2721 Методичнi вказівки та контрольні завдання (стр. 8 )

За останні роки частіше наводять формули типу R = (1 + k)Rmin + k з діапазоном значень k від 0,1 до 0,5 [14]. Як показала практика розрахунків за цими формулами, найточнішим для визначення робочого флегмового числа є рівняння [4,13,17-19]

.

(68)

4.2.5 Кількість матеріальних потоків, що проходять секцію живлення колони. Схема секції живлення колони наведена на рис. 6.

Розрахунок мольних потоків проводять у такій послідовності:

кількість парової фази сировини

,

(69)

кількість рідкої фази сировини

,

(70)

кількість зрошення, що стікає з нижньої укріплювальної тарілки

,

(71)

кількість рідини, що стікає на верхню відгінну тарілку

,

(72)

кількість пари, що піднімається з верхньої відгінної тарілки

,

(73)

кількість пари, що надходить під нижню укріплювальну тарілку

.

(74)

4.2.6 Теплове навантаження конденсатора-холодильника та кількість холодного зрошення. Теплове навантаження, кДж/год, конденсатора-холодильника обчислюють за рівнянням [1,3-5,17-19]

,

(75)

де Hd – ентальпія парів дистиляту при температурі td і тиску Pd; hd, h0 – ентальпія сконденсованого дистиляту при температурі td i t0 відповідно.

Ентальпії, кДж/кмоль, рідких та парових дистилятних сумішей розраховують відповідно за рівняннями [17,20]:

, , ,

(76)

де h0i, hdi – ентальпія і-го компонента в рідкому стані (див. рис. А.7 [10,20]) при температурі t0 i td відповідно; Hdi – ентальпія і-го в паровому стані (див. рис. А.8 [10,20]) при температурі td і атмосферному тиску; DHd – поправка на значення ентальпії (див. рис. А.9 [7,10,20]) за тиском залежно від зведених температури Тпр d і тиску Рпр d;

, ,

де Тпкр d, Рпкр d – псевдокритичні параметри системи; Ткр і, Ркр і – критичні параметри і-го компонента парової суміші (див. табл. А.7 [10,15,19,20]).

Кількість холодного зрошення G0 , кмоль/год, або g0 , кг/год, що подається на верх колони, обчислюють відповідно за формулами [19]

, .

(77)

4.2.7 Теплове навантаження кип’ятильника.

Якщо мольну витрату пари беруть постійною за висотою відгінної частини колони, то теплове навантаження, кДж/год, кип'ятильника визначають за формулою [1,3-5,17-19]

,

(78)

де Hw – ентальпія кубових парів при температурі tw і тиску Pw; hw, – ентальпія кубової рідини при температурі tw.

Ентальпії, кДж/кмоль, рідких та парових кубових сумішей розраховують відповідно за рівняннями [17,20]

, ,

(79)

де hwi – ентальпія і-го компонента в рідкому стані (див. рис. А.7 [10,20]) при температурі tw; Hwi – ентальпія і-го в паровому стані (див. рис. А.8 [10,20]) при температурі tw і атмосферному тиску; DHw – поправка на значення ентальпії (див. рис. А.9 [7,10,20]) за тиском залежно від зведених температури Тпр w і тиску Рпр w;

, ,

де Тпкр w, Рпкр w – псевдокритичні параметри кубових парів.

4.2.8 Число теоретичних тарілок колони та її частин.

Існує декілька методів розрахунку числа теоретичних тарілок при багатокомпонентній ректифікації. Найчастіше використовують метод Фенске – Андервуда, що ґрунтується на припущенні про постійність флегмового числа та відносної леткості компонентів за висотою колони.

Враховуючи, що ключовим НКК є нормальний бутан (і = 3), а ключовим ВКК є пентан (і = 4), мінімальне число теоретичних тарілок Nmin у колоні для режиму повного зрошення при R®¥ визначають за рівнянням [3-5,7,10,13,17-19]

.

(80)

Беручи до уваги припущення, що зміна числа тарілок та відповідно флегмового числа у деяких межах практично не відбивається на складах продуктів колони, можна число теоретичних тарілок N при робочому флегмовому числі визначати залежно від мінімального числа теоретичних тарілок Nmin при R®¥.

У літературі часто наводять формули типу N = (1 + m)Nmin + m з діапазоном значень m від 0,4 до 1 [14]. Як показала практика розрахунків за цими формулами, найточнішим для визначення числа теоретичних тарілок при робочому флегмовому числі є рівняння [4,13,17-19]

.

(81)

Оптимальне співвідношення числа теоретичних тарілок у верхній Nв та у нижній Nн частинах колони визначають за рівнянням [10,19]

.

(82)

Оскільки Nв + Nн = N, то формула (82) дає можливість розрахувати Nв та Nн відповідно до заданих умов розділення початкової суміші.

Число теоретичних тарілок у колоні можна визначити також методом “від тарілки до тарілки”, який полягає в сумісному використанні рівнянь рівноваги, робочих ліній, матеріального і теплового балансів послідовно для усіх тарілок колони.

Хоч цей метод і не має потреби у спрощуючих припущеннях (сталість потоків пари та рідини за висотою колони, незмінний коефіцієнт відносної леткості та ін.), його відзначають громіздкістю і великою трудомісткістю. Часто цей метод реалізовують з використанням ЕОМ.

Екстракцією називають процес вибіркового видобування компонентів рідкої (або твердої) фази за допомогою рідкого розчинника.

Рідинну екстракцію широко використовують у різноманітних галузях хімічної технології – у виробництві синтетичного каучуку, у виробництві капролактаму та інших продуктів органічного синтезу, а також під час отримання ядерного палива, антибіотиків, при очищенні стічних вод та ін.

У нафтопереробці рідинну екстракцію застосовують для очищення мастил фенолом, фурфуролом, нітробензолом, для деасфальтизації гудрону пропаном, для депарафінізації нафтових мастил метилетилкетоном, бензолом, толуолом, для виділення ароматичних вуглеводнів із риформованих бензинів етиленгліколем та ін.

У результаті контакту розчинника (екстрагента) з сировиною утворюються дві рідкі фази, між якими розподіляються компоненти початкової суміші. Один розчин, що складається із розчинника і видобутих компонентів, називають екстрактним, а другий розчин, що містить невидобуті компоненти і розчинник, називають рафінатним.

Вибір екстрагента визначають його селективністю (вибірковістю) і розчинювальною здатністю. Чим більша селективність екстрагента, тим більш чітко розділяються компоненти при контакті з розчинником. Чим вища розчинювальна здатність екстрагента, тим більшу масу видобутих компонентів можна у ньому розчинити і тим менша його витрата.

При збільшенні температури селективність екстрагента зменшується, а його розчинювальна здатність підвищується. При деякій температурі (критичній температурі розчинення) утворюється однорідний розчин. У цьому випадку екстракція не реалізується, тому що екстрактний та рафінатний розчини вже не можна розділити шляхом відстоювання. Тому температура екстракції повинна бути меншою від критичної.

У процесі екстракції можна виділити три основні складові (компоненти): вибірковий розчинник, видобуті компоненти та невидобуті компоненти, які характеризують деякими адитивними властивостями (склад, густину, в'язкість та ін.). Тому для розрахунку екстракції широко використовують трикутні діаграми.

Процес рідинної екстракції складається з таких стадій: 1) змішування початкової суміші з екстрагентом для створення між ними тісного контакту; 2) розділення двох нерозчинних рідких фаз (екстрактного та рафінатного розчинів); 3) регенерація екстрагента, тобто видалення його із екстрактного та рафінатного розчинів. Після відділення розчинника від екстрактного розчину, отримують екстракт, а від рафінатного розчину – рафінат, які є кінцевими продуктами процесу.

Розрізняють такі види екстракції: 1) однократну екстракцію – сировину обробляють однократно всією кількістю розчинника з подальшим розділенням на рафінатний та екстрактний розчини; 2) багатократну екстракцію – сировину та рафінатні розчини обробляють у кожному ступені відповідною порцією свіжого розчинника; 3) протитечійну екстракцію – багатократний протитечійний контакт рафінатних та екстрактних розчинів суміжних ступенів.

Теоретичні основи процесу рідинної екстракції, а також будову та принцип роботи типової екстракційної апаратури рекомендують вивчати за літературою [1-7,13,14,16-18,21-23]. Для самоконтролю засвоєння матеріалу теми пропонують такі контрольні запитання:

1 Розкрийте сутність процесу рідинної екстракції. Покажіть схеми проведення процесу, галузі використання.

2 Сформулюйте закон розподілу, покажіть обмеження його застосування у розрахунках рідинної екстракції. Поясніть ізотерми екстракції.

3 На чому базується визначення умов рівноваги при частковій взаємній розчинності компонентів? Поясніть трикутні діаграми та побудову рівноважних (бінодальних) кривих.

4 Розкрийте основи вибору селективного розчинника. Що розуміють під коефіцієнтом селективності?

5 У чому особливості складання матеріальних балансів рідинної екстракції: а) при взаємній нерозчинності; б) при частковій взаємній розчинності компонентів? Покажіть робочі лінії цих процесів.

6 Розкрийте основи кінетики процесу рідинної екстракції, покажіть лімітуючі стадії процесу.

7 Розкрийте принципи інтенсифікації рідинної екстракції.

8 Зіставте способи проведення однократної та багатократної екстракції з перехресною течією розчинника.

9 Охарактеризуйте спосіб проведення багатократної екстракції з протитечійним рухом розчинника. Зіставте цей спосіб проведення процесу екстракції з безперервною протитечійною екстракцією.

10 Покажіть будову, розкрийте принцип дії змішувально-відстійних екстракторів, їх переваги та недоліки.

11 Покажіть будову, розкрийте принцип дії розпилювальних екстракторів. Зіставте характеристики роботи цих апаратів та насадкових екстракторів.

12 Зіставте характеристики роботи гравітаційних та пульсаційних екстракторів.

13 Покажіть будову та поясніть принцип дії роторно-дискових екстракторів, їх переваги та недоліки.

14 У яких випадках доцільне використання відцентрових екстракторів? Зіставте їх з гравітаційними.

15 Розкрийте принцип розрахунку одноступінчастих та багатоступінчастих екстракторів за допомогою діаграми у – х та трикутної діаграми при перехресному та протитечійному русі розчинника.

16 Як вибирається швидкість суцільної фази при розрахунку діаметра колонних екстракторів?

17 Покажіть процес безперервної протитечійної екстракції на трикутній та прямокутній діаграмах.

18 Як розраховується висота колонних екстракторів? Як впливає поздовжнє перемішування фаз на їх роботу?

19 У чому полягають особливості екстракційних установок з регенерацією екстрагента?

Після вивчення теоретичних питань необхідно розглянути приклади розв’язання задач: 10.4 – 10.11 [2], 9.1, 9.2 [7], ХІІ.1 – ХІІ.8 [11], 18-1 – 18-3 [16].

Тільки після цього можна виконувати контрольне завдання 4.

Нижче, в таблиці 11, наведені варіанти контрольних завдань.

Провести технологічний розрахунок фурфурольної колони для регенерації фурфуролу установки селективного очищення мастил. Продуктивність установки за сировиною (дистиляту автолу АС-15) Gс =¼ т/добу. Співвідношення масових витрат фурфуролу та сировини f = ¼ ; вихід рафінату становить xр = ¼ % мас.; вміст фурфуролу в рафінатному розчині, що відводиться з екстракційної колони, хфр =¼ % мас.; мольні маси сировини Мс = ¼ кг/кмоль, рафінату Мр =¼ кг/кмоль. Температура конденсату у водовідділювачі tво = ¼ °С, екстрактного розчину, що надходить у відпарну колону, tп = ¼ °С, температура на верху фурфурольної колони tв =¼°С, у низу колони tн =¼°С; абсолютний тиск на верху колони pв =¼мм рт. ст., у низу колони pн = ¼ мм рт. ст. Відносна густина рафінату r420 = 0,8. Вміст фурфуролу в продуктах, що виходять з відпарних колон, xк =¼% мас.

У роботі проводиться: 1) розрахунок матеріального балансу процесів екстракції та регенерації фурфуролу; 2) визначення діаметра і висоти фурфурольної колони.

5.2 Порядок технологічного розрахунку