Основные теоретические положения

Оптимальное число тарелок рассчитывается по эмпирическому соотношению, связывающему оптимальное и минимальное число тарелок []:

(21)

Оптимальное орошение рассчитывается по эмпирическому уравнению, связывающему минимальное и оптимальное орошение []:

(22)

Диаметр ректификационной колонны определяется из уравнения расхода:

(23)

где D_k – внутренний диаметр колонны, м;

V ₀ – объемный расход пара в колонне, м³/с;

w ₀ – допустимая скорость пара, м/с.

Допустимая скорость пара в свободном сечении колонны рассчитывается таким образом, чтобы минимизировать унос флегмы паровым потоком на вышерасположенную тарелку []:

(24)

где r_ж – плотность жидкости, кг/м³;

r_п – плотность пара, кг/м³;

С1 – эмпирический коэффициент, зависящий от расстояния между тарелками и поверхностного натяжения жидкости.

Плотность паров рассчитывается по уравнению, выведенному из уравнения состояния идеального газа Менделеева-Клапейрона с учетом коэффициента сжимаемости:

(25)

где r - плотность, кг/м³;

P – среднее давление в колонне, Па;

M – молекулярная масса, кг/моль;

R – универсальная газовая постоянная, Дж/моль·К;

T – средняя температура в колонне, K;

z – коэффициент (фактор) сжимаемости газа.

Фактор сжимаемости является функцией приведенных параметров:

(26)

где - приведенные температура и давление, соответственно.

Для соединений, нормальная температура которых не превышает 235К, используют выражение для расчета критической температуры:

(27)

Для соединений с более высокими нормальными температурами кипения:

(28)

Критическое давление (Па) рассчитывается по уравнению Льюиса:

(29)

где М – средняя молекулярная масса;

К – константа, которая для продуктов прямой перегонки нефти равна 6.3 – 6.4

Рассчитываем коэффициент сжимаемости для каждой фракции. Рассчитываем плотность каждой фракции по уравнению (25). Для расчета плотности смеси газов используем принцип аддитивности.

(30)

где r_см - плотность смеси газов, кг/м³;

r_i - плотность i -го компонента, кг/м³;

y_i – объемная доля i -го компонента в смеси.

 

Плотность фракций при Т=293К приведена в исходных данных. Для пересчета плотности нефтяных фракций и нефтепродуктов с одной температуры на другую пользуются уравнением:

(31)

где r_T – плотность нефтепродукта при температуре T, кг/м³;

– относительная плотность нефтепродукта;

T – средняя температура в колонне, К.

Поверхностное натяжение флегмы рассчитывается в зависимости от плотности жидкости при средней температуре в колонне []:

(32)

где σ – поверхностное натяжение, Н/м.

При значениях σ ≥2*10^-2Н/м коэффициент С1 определяется из графика, приведенного на рис.1 При σ<2*10^-2Н/м вводят поправку по следующему уравнению:

(33)

где С1₂ – значение коэффициента С1, найденное из графика (рис.1).

Рисунок 1. Зависимость коэффициента С1 от межтарельчатого расстояния.

С1-1 – кривая максимальных нагрузок для колпачковых тарелок и нормальных нагрузок для провальных, ситчатых и других типов тарелок; С1-2 – кривая нормальных нагрузок для колпачковых тарелок.

Предварительно зададимся межтарельчатым расстоянием h_т = 300 - 500мм.

Объемный расход пара считается из массового расхода:

(34)

Массовый расход рассчитываем, исходя из массовой доли отгона, которая связана с мольной долей отгона соотношением:

(35)

где - массовая доля отгона, средняя мольная масса сырья и средняя мольная масса пара, соответственно.

Средние мольные массы потоков находятся по правилу аддитивности:

(36)

Массовый расход пара равен:

(37)

Рассчитав минимальный диаметр колонны, выбираем ближайший больший стандартный диаметр, используя ГОСТ 21944-76, Приложение 3.

Выбор конструкции тарелки проводят по следующим показатеям:

· производительность,

· эффективность при разных рабочих нагрузках,

· гидравлическое сопротивление

· диапазон нагрузок в условиях высокой эффективности,

· механические и конструкционные характеристики (металлоемкость, простота изготовления, монтажа и ремонта и пр.)

Сравнительная характеристика тарелок различных типов представлена в табл.1.

Таблица 1

Тарелка	относительная паровая нагрузка (Gn/Lж)	к.п.д. тарелки, %	рабочий диапазон (Gmax/Gmin)	сопротивление тарелки, мм. вод. ст.	возможное расстояние между тарелками, мм	масса, кг/м2
колпачковая			4-5	45-80	400-800
туннельная (желобчатая)	0.7- 0.8		3-4	50-85	400-600
из S-образных элементов	1.1 -1.2		4-5	45-80	400-800
клапанная	1.2 -1.3		5-8	45-60	300-600
ситчатая	1.2 -1.3		4-5	40-60	400-800
струйная	1. – 1.35		3-4.5	40-70	400-600
решетчатая провальная	1.5 -2.0		1.5-2.5	25-40	200-400

Очевидно, что для выбора типа контактного устройства необходимо знать расход жидкости по колонне. Для зоны выше тарелки питания (укрепляющая секция) расход жидкости будет равен расходу флегмы, а для исчерпывающей части: Ф+ L, где L – расход жидкости после однократного испарения сырья, определенный ранее.

Высота тарельчатой части колонны Н (мм) рассчитывается по уравнению:

(38)

где N – число тарелок;

h – расстояние между тарелками, мм;

s – толщина тарелки, мм.

Таблица 2

Р кр., Па	Т прив., К	Р прив. Па	z	ρ паров	Масс%/Пл	y объемная	åyi*ρi	ρ смеси
4508000,0000	1,6498	0,0355	0,9636	1,6916	0,0635	0,0536	0,090654	9,503223
3427388,0597	1,4575	0,0467	0,9587	2,5316	0,0474	0,0400	0,101209
2643402,0619	1,3053	0,0605	0,9532	3,6863	0,0369	0,0311	0,114773
2697772,2772	1,2283	0,0593	0,9575	3,8212	0,0362	0,0306	0,116833
2696635,5140	1,1599	0,0593	0,9604	4,0358	0,0418	0,0353	0,14247
2695304,3478	1,0798	0,0594	0,9639	4,3220	0,0520	0,0439	0,189586
2588906,2500	1,0100	0,0618	0,9656	4,8022	0,0461	0,0389	0,186721
2556521,7391	0,9487	0,0626	0,9679	5,1648	0,0387	0,0327	0,168811
2478278,1457	0,8944	0,0646	0,9695	5,6423	0,0428	0,0361	0,203726
2443305,9880	0,8202	0,0655	0,9726	6,2202	0,0401	0,0338	0,210365
2325813,8122	0,7950	0,0688	0,9725	6,7425	0,0457	0,0386	0,260151
2191477,2727	0,7713	0,0730	0,9720	7,3790	0,0488	0,0412	0,304026
2088096,7290	0,7490	0,0766	0,9719	7,9764	0,0463	0,0391	0,311967
1948275,0000	0,7279	0,0821	0,9711	8,8032	0,0570	0,0481	0,423187
1846613,6719	0,7080	0,0866	0,9708	9,5525	0,0449	0,0379	0,361953
1733717,5532	0,6846	0,0923	0,9705	10,5261	0,0600	0,0507	0,533199
1374923,3729	0,5782	0,1164	0,9718	15,6930	0,4368	0,3685	5,783591
					1,1851	1,0000	9,503223

Таблица 3

γ	ρ Ti	ρ T промеж	ρ T	σ	ε мольн	yi,моль н.	xi,мольн.	Mf	М G
0,001001	626,4778	5,03E-04	6,90E+02	0,189357	0,195	0,2186	0,0153		1,7910
0,000942	670,9909	2,52E-04				0,1189	0,0127		2,1306
0,000884	715,3039	1,36E-04				0,1114	0,0165		2,5608
0,000866	728,4077	1,28E-04				0,1292	0,0270		2,6664
0,00085	740,8113	1,39E-04				0,0690	0,0189		3,3170
0,00083	755,8157	1,61E-04				0,0723	0,0238		4,5195
0,000808	772,4206	1,28E-04				0,0859	0,0416		4,5568
0,000785	789,8257	1,99E-06				0,0503	0,0402		4,2228
0,00077	801,4291	1,09E-11				0,0398	0,0486		5,1793
0,000754	813,2325	3,52E-17				0,0321	0,0607		5,4442
0,00074	824,3358	1,23E-22				0,0116	0,0306		6,8237
0,00072	839,5402	4,76E-28				0,0140	0,0467		8,1180
0,000709	847,7427	3,34E-33				0,0127	0,0531		8,4102
0,000702	852,9442	1,20E-37				0,0061	0,0323		11,4696
0,000684	866,148	2,22E-41				0,0043	0,0284		9,9584
0,000669	877,7514	2,51E-44				0,0041	0,0338		14,8614
0,000577	947,772	1,69E-46				0,0046	0,0480		174,2940
		1,45E-03				0,9989	1,0003		270,3237

Таблица 4

ε масс	F moln	G moln	G mass	V0 м3/час	V0 м3/с	HT	С1	разность	w0	Dk
0,072079	53,6394	10,45968	1045,148	109,97824	0,03055			71,6083	0,43004	0,30082

 

Таблица 5

1)	N min= 9
	N opt= 16
	N1=2,73E+00
	N2=1,33E+01
2)	Rmin =0,6110757
	Ropt =1,1749522
3)	H=5120

Dmol	F mol
40,12193	14515,44

 

Вывод:

В ходе лабораторной работы рассчитали оптимальное число тарелок, оптимальное флегмовое число(табл.5), рассчитали плотность парового потока, плотность потока жидкости(табл.2). Рассчитал вязкость жидкости(табл.3), по графику определили коэффициент С1, рассчитали допустимую скорость пара в колонне и определили диаметр колонны(табл.4), так же выбрали ситчатый тип тарелок ректификационной колонны.