных

6.

0,1

Уб = о

Х6

давлений

7.

0,2

У7=0

Х7

  • (летучестей)
  • ?

Всего:

1

1

1

В дистилляте по условиям ТКК будет 4-й, соответственно в кубовом остатке ЛКК - 3-й, тогда содержание xh х2 в кубовом остатке и у5, Уб> У? - в дистилляте принимается нулевым. Таким образом, исходная смесь разделяется по границе между компонентами 3 и 4. Система уравнений учитывая, что Ж = F — D, примет вид:

DF-c^D-y,

  • 2) F-c2 = Dy2
  • 3) F-c3 = D-y3+( F-D)-x3
  • 4) Fc4=Dy4+(F-D)x4
  • 5) F-c5 =( F-D)-x5
  • 6) Fc6 =( F-D)x6
  • 1)F-c1=(F-D)-x1
  • 8)^+X4+X5+X6+X7 =1 ИЛИ У1 +У2 + Уз +?4 =1

Здесь заданные переменные F, а, с2, Сз, с4, С5, с в, с7, Хз^кк), у4(1кк), а искомые по числу уравнений - D, yh у2, у3, х4, х5, х6, х7.

Кроме вышеперечисленных методов расчёта существуют другие. При отсутствии опытных данных о составе дистиллята расчёт материального баланса можно произвести по методу Б.Н. Михайловского [1].

Принимая количество дистиллята за единицу, можно написать уравнение материального баланса примет вид:

F = 1 — W. (4)

Для любого компонента (например, легкого ключевого 1кк) это выражение будет иметь следующий вид:

F ' XlkkF 1’ Xlkko + W • X/kkW X/kkD^~(^ ' XlkkW ’

откуда

p _ ^IkkD -VkkW

(6)

XlkkF ~ XlkkW

Содержание каждого компонента i в дистилляте определяется после вычисления F и F = 1 — W по формуле:

  • 1Г> 1
  • (7)

x,F+W ? хт ? РГ'’

где xiD - содержание компонента i в дистилляте; x/D - содержание наиболее легколетучего компонента I в дистилляте; xiF - содержание компонента i в питании; хщ - содержание легколетучего компонента в

кубе; Д =— - относительная летучесть, взятая как отношение констант фазового равновесия наиболее легколетучего компонента и данного компонента при температуре питания; N - минимальное число ступеней изменения концентраций, соответствующее бесконечно большому значению флегмового числа.

Величина N определяется методом подбора. Истинное её значение определяется при Ех= 1-

Содержание каждого компонента в кубовой жидкости определяется по формуле

(8)

iw~ D '

Расчёт материального баланса удобно производить по методу Хенгстебека[1]. Метод основан на наблюдении, что при флегмовом числе, значительно отличающимся от минимального, имеет приближённое соотношение:

/ d; ~

lg- = C-ai+ const,

(9)

b,

где d, - содержание компонента в дистилляте, кмоль/ч; Ь, - то же, в кубовой жидкости, кмоль/ч: С - константа (определяется по рис. 36);

Otj - относительная летучесть компонента при средней температуре между верхом и низом колонны (удобнее принимать по тяжёлому ключевому компоненту).

метода Хенгстебека)

Задаваясь соотношением d и b для легкого и тяжелого ключевых компонентов и проводя прямую линию в системе координат / di lg — — OCi, через точки,

b,

найденные для ключевых компонентов, находят d соотношение — для всех h

компонентов по их относительны летучестям (рис. 27). После этого можно составлять

материальный баланс ректификации по всем компонентам.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >