Расчет бутановой колонны газофракционирующей установки

Компоненты	А	В	С
Пропан   i-бутан н-бутан i-пентан	15,726 15,5381 15,6782 15,6338	1872,46 2032,73 2154,9 2348,67	-25,16 -33,15 -34,42 -40,05

Температура верха должна быть такой, чтобы выполнялось следующее условие:                ∑x_i = 1   

                                                                   Расчёт температуры в верхней части колонны:     

Компоненты	УD, м.д.	t=62С
		Кi	xi
Пропан   i-бутан н-бутан	,069 ,924 ,007	2,369 0,984 0,331	0,029 0,939 0,021
Итого:	1		0,999

∑x_i =0,999 – это значение укладывается в интервал 0,99 – 1,01; следовательно, температура верха равна 62С. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Температура низа должна быть такой, чтобы выполнялось следующее условие:                ∑y_i = 1                                              Расчёт температуры в нижней части колонны:     

Компоненты	xW, м.д.	t=79С
		Кi	yi
i-бутан н-бутан i-пентан	0,015 0,974 0,011	1,322 1,01 0,459	0,011 0,965 0,024
Итого:	1		1

 

∑y_i =1 – это значение укладывается в интервал 0,99 – 1,01; следовательно температура низа равна 79С.               

                 

 

 

 4.3. Расчёт доли отгона сырья          

Примем температуру питания равной 70С (по заводским данным) и определим при этой температуре долю отгона сырья. Определение е будем вести по методу Трегубова, пользуясь следующим уравнением:

 

Определим константы  фазового равновесия компонентов при t=80С и давлении Р=9,5 кгс/см²:

 

Пропан   Ki=2,65

i-бутан    Ki=1,12

н-бутан   Ki=0,85

i-пентан  Ki=0,38

Задаёмся значением доли отгона е=0,1

 

Данное значение е подходит.          

 

 

                        4.4. Определение флегмового числа                  Флегмовое число, или отношение количества орошения к количеству дистиллята, вместе с числом тарелок является основным параметром, определяющим заданную чёткость разделения в процессе ректификации. При увеличении флегмового числа необходимое число тарелок уменьшается, и наоборот при увеличении числа тарелок флегмовое число уменьшается. Если флегмовое число меньше Rmin, то даже при бесконечном количестве тарелок не будет обеспечена заданная четкость разделения. 

                                                     

 

  4.4.1. Расчёт минимального флегмового числа.                 Для расчета минимального флегмового числа воспользуемся методом Андервуда.             Итерационным методом рассчитывается вспомогательный коэффициент Ө таким образом чтобы выполнялось равенство:                                                                                                         ,                                                            где n – число компонентов сырья; αi – средний коэффициент относительной летучести i-го компонента по отношению к наиболее высококипящему компоненту сырья. Ө - вспомогательный коэффициент, величина которого должна удовлетворять неравенству:         

Минимальное флегмовое число рассчитывается по уравнению:                             

 ,      где m – число компонентов в дистилляте;                   Необходимо дополнительно определить константы фазового равновесия при температуре низа для пропана и i-бутана, а также необходимо определить константы фазового равновесия при температуре верха для н-пентана, гексана, гептана и октана. 

Значения констант фазового равновесия веществ

Компонент	Ki для верха	Ki для низа
Пропан   i-бутан н-бутан i-пентан	2,33 0,963 0,72 0,32	3,19 1,3 0,99 0,45

Определение вспомогательного коэффициента для расчета минимального флегмового числа

Компоненты	xF
			Ө=2,603
Пропан   i-бутан н-бутан i-пентан	0,0288 0,396 0,5686 0,006	7,18 2,95 2,22 1	0,0452 3,3861 -3,2786 -0,00037
Итого:	1		0,11

Ө=2,603

Определим Rmin:                                       

                            4.4.2. Расчёт рабочего флегмового числа    

Рабочее флегмовое число определяется путем умножения минимального флегмового числа на коэффициент избытка флегмы, который равен 1,2.             R=Rmin∙1,2=6,922∙1,2=7,27                          4.5. Расчёт числа теоретических и практических тарелок                Минимальное число теоретических тарелок определяется по уравнению Фенске-Джиллиленда для многокомпонентных смесей:     , где индексы l и h относятся соответственно к легкому и тяжелому ключевым компонентам.                     Т.к. Nmin не может быть не целым числом, то оно округляется до ближайшего большего, т.е. до 31.

Рассчитаем количество тарелок в верхней секции колонны:

Количество тарелок в нижней секции колонны:

N=88-49=39

Число теоретических  тарелок при рабочем флегмовом  числе определяется по уравнению:                          

N=88             Число практических тарелок определяется по уравнению:       , где η – КПД тарелки, зависящее от типа самой тарелки и вязкости разделяемых сред. Для расчета КПД используется следующая формула:    ,                 где - динамическая вязкость при средней температуре в колонне, сПз. 

Для определения lg (μ) необходимо воспользоваться следующим выражением:               ,  где Т – средняя температура вверху или внизу колонны в К.

Определять КПД тарелок  для верха колонны будем по i-бутану:

; η=0,17 – 0,616∙(LG)=0,73

Определять КПД тарелок  для низа колонны будем по н-бутану:

; η=0,17 – 0,616∙(LG)=0,716

Определим практическое число тарелок Nпр.

- для верха:                                                                           

- для низа:    

 

Общее число практических тарелок: 123.

 

 

 

 

 

4.6. Тепловой баланс колонны

Из теплового баланса  колонны определяют расходы греющего пара, подаваемого в низ колонны, охлаждающей воды, подводимой к верхней части, а также внутренние материальные потоки в колонне.

 Тепловой баланс  колонны (без учёта тепловых потерь в окружающую среду) может быть представлен в следующем виде:  

             

Тепловой баланс холодильника – конденсатора имеет следующий  вид:

                          Энтальпия жидкости равна:                      i_ж = Сp*T*х(м.д.),           где Сp – теплоемкость жидкости, которая находится по уравнению:              Сp = А + В*Т + С*Т², Дж/(мольК) [2]       где А,В,С – константы для разных веществ;      Т – температура при которой находится теплоемкость, К

 

 

 

Значения коэффициентов  А, В, С       

Компоненты	А	В*103	С*106
Пропан   i-бутан н-бутан i-пентан	87,31 114,87 120,03 132,36	-12,359 -26,310 -37,83 -95,425	258,96 296,60 309,29 679,06

 

Значения теплосодержаний (энтальпий пара) компонентов, кал/моль [5]

Компоненты	300К	400К	500К
Пропан   i-бутан н-бутан i-пентан	3546 4317 4689 5346	5556 6964 7340 8596	8040 10250 10595 12620

 

С помощью интерполяции находим энтальпии пара при температуре  верха, сырья и низа колонны.

Принимаем температуру холодного орошения =55С  

Значения энтальпий  веществ при различных температурах с учетом мольных долей, Дж/моль

 

 

Компоненты	t=55С	t=62С	t=70С		t=79С
	ix.op.	Ii	ii	Ii	ii	Ii
Пропан   i-бутан н-бутан i-пентан	2461 41008 316,91 -	17817 21987 23547 -	1125 19208 28108 37195	18576 22984 24551 28342	- 752,14 49755 708,76	- 23872 25439 29500
Всего:	43786	63351	48813	94453	51216	78811

 

Для составления теплового баланса необходимо перевести массовые расходы в мольные:

;  ;  ; где Мср определяется по следующей формуле:           

MF=57,65(кг/кмоль)

MD=57,04(кг/кмоль)

MW=58,15(кг/кмоль)

 

Мольные расходы:

F=518,56(кмоль/ч)

D=217,18(кмоль/ч)

W=301,07(кмоль/ч)      

 

 Определим приход тепла с питанием (QF):

Определим, какое количество тепла отводится с дистиллятом (QD):

 

Определим, какое количество тепла отводится с куб. остатком (QW):

 

Из теплового баланса  холодильника – конденсатора определяем (Qd):

Из теплового баланса  колонны определяем количество тепла, которое необходимо подводить в низ колонны (QB):

  

С учётом 5% тепловых потерь:

QB=21,65*10^9 (Дж/ч)

 

 

 

    4.7. Расчёт величин внутренних потоков пара и жидкости в      

                                                   колонне  

 

Укрепляющая секция.

Составим систему уравнений  состоящую из уравнения материального  баланса и уравнения теплового  баланса:

    GB=LB+D

    GB*IT=LB*iT+D*iD,x.op.+Qd

 

- расход жидкости: , где I_T, i_T – энтальпии пара и жидкости при температуре верха колонны, кал/моль;

 

 

- расход пара:       

 

Отгонная секция.

Составим систему уравнений  состоящую из уравнения материального  баланса и уравнения теплового  баланса:

    L_H = G_H + W

    LH*iT+QB=GH*IT+W*iH          

- расход пара:   , где (iH-iT)=0, а IT, iT – энтальпии пара и жидкости при температуре низа колонны, кал/моль;

- расход жидкости:     Переведём расходы пара и жидкости из кмоль/ в кг/ч.

                   

             4.8. Предварительный расчёт диаметра колонны  

Предварительный расчет диаметра колонны проводится раздельно  для верхнего и нижнего сечения колонны .         Примем расстояние между тарелками Н=500мм. Примем приблизительную высоту сливной перегородки для клапанных тарелок hс=50мм. Ориентировочную величину динамического подпора жидкости над сливной перегородкой ∆h₀=70мм.  

 

               4.8.1. Расчёт диаметра верхней части колонны                Рассчитаем линейную скорость паров в точке захлебывания, т.е. отношение объемной скорости паров в данном сечении к рабочей площади тарелки:                                                                   ,    где σ – поверхностное натяжение на границе пар-жидкость при рабочих условиях, дин/см; ρ_v – плотность пара, кг/м³; Н, hc, ∆h0 – высоты, мм; А,В,С – коэффициенты зависящие от типа тарелок. Для клапанных тарелок: А=36,6; В=4,1; С=0,62.         Поверхностное натяжение рассчитывается с использованием формулы Этвиша:                       где Tkr – псевдокритическая температура, Tkr = 408,1 К.   Т – средняя температура в укрепляющей секции колонны, Т = 339,15 К. Му – средняя молекулярная масса паров, Му = 57,04    рl – плотность жидкости при средних температуре и давлении данной секции колонны, кг/м³ :              = (0,5573 – 0,00117∙46)1000 = 504,1   где – относительная плотность жидкости при 20 ⁰С.                 Коэффициент поверхностного натяжения на границе пар-жидкость равен: σ = 5,614 дин/см.