книги / Справочное пособие по теплотехнологическому оборудованию промышленных предприятий
..pdf
Общее число тарелок п=26, с учетом коэффициента запаса принимаем л =30, из них в верхней части колонны 14 и в нижней части 16 тарелок.
Высота тарельчатой части колонны Я т = (л -1 )/г= (30-1)0,3=8,7 м.
Общее гидравлическое сопротивление тарелок
Др=Др'л'+Др"л"=461 • 14+532-16=14 950 Па.
5.Выполняем тепловой расчет колонны.
Расход тепла, отдаваемого охлаждающей водой в дефлегматоре-конденса торе,
QD = |
(1 + |
Ю rD ~ ”^ о о ” (I |
1 ’78) 392 ‘ |
103 = 1 550 000 Вт = 1,55 МВт. |
|||||||
Здесь |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
rD = xDr6 + ( l — х£))г т = 0 ,9 б -3 9 2 ,4 - 1 03 + |
0,04 ■377,8 - |
10^ = |
392 кД ж /кг, |
||||||||
■где гб, Гг — удельная теплота конденсации бензола |
и толуола |
при 82 °С. |
|
||||||||
Количество тепла, получаемого в кубе-испарителе от греющего пара, |
|
||||||||||
|
|
QK= QD + G D c D i D |
+ G W CW * W |
~ ~ G F c F h + ^пот = |
|
|
|||||
= |
, |
5110 |
|
|
|
|
4890 |
|
- 4190 - 109 — |
|
|
1,03 • 1 550 000 4 - -------- 0,46 • 4190 • 82 + |
--------- 0,45 |
|
|||||||||
|
|
3600 |
|
|
|
|
3600 |
|
|
|
|
|
|
10 000 |
|
£\ |
= |
1,615 МВт. |
|
|
|
||
|
|
— --------0,455 - 4190 — 91,5 |
|
|
|
||||||
|
|
3600 |
|
) |
|
|
|
|
|
|
|
Здесь тепловые потери Q „ O T приняты в размере 3 % полезно |
затрачиваемого |
теп |
|||||||||
ла; удельные теплоемкости взяты соответственно |
при tD— 82 °С, |
tw= 109 °С и |
|||||||||
tF = 91,5 °С; температура кипения |
исходной |
смеси |
tF= 91,5°С |
определена |
по |
||||||
рис. 9.27, а. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Расход тепла в паровом подогревателе исходной смеси |
|
|
|
|
|||||||
Q = 1,05G F C P |
10 000 |
|
|
|
|
18) = |
0,382 МВт. |
||||
( t F — /о) = 1,05 |
0,425 - 4190(91,5 — |
||||||||||
Здесь тепловые потери приняты в размере 5 %, теплоемкость исходной смеси |
|||||||||||
|
|
CF = (0,5 • 0,43 + |
0,5 • 0,42)4,19 |
кДж/(кг - К) |
|
|
|||||
взята при средней температуре (91,5+18)/2=55°С.
Количество тепла, отдаваемого охлаждающей воде в водяном холодильнике
дистиллятом, |
|
|
|
|
|
|
<? = °DCD (‘о - |
'коя) = ■^55' 0.43 - 4190 (82 - |
25) = 1,1455 МВт; |
||||
здесь теплоемкость дистиллята cD = 0,43 • |
4187 Дж/(кг • К) принята |
при средней |
||||
температуре (82 + 25)/2 » 54 °С. |
Количество |
тепла, |
отдаваемого охлаждающей |
|||
•воде в водяном холодильнике кубового остатка, |
|
|
|
|||
Q = Ow cw {tw - |
/коп) = |
4890 |
5 - |
4187 (109 - 25) = 203 |
кВт; |
|
^ - 0 , 4 2 |
||||||
здесь теплоемкость кубового остатка % = |
0,425 • 4,187 кДж/(кг • К) |
взята при |
||||
•средней температуре (109 + 25)/2 = 67 °С. |
|
|
|
|
||
222
Расход греющего пара давлением 0,4 МПа и влажностью 5 %: в кубе-испарителе
<2к |
I 615 000 |
0, 8 кг/с, |
GP.n = - |
= |
|
|
= 2141 • 103.0,95 |
|
где /■г.п=2141 кДж/кг — удельная |
теплота конденсации |
греющего пара; |
в подогревателе исходной смеси |
|
|
> |
382 000 |
|
= 0,19 кг/с.
'г-п ~ 2141 • 10» - 0,95
Общий расход
0,8+0,19=0,99 кг/с, или 3,6 т/ч.
Расход охлаждающей воды при нагреве ее на 20 °С:
в дефлегматоре |
|
QD |
1550000 |
св ( * " - П Рв |
= 0,0185 м3/с; |
4190 • 20 • 1000 |
в водяном холодильнике дистиллята
145500
= 0,00174 м3/с;
4190 • 20 • 1000 в водяном холодильнике кубового остатка
203 000
= 0,00424 м3/с.
** ~ 4190 • 20 • 1000 Общий расход воды:
0,0227 м3/с, или 82 м2/ч.
Разделение многокомпонентных смесей имеет ряд особенностей, значительно усложняющих процесс ректификации. В этом случае в смеси различают: легкие компоненты, которые концентрируются только в дистилляте; тяжелые компонен ты, которые концентрируются в остатке, и элементы промежуточной летучести,
которые присутствуют в верхней и нижней частях колонны. В связи с этим воз никает необходимость увязки расчета распределения концентраций верхней и
нижней частей колонны с положением питающей тарелки.
Для облегчения этой задачи вводится понятие ключевых компонентов, кото рые определяют границу разделения смеси на две части; все компоненты исход ной смеси, более летучие, чем легкий ключевой компонент, попадают только в ди стиллят, а все компоненты, менее летучие, чем тяжелый ключевой компонент, по падают только в кубовую жидкость.
Таким образом, разделение бинарной смеси при минимальной флегме явля ется предельным случаем, когда обе зоны постоянной концентрации непосредст венно примыкают к тарелке питания.
При расчете процесса разделения многокомпонентной смеси для определения соотношения между содержанием данного компонента в жидкой и паровой фазах,, кроме давления, при котором ведется процесс, необходимо знать концентрации других компонентов системы в жидкости и паре.
Расчет колонны ведут от нижнего и верхнего ее концов к тарелке питания. При этом расчетные составы жидкости, полученные для тарелки питания при рас чете сверху и снизу, должны сходиться. Для улучшения сходимости расчета важ но точно задать концентрации компонентов, которыми можно пренебречь в верх нем и кубовом продуктах. При разделении бинарной смеси существует только одна зона условно постоянной концентрации, при разделении многокомпонентных
223
Рис. 9.31. Зоны, возникающие при разделе нии многокомпонентных смесей:
/ — кубовая зона; 2 — зона постоянной концентра
ции; |
3 — промежуточная зона; |
4 — зона |
постоян |
|||
ной |
концентрации; 5 — зона дистиллята; |
G — по |
||||
ток пара; |
L, V — поток жидкости; Cf, Gp , Gw— |
|||||
количество |
исходпой смеси, дистиллята и кубовой |
|||||
|
|
|
жидкости. |
|
|
|
систем — две |
зоны постоянных |
концентра |
||||
ций, |
а всю колонну (при минимальной флег |
|||||
ме) |
условно |
разделяют |
на |
пять зон |
||
(рис. 9.31) [36]: |
|
|
|
|||
|
1 ) зона, |
в которой находятся тяжелый |
||||
ключевой компонент, концентрация которого в кубовой жидкости задана, и все компонен ты с меньшей летучестью. В этой зоне снизу вверх отношение концентрации х л.к к концентрации *т.к и других труднолетучих компонентов увеличивается;
2 ) зона постоянной концентрации, где концентрация хл.к и менее летучих компо нентов постоянна;
3) зона питания, где концентрация ком понентов, менее летучих, чем х т.к, умень шается до незначительной величины, а кон
центрация компонентов, более летучих, чем хл.к, увеличивается; 4 ) вторая зона постоянной концентрации, где концентрация х?.к н более ле
тучих компонентов постоянна; 5 ) верхняя зона, где отношение концентрации хт.к к концентрации более ле
тучих компонентов увеличивается снизу вверх.
Даже небольшие ошибки в концентрациях «пренебрежимых» компонентов в продуктах могут вызвать значительные отклонения в вычислении состава вблизи тарелки питания. К сожалению, отсутствуют методы, позволяющие точно пред сказывать в общем случае, как распределяются неключевые продукты в верхней и нижней частях колонны. Поэтому принятое в начале расчета распределение до стигается только после использования итерационных процедур расчета «от тарел ки к тарелке».
Проектирование ректификационных колонн для разделения многокомпонент ных смесей предполагает определение шести проектных переменных: числа таре лок, номера тарелки питания, флегмового числа, доли отбора дистиллята, доли парового потока в питании, давления в колонне, обеспечивающих получение про дуктов разделения заданного качества при минимальном значении целевой функ ции. Из этих величин наиболее трудно определяются флегмовое число и общее число тарелок.
Пример расчета ректификационной колонны для разделения многокомпонент ной смеси приведен в работе [47].
В последнее время все шире для расчета процессов разделения многокомпо нентных смесей применяют методы математического моделирования на ЭВМ.
9.4.3. Математическое моделирование процессов ректификации
При математическом моделировании процесса ректификации были сделаны следующие допущения: флегма подается при температуре кипения; давление в колонне постоянно по высоте; происходит полное перемешивание жидкости на та релке и полное вытеснение пара, двигающегося в слое жидкости на тарелке; пи тание поступает в колонну в виде равновесной парожидкостной смеси кипящей жидкости или насыщенного пара; унос жидкости с тарелок отсутствует; теплота
224
2. Исчерпывающая секция:
vo ,i
= Ло, i s0, i *J ~~
|
k ; |
iV,- |
0 ........ /; |
|
|
- LJ- L- I / = |
|||
У’ 1 |
|
h |
|
|
, i |
v i - M |
|
|
|
|
|
^ - + 1 , / = i . . . . /• |
||
3. Область питания ( i = |
1, |
с); |
|
|
|
«• — |
^z.^F ,»( 1 “ |
9) |
|
|
^ F ,t + ( 1 |
“ |
9)’ |
|
|
F- t' “ |
|||
I*i
\- q ( l - k Fti) ' = 1 ,
Ограничения:
<7 = 0; |
|
q = 1; |
XF, i — zi ’ |
XF, i = |
|
0 F ,i = |
°; |
»F, i = |
*F, i = |
fi' |
*F, i = |
v Fi i = |
0 ; |
yF, i = /• ) |
4. Тепловые нагрузки, потоки пара и жидкости:
|
Oi = ( B + i J+ 1) ( f f „ - V i ) ; |
|
||||||
« » = |
*>А„+ , + |
W >0 - |
F „ H F - |
F (1 - q ) h P + |
Q d; |
|||
^ |
Г - |
Ц |
^ |
. |
Н |
........ « Г - 0 ; |
||
|
i , |
= |
V , . _ , + F , |
j = |
1, .... f. |
|
||
|
Qd + D (Hn+i— i>i) |
•i = (n + 0..... |
(M -2); |
|||||
V = -------H------ |
ft— |
“ |
||||||
|
" |
/ - 1 |
~ |
hj |
|
|
|
|
|
L j = |
V j_ l - D , |
j = n , |
..., ( / + 1 ) ; |
|
|||
|
.<гш + |
У(ЛЖ |
-А о ) + |
^ ( ^ - А ж ) |
|
|||
|
|
|
v f = |
vr = F,' 1= П |
|
|||
|
|
Lf +[ |
= Vf + |
W, |
i = f; |
|
||
i ........ h
.15)
(9.16)
(9.17)
(9.18)
(9.19)
(9. 20)
(9.21)
( 9. 22)
(9.23)
(9.24)
2 2 6
5 . Р ав н ов есн ы е |
и энтальпийны е |
зависимости |
(t = |
1, |
с; / = |
0 ...........п, F): |
|||
* /. i = |
* /, Вa i . i - |
“ /, i |
= |
(</): |
kF, B = |
bF ( h ) - |
(9.25) |
||
|
‘i = 4 |
ki, в); |
|
|
|
|
|
(9.26) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(9.27) |
|
|
|
c |
|
|
|
|
|
(9.28) |
|
|
= |
|
i*/\ i ’ |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(9.29) |
|
i , B — |
c |
|
|
|
|
|
(9.30) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
2 |
*/.ra/,i |
|
|
|
|
|
|
|
|
i=l |
|
|
|
|
|
|
6 . Сходимость |
(i — 1, |
c): |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
/ |
f |
t - |
Y |
l - |
|
|
у |
, , , |
|
. |
_ |
Q. £) = |
c |
|
|
|
|
|
|
"V d ., |
|
||||
t=l
^l + e ( t )
7. Концентрация на тарелках (i = 1» •
, |
f Zi - |
• |
|
|
|
1 |
I w i \ ' |
|
|
|
|
|
1 + e h r ) |
|
|
|
|
|
|
|
^ |
. _ |
Q. |
|
|
• x0 , i — |
C |
’ ^ |
’ |
2 |
* |
|
2 |
-» |
|
i=l |
|
|
|||
<=■1 |
|
|
|
|
|
^ = П Г |
|
( * |
|
/ = a, |
.... / + 1 5 |
2 |
|
|
|
||
|
|
di |
, |
/ = a ......../ + i ; |
|
V - [ № |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
...... * |
|
|
2 |
( ^ г Ь |
' / = 1 |
........Л |
|
|
т й | |
|
|
^ |
|
1Б*
8 . Ограничения: |
|
|
Lo = W\ |
0 |
< xJ t i < 1 ; |
Ln+1= G> |
o |
i; |
0 < D < F; |
y n , t = x n + i , i = x d , i - |
|
В модели |
приняты следующие |
условные |
обозначения: |
А — фактор |
абсорб |
|||||||||||||||
ции; с — число компонентов смеси; |
D — количество |
дистиллята; |
d — количество |
|||||||||||||||||
компонента в |
дистилляте; F — количество |
питания; |
f — тарелка |
|
питания; |
G— |
||||||||||||||
количество флегмы; |
И — энтальпия |
потока |
пара; H i— энтальпия |
компонента па |
||||||||||||||||
ра; h — энтальпия |
потока жидкости; hi — энтальпия |
компонента |
жидкости; |
k — |
||||||||||||||||
константа фазового равновесия; L — поток жидкости по колонне; |
|
I — количество |
||||||||||||||||||
компонента в жидкости; |
р — давление в |
колонне; |
Q — тепловая |
|
нагрузка; |
п — |
||||||||||||||
число тарелок в колонне; |
q — доля |
пара |
в питании; s — фактор отпаркн; |
t, |
Т — |
|||||||||||||||
температура; |
V — поток |
по колонне; v — количество |
компонентов |
в |
паре; |
W — |
||||||||||||||
количество кубового остатка; |
w — количество |
компонента |
в кубовой |
жидкости; |
||||||||||||||||
х — концентрация компонента |
в жидкой |
фазе; |
у — концентрация |
|
компонента |
в |
||||||||||||||
паровой фазе; |
у* — концентрация компонента |
в |
паровой |
фазе, |
|
равновесная |
с |
|||||||||||||
концентрацией |
в |
жидкости; Ду — средняя |
разность |
концентраций, |
или |
средняя |
||||||||||||||
движущая сила |
процесса; z — концентрация |
компонента |
в |
питании; |
а — относи |
|||||||||||||||
тельная летучесть; |
е — величина невязки |
|
материального |
баланса; |
|
г) — КПД |
|
та |
||||||||||||
релки. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Индексы означают: В — ведущий компонент; d, н + 1 — дефлегматор; F — па раметр потока питания; f — тарелка питания; i, г — произвольный компонент; / —
произвольная тарелка; |
G — флегма; w, 0 — кипятильник |
(куб); х, L — жидкость; |
||
у, V — пар; q — номер |
тарелки основной колонны, |
к |
которой |
присоединяется |
исчерпывающая часть колонны. |
|
|
|
|
Обозначения, снабженные черточкой, например v, |
7, |
К, L, |
означают потоки, |
|
поступающие на тарелку. |
|
|
|
|
Таким образом, процесс ректификации описывается системой нелинейных алгебраических уравнений. Математическое описание включает следующие основ ные зависимости.
Уравнения (9.13) и (9.14) получены из выражения для КПД тарелки
y j+ u t— yj,
У,+ и1 -У ,\
иуравнений равновесия и компонентного материального баланса соответствующей секции.
Уравнения (9.10) и (9.12) предусматривают расчет полного конденсатора (отбор дистиллята в жидкой фазе). При парциальном конденсаторе, когда ди стиллят отбирается в паровой фазе, для ступени п+1 используются следующие
уравнения:
di |
ч |
|
di |
Ап+1, i lddt ’ |
d* |
|
D |
(1— V H ,0 |
|
|
“5" V f!, i |
+ 0 ~ V H , i) An+l, i |
||
A |
= |
|
n+X = |
n+l |
n+1’ 1 |
kn+1, lvn+l |
kn+l, iD |
||
В общем случае питающая смесь может подаваться в виде переохлажденной или насыщенной жидкости, парожидкостной равновесной смеси, насыщенного или перегретого пара. Математическое описание предполагает определение доли пара
228
