2721 Методичнi вказівки та контрольні завдання (стр. 5 )

Значення граничної швидкості wгр наближено можна визначити за графіком на рис. А.5 [16] залежно від відстані Н між тарілками та відношення густин газу та абсорбенту rг/rа.

Густину газу при робочих параметрах визначають за формулою

.

(48)

Мінімальну відстань між тарілками визначають за такої умови: тиск стовпа рідини у переливній трубі повинен бути більшим за опір тарілки DР (для ковпачкових тарілок DР = 700 – 1000 Па [15]). При цьому забезпечують нормальну роботу гідравлічного затвора, що утворюється на тарілці переливною трубою. Цю умову дотримують при [16]

.

(49)

Як правило відстань між тарілками беруть у межах 0,2 – 0,6 м.

Робочу швидкість газу беруть [14,16].

Розрахований за формулою (46) діаметр D' округлюють до найближчого із ряду стандартних циліндричних обичайок (Dк, мм): 400, 500, 600, 800, 1000, 1200, 1400, 1600, 1800, 2000, 2200, 2400, 2600, 2800, 3000, 3200, 3400, 3600, 3800, 4000, 4500, 5000, 5500, 6000, 6400, 7000. Після цього уточнюють робочу швидкість газу в колоні за формулою

.

(50)

Потім за таблицею А.6 [12,15] перевіряють відповідність між діаметром колони та відстанню між тарілками.

Повну висоту абсорбційної колони Нк визначають висотою її тарілчастої частини Нт і сумарною висотою всіх сепараційних просторів:

,

(51)

де Нв – висота зони апарата над верхньою тарілкою (повинна забезпечувати гарну сепарацію газового потоку від бризок, що виносяться з верхньої тарілки); Нв = 0,6 – 1,2 м; Нн – висота зони апарата під нижньою тарілкою (визначають згідно з конструктивним вирішенням проблем відведення абсорбенту та уведення газу); Нн = 1 – 1,5 м [14].

Висоту тарілчастої частини абсорбера визначають числом реальних тарілок nр та відстанню між ними Н:

.

(52)

Число реальних тарілок визначають за формулою

,

(53)

де h – коефіцієнт корисної дії (к. к. д.) колони.

К. к. д. колони враховує швидкість масообміну на реальних тарілках, на яких рівновага не досягається. Величина h залежить від багатьох факторів (швидкостей фаз, їх фізичних властивостей, структури потоків, конструкції тарілок та ін.).

Зараз відсутні надійні методи розрахунку к. к. д. Тому необхідно використовувати практичні дані, що отримані при обстеженні роботи масообмінних колон. Наприклад, середній к. к. д. колони можна визначити за графіком на рис. А.6 [17,18] залежно від фактора навантаження w×rг0,5, (кг/м×с2)0,5.

Ректифікація – тепломасообмінний процес розділення однорідних рідких сумішей на окремі компоненти шляхом багаторазової, протитечійної взаємодії між нерівноважними паровою та рідкою фазами.

Ректифікація є одним із найважливіших технологічних процесів розділення та очищення рідин і зріджених газів у хімічній, нафтохімічній, фармацевтичній, харчовій (зокрема, спиртовій) та інших галузях промисловості. У нафтогазопереробці шляхом ректифікації отримують бензин, гас, дизельне паливо, різноманітні дистилятні мастила, окремі вуглеводні (пропан, бутан) та їх суміші (етан – етиленову, пропан – пропіленову, бутан – бутиленову фракції) та ін.

Процес ректифікації базується на неоднакових леткостях компонентів при однаковій температурі або на неоднакових температурах кипіння при однаковому тиску. Компонент з меншою температурою кипіння має більш високу летючість і називають легколетючим (ЛЛК) або низькокиплячим (НКК) компонентом. Компонент з більш високою температурою кипіння має меншу леткість і називають важколетючим (ВЛК) або висококиплячим (ВКК) компонентом.

Основними законами, що визначають рівновагу в системі пара – рідина, є закони Рауля та Дальтона. Згідно з законом Рауля парціальний тиск пари компонента над складним розчином пропорційний мольній концентрації цього компонента у розчині та пружності його пари за даною температурою. Згідно з законом Дальтона загальний тиск пари над розчином дорівнює сумі парціальних тисків компонентів. Використовуючи закони Рауля та Дальтона, можна розрахувати рівноважні склади рідкої та парової фаз для ідеальних розчинів і побудувати діаграми рівноваги (p – x; y – x; t – x, y; H – x, y).

Рушійною силою процесу ректифікації є різниця робочої та рівноважної концентрацій компонента у відповідній фазі.

Ректифікацію здійснюють в ректифікаційних колонах, оснащених необхідною кількістю тих чи інших контактних пристроїв. На кожному контактному пристрої реалізується взаємодія між парою, що піднімається вгору, та рідиною, що стікає вниз. При зіткненні потоків відбувається часткова конденсація пари та часткове випарування рідини. При цьому з пари конденсується переважно ВКК, а з рідини випаровується переважно НКК. Таким чином, рідина збагачується ВКК, а пара збагачується НКК.

Для створення потоку пари у нижню частину колони підводиться тепло, а потік рідини створюється шляхом відведення тепла з верхньої частини колони при конденсації відповідної кількості пари.

Верхню частину колони, де виділяється НКК, називають концентраційною, або укріплювальною; нижню частину колони, де виділяється ВКК, називають вичерпною, або відгінною. Між ними є місце введення сировини (секція живлення, або евапораційний простір).

Розрізняють прості та складні ректифікаційні колони. Прості колони забезпечують розділення початкової суміші (сировини) на два продукти: ректифікат (дистилят) – продукт, збагачений НКК, та кубовий залишок – продукт, збагачений ВКК.

Складні ректифікаційні колони розділяють початкову суміш більш ніж на два продукти. При цьому додаткові продукти можуть відбирати безпосередньо з колони у вигляді бокових погонів, або зі спеціальних відпарних колон (стрипінг-секцій).

Теоретичні основи процесу ректифікації, а також будову та принцип роботи типової ректифікаційної апаратури рекомендують вивчати за літературою [1-7,13,14,16-19]. Для самоконтролю засвоєння матеріалу теми пропонують такі контрольні запитання:

1 Який процес називають дистиляцією, у чому полягає його фізична сутність?

2 Який процес називають ректифікацією, у чому полягає його фізична сутність? У чому полягають відмінності між дистиляцією і ректифікацією?

3 Які фізичні властивості компонентів розчину характеризують їх розділову здатність при дистиляції?

4 Які фізичні закони використовують при оцінюванні фазової рівноваги в системах рідина – пара? Запишіть і сформулюйте закони Рауля і Дальтона.

5 Які параметри процесу і як впливають на фазову рівновагу в системі рідина – пара?

6 Які діаграми фазової рівноваги Ви знаєте? Нарисуйте основні з них і поясніть правила користування ними.

7 Нарисуйте і розкажіть принцип роботи установки простої дистиляції. Які методи простої дистиляції і коли використовують у промисловості?

8 Нарисуйте і поясніть принцип дії установки безперервної ректифікації.

9 Нарисуйте схему ректифікаційної колони, розкажіть про принцип ректифікації та про взаємодію потоків у ректифікаційній колоні.

10 Складіть рівняння матеріального балансу ректифікаційної колони і виведіть залежності для визначення кількості одержуваних продуктів.

11 Який продукт називають дистилятом, а який кубовим залишком та де їх одержують? Чим відрізняються між собою дистилят і кубовий залишок?

12 Виведіть рівняння робочої лінії процесу ректифікації для верхньої частини колони? У чому полягає фізична сутність рівняння робочої лінії?

13 Побудуйте на діаграмі у – х криву рівноваги для бінарного розчину і робочі лінії процесу безперервної ректифікації. Як впливає тиск у колоні на положення кривої рівноваги і на температури кипіння розчину?

14 Що називають флегмою і яку роль вона відіграє в роботі колони? Що називають флегмовим числом ректифікаційної колони?

15 Що виражають мінімальне, робоче і оптимальне флегмові числа ректифікаційної колони, як вони впливають на розміри (діаметр та висоту) колони?

16 Як знайти кількість теоретичних і практичних тарілок ректифікаційної колони безперервної дії?

17 Складіть систему рівнянь теплового балансу ректифікаційної колони. Як визначити витрату гріючої пари для роботи ректифікаційної колони?

18 Складіть рівняння теплового балансу для кип’ятильника ректифікаційної колони. Навіщо, що і скільки випаровують у кип’ятильнику ректифікаційної колони?

19 Складіть рівняння теплового балансу для конденсатора-дефлегматора ректифікаційної колони? Навіщо, що і скільки конденсують у дефлегматорі?

20 Яким чином за допомогою ректифікації розділяють багатокомпонентні суміші? Нарисуйте схеми з’єднань ректифікаційних колон для розділення трикомпонентної суміші і розкажіть про принцип їх роботи.

21 У чому полягають принципові відмінності в будові і роботі абсорбційних і ректифікаційних колон?

Після вивчення теоретичних питань необхідно розглянути приклади розв’язання задач: 31 – 36 [1], 8.1 – 8.17, 12.3 – 12.6 [2], 7.1 – 7.4 [7], ХІ.1 – ХІ.11 [11], VIII.1 – VIII.3 [15], 19-1 – 19-7 [16].

Тільки після цього можна виконувати контрольне завдання 3.

Нижче, в таблиці 4, наведені варіанти контрольних завдань.

Провести технологічний розрахунок бутанової ректифікаційної колони для стабілізації нестабільного бензину. Продуктивність апарата за сировиною gf = ¼ кг/год; склад нестабільного бензину наведений у таблиці 4. Ступінь видобування нормального бутану в дистиляті jd3 = ¼ % мас.; ступінь видобування всього пентану та більш важких вуглеводнів у стабільному бензині jw4 = ¼ % мас. Початкова температура охолоджуючої води tв = ¼ °С; сировина в колону подається у вигляді киплячої рідини (частка відгону е = 0).

У роботі проводять: 1) розрахунок матеріального балансу ректифікаційної колони; 2) визначення тиску у колоні; 3) визначення температурного режиму у колоні; 4) розрахунок мінімального та робочого флегмових чисел; 5) розрахунок кількості матеріальних потоків, що проходять секцію живлення колони; 6) визначення теплового навантаження конденсатора-холодильника та кількості холодного зрошення ректифікаційної колони; 7) визначення теплового навантаження кип’ятильника; 8) розрахунок числа теоретичних тарілок колони та її частин.

4.2 Порядок технологічного розрахунку

бутанової ректифікаційної колони

Газоподібні вуглеводні, що входять до складу природних та побіжних нафтових газів, є сировиною для промисловості нафтохімічного синтезу. Так, наприклад, із етилену отримують поліетилен, етиловий спирт; із пропілену – гліцерин, кумол; із бутиленів – ізооктан, дивініл, бутилкаучук; ізопентанова фракція є сировиною для виробництва ізопренового каучуку, компонентом високооктанових бензинів; пентанова фракція є сировиною для процесів ізомерізації, піролізу, отримання амілових спиртів та ін.

Таблиця 4 – Початкові дані для розрахунку ректифікаційної колони

Номер варіанта	Продуктивність за сировиною gf, кг/год	Вміст нормального бутану в дистиляті jd3, % мас.	Вміст пентану та більш важких вуглеводнів у ста- більному бензині jw4, % мас.	Початкова температура охолоджуючої води tв, °С	Склад нестабільного бензину хfі, % мас.
пропан С3Н8	ізобутан і-С4Н10	нормальний бутан н-С4Н10	пентан та більш важкі вуглеводні С5Н12+
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	1500	98	99	16	0,6	12	41,5	45,9
2	10500	98,5	99,5	18	1	8	42	49
3	2500	97,5	98,5	20	1,2	13,5	35,5	49,8
4	12000	98,5	99	22	1,4	5,2	45,5	47,9
5	3500	97	98,5	24	0,65	16	40	43,35
6	11000	97,5	99,5	26	0,85	17,5	37	44,65
7	4500	98	99	17	1,4	8,5	38	52,1
8	8700	97	99,5	19	0,9	7	36	56,1
9	5500	98	98,5	21	0,65	5,5	46,5	47,35
10	12500	98,5	99	23	0,7	17,8	44	37,5
11	6500	97	98,5	25	1,1	11,8	41,7	45,4
12	4200	97,5	99,5	20	0,55	6	37,5	55,95
13	7500	98,5	99	15	1,4	13,8	42	42,8
14	11500	98	99,5	24	0,75	7,2	43	49,05
15	2200	97	98,5	21	1,15	18	36,5	44,35
16	9000	98	99	23	1,05	15,4	41,5	42,05
17	13000	98,5	99	26	1,3	11	38	49,7
18	10000	97,5	99,5	25	1,2	18,8	45,5	34,5
19	8750	97	99	20	1,1	16,3	34	48,6
20	1000	98,5	99,5	15	0,55	7,7	34,5	57,25
21	15500	98	98,5	17	0,8	6,3	39,5	53,4
22	9200	98,5	99	19	1,3	12,8	42	43,9
23	6300	98	99,5	21	1,25	14,5	47	37,25
24	16000	97	99	23	1	19	35,5	44,5
Продовження таблиці 4
1	2	3	4	5	6	7	8	9
25	2000	98,5	99	26	0,95	5	45,5	48,55
26	17500	97,5	99,5	25	1,3	16,8	40	41,9
27	5700	97	98,5	15	0,85	10,5	37	51,65
28	3000	98	99	19	1,6	12,7	38	47,7
29	17000	97	98,5	24	1,4	8,2	36	54,4
30	4000	98,5	99,5	22	0,9	14,2	46	38,9
31	14000	98	99	16	0,6	18,2	44	37,2
32	5000	97	98,5	17	1	6,8	41,5	50,7
33	13700	97,5	98,5	19	1,1	10	48	40,9
34	6000	98,5	99,5	21	1,35	16,5	34	48,15
35	10750	97	99	23	0,95	12,2	36,5	50,35
36	7000	98,5	99	25	0,9	6,5	39	53,6
37	18500	97	99,5	19	0,5	9,5	47	43
38	15000	97,5	99	21	1,5	14	34,5	50
39	3700	97	99	17	0,5	15,7	37	46,8
40	8500	98,5	99,5	18	1,2	9	42,5	47,3
41	14700	97	98,5	23	1,55	17,3	41,5	39,65
42	13500	97,5	99	15	0,65	6,2	42	51,15
43	4700	98,5	99,5	24	1	5,8	35,5	57,7
44	8000	98	99,5	21	0,75	8,7	46	44,55
45	4700	97,5	99	23	1,45	9,4	39	50,15
46	14500	98,5	99,5	26	0,7	18,5	41,5	39,3
47	9500	97	98,5	21	1	17	44	38
48	12200	97,5	99	18	1,45	7,5	41,5	49,55
49	7200	98,5	99,5	24	1,2	15	37,5	46,3
50	16500	98	98,5	19	0,75	13	42	44,25

Основна маса вуглеводневих газів на установках деструктивної переробки нафти відділяється від рідини – бензину та води – в газосепараторах. Але деяка частина їх, в основному пропан – пропіленова та бутан – бутиленова фракції (С3 – С4), залишається в бензині.