Построение линий рабочих концентраций, графическое определение числа теоретических и действительных тарелок

Для определения числа теоретических тарелок надо располагать линией равновесия и знать закон изменения сопряженных концентраций  и  по высоте колонны. В диаграмме зависимость сопряженных концентраций представляет собой рабочую линию процесса. Можно выявить характерные точки, которые проходит рабочая линия для верхней части колонны. При , т.е. рабочая линия проходит через точку , находящуюся на диагонали диаграммы . Положение точки  зависит только от состава ректификата и не зависит от величины потока флегмы.

Поэтому через точку  рабочая линия проходит независимо от того, изменяется масса потока флегмы по высоте колонны.

Для определения координат второй точки принимается (рисунок 8).

,

,

.

Для определения координат третьей точки (точки ) рабочей линии

принимается .

,

,

.

Последовательность построения рабочих линий следующая:

- при х=y_D находят точку D на диагонали квадрата;

- откладывают отрезок у_в на оси ординат (точка В);

- соединяют две точки сплошной линией - эта рабочая линия концентрационной части колонны;

- при х=x_w находят точку W на диагонали квадрата

- откладывают отрезок х_с на оси ординат (точка C);

- соединяют две точки сплошной линией – эта рабочая линия отгонной части колонны (рисунок 8).

DB - рабочая линия концентрационной части, СW – рабочая линия  
отгонной части

Рисунок 8 – Построение рабочих линий

Для теоретической тарелки составы по НКК пара, уходящего с тарелки, и жидкости, стекающей с нее находятся в равновесии. Поэтому число теоретических тарелок (ступеней процесса) графически получают путем проведения вертикальных и горизонтальных отрезков между рабочими линиями и линией равновесия. Вертикальные отрезки характеризуют изменения состава паровой фазы, а горизонтальные – жидкой фазы на теоретической тарелке (рисунок 9).

Рисунок 9 – Графическое определение числа теоретических
тарелок

По построенному графику определяем число теоретических тарелок в колонне:

- в концентрационной части 

- в отгонной части

Затем делается расчет с помощью ЭВМ

Расчет фактического числа тарелок

Для определения реального числа тарелок необходимо принять КПД тарелок  (0,5 – 0,9). Для концентрационной и отгонной секций колонны . Для секций колонны число реальных тарелок определяется по следующей формуле:

.

Для концентрационной части:

 тарелок.

Для отгонной секции:

тарелок

Суммарное число реальных тарелок:

 тарелок.

Определение скорости пара и расчет диаметра ректификационной колонны

    При вводе в ректификационную колонну сырьевой парожидкостной смеси наиболее нагруженным по паровому потоку является сечение колонны под верхней тарелкой концентрационной части (рисунок 10). Следовательно, расчет диаметра колонны проводится по этому сечению.

Рисунок 10 - Сечение колонны под верхней тарелкой концентрационной части

Самая большая нагрузка на 2 тарелке.

Сечение  и соответствующий диаметр колонны  определяется по секундному объемному расходу паров  в наиболее нагруженном сечении и допустимой скорости паров в свободном сечении  последующим форму-

лам:

,

.

В первую очередь необходимо определить энтальпии пара и жидкости

при соответствующих температурах по формулам:

,

,

    Далее определяется количество холодного и горячего орошения:

 кг/ч,

 кг/ч.

Массовый расход определяется по верхнему контуру колонны:

 кг/ч.

Секундный объемный расход паров

 м³/с.

    Допускаемая скорость паров рассчитывается по формуле Саудерса-

Брауна:

, м/с

где С = 630  (при расстоянии между тарелками 400 мм) – коэффициент, зависящий от конструкции тарелок, расстояния между тарелками, рабочего давления в колонне, нагрузке колонны по жидкости.

 кг/м³,

кг/м³,

    Диаметр колонны:

 м.

    По ГОСТ 9617-76 установлен ряд внутренних диаметров для сосудов и аппаратов. Для стальных аппаратов рекомендованы значения диаметров:

· от 400 до 1000 мм - через 100 мм,

· от 1200 до 4000 мм - через 200 мм,

· 2500 мм, 4500 мм, 5000 мм, 5600 мм, 6300 мм,

· от 7000 до 10000 мм - через 500 мм.

Расчет высоты колонны

Общая высота ректификационной колонны складывается из полезной высоты колонны и высоты опорной обечайки.

Н = Н_п + z_в + z_н

где z_в, z_н – расстояние соответственно между верхней тарелкой и крышкой колонны и между днищем колонны и нижней тарелкой, м.

Полезная высота определяется числом тарелок и выбором расстояния между тарелками, расположением люков для монтажа и ремонта тарелок, конструкцией узла ввода сырья, конденсатора и кипятильника.

Н_п = (n-1)·Н+(n_л-1)·Н_л

В результате технологического расчета высота колонны определяется приближенно, в дальнейшем, на стадии конструктивной проработки, она уточняется.

Расстояние между тарелками принимается: H = 0,2-0,6 м. Через каждые 4-5 тарелок по высоте колонны устанавливаются люки для обеспечения монтажа и ремонта тарелок. Диаметр люка обычно составляет не менее 450 мм, а расстояние между тарелками в месте установки люка принимается не менее 600 мм. Межтарельчатое расстояние в местах установки люков можно принять H_л = 0,6 м.

Расстояние между верхним днищем колонны и ее верхней концентрационной тарелкой выбирают с учетом конструкции (наличие отбойников, распределителей жидкости и т.д.), оно равно примерно трем расстояниям между тарелками. Высота питательной зоны колонны определяется конструкцией узла ввода сырья и его фазовым состоянием.

Расстояние между нижним днищем и нижней тарелкой отгонной секции может определяться с учетом необходимого запаса жидкости в случае прекращения поступления сырья в колонну.

Расстояние от уровня жидкости до нижней тарелки отгонной части колонны составляет обычно 1-2 м и выбирается таким, чтобы распределение поступающего из кипятильника пара по сечению колонны было равномерным. При этом большие расстояния соответствуют колоннам большего диаметра.

В тех случаях, когда нет необходимости создавать запас жидкости в колонне, расстояние от нижнего днища до нижней тарелки принимается из конструктивных соображений.

Обычно, расстояние между тарелками принимают в зависимости от диаметра ректификационной колонны (таблица 3).

Таблица 3 – Расстояние между тарелками

Например:

Для колонны диаметром 1600 мм (согласно таблице 3) принимаем расстояние между тарелками Н = 400 мм.

Межтарельчатое расстояние в местах установки люков примем H_л = 0,6 м.

Полезную высоту колонны определим по формуле:

Н_п = (n-n_л -1)·Н+(n_л-1)·Н_л,

Н_п = (23-4-1)·0,4 + (4-1)·0,6 = 9 (м)

где n_л – число люков в колонне.

Общую высоту ректификационной колонны определим по формуле:

Н = Н_п + z_в + z_н,

где z_в, z_н – расстояние соответственно между верхней тарелкой и крышкой колонны и между днищем колонны и нижней тарелкой, м. Примем эти расстояния 1,6 м и 2 м соответственно. Н = 9+1,6+2 =12,6 м.

Вывод

Рассчитана ректификационная колонна с дискретным контактом фаз высотой   м и диаметром  мм, обеспечивающая заданную производительность  т/ч и четкость разделения бинарной смеси, выраженной в мольной доле НКК в дистилляте .

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Ахметов С. А. Технология глубокой переработки нефти и газа.- Учебное пособие для вузов.- Уфа: Гилем, 2002.- 672с.

2. С. А. Ахметов, М. Х. Ишмияров, А. П. Веревкин и др. Технология, экономика и автоматизация процессов переработки нефти и газа: Учебное пособие.- М.: Химия, 2005.- 736 с.

3. Айнштейн В. Г., Захаров М. К., Носов Г. А. Общий курс процессов и ап­паратов химической технологии.- М.: Логос, 2002.- 1760с.

4. Скобло А. И, Трегубова И. А, Молоканов Ю.К. Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.- М.: Химия, 2000.- 585с.

5. Поникаров И.И., Поникаров С.И., Рачковский С.В. Расчеты машин и аппаратов химических производств и нефтегазопереработки .- Учебное пособие .- Москва: Альфа-М, 2008.-717 с.