Материальный баланс колонны стабилизации К-2 на первой технологической нитке УСК до реконструкции колонны

 

Материальный баланс колонны стабилизации К-2 на первой технологической нитке УСК до реконструкции колонны

Исходные данные для расчета:

Состав сырья – Конденсата газового деэтанизированного, поступающего на питание колонны:

0,08; 4,1;

2,7;

4,9;

3,6;

4,5;

80,9;

 

Расход сырья КГД, 103;

относительная плотность ВК УГКМ

654;

Коэффициент извлечения по массе в дистиллят:

1;

0,97;

0,92;

0,94;

0,86;

0,88;

0,16;

Определение характеристик исходного сырья.

Мольная масса сырья находится по формуле (1):

 

= 0,0008 30 + 0,041 44 + 0,027 58 + 0,049 58 + 0,036 78 +

+ 0,035 78 + 0,809 117,53 = 106,434 .

 

Найдем расход сырья ВК, поступающего в колонну кг/ч:

 

где – расход сырья м³/ч;

– относительная плотность КГД,

 

Массовые доли компонента в сырье определяются по формуле (2):

 

х (С₂Н₆) = = 0,0002,

х (С₃Н₈) = = 0,017,

х () = = 0,015

х () = = 0,027,

х () = = 0,024,

х() = = 0,024,

х () = = 0,893,

∑х_i = 1,0.

 

Массовый расход компонентов рассчитывается по формуле (3):

 

G_F (С₂Н₆) = 67399 0,0002 = 15,197 ,

G_F (С₃Н₈) = 67399 0,017 = 1145,161 ,

G_F (С₄Н₁₀) = 67399 0,015 = 991,862 ,

G_F (i-С₄Н₁₀) = 67399 0,027 = 1799,684 ,

G_F (С₅Н₁₂)= 67399 0,024 = 1641,372 ,

G_F (i-С₅Н₁₂)= 67399 0,024 = 1595,779 ,

G_F () = 67399 0,893 = 60210,1225 .

 

Число молей компонентов в массовом расходе сырья определяется по формуле (4)

 

Состав и характеристики исходного сырья приведены в таблице 11.

Таблица 11 – Состав и характеристики исходного сырья

Компонент	Мольная доля, хi	Молеку- лярная масса, Мi,	Молеку- лярная масса сырья, Мi хi	Массо-вая доля компо-нента, хi	Массовый расход компо-нентов, ,	Число молей компонента в массовом расходе сырья, ,	Коэф- фициент извлечения по массе, уD
С2Н6	0,0008		0,024	0,0002	15,197	0,506
С3Н8	0,041		1,808	0,017	1145,161	26,026	0,97
i-С4Н10	0,027		1,566	0,015	991,862	17,097	0,92
С4Н10	0,049		2,842	0,027	1799,684	31,029	0,94
i-С5Н12	0,036		2,592	0,024	1641,372	22,796	0,86
С5Н12	0,035		2,52	0,024	1595,779	22,263	0,88
∑	0,809	117,53	95,081	0,893	60210,122	512,295	0,16
∑	1,000		106,434	1,000		631,915

 

Определение характеристик дистиллята.

Массовый расход компонентов в дистилляте определяется по формуле (5):

 

D (С₂Н₆) = = 15,197 ,

 

D (С₃Н₈) = = 1110,807 ,

 

D (i-С₄Н₁₀) = = 912,329 ,

 

D (С₄Н₁₀) = = 1691,703 ,

 

D (i-С₅Н₁₂) = = 1411,584 ,

 

D (С₅Н₁₂) = = 1404,286 ,

 

D (∑ ) = = 9633,62 ,

 

 

Массовый расход дистиллята находится по формуле (6):

 

D = 16179,52 .

 

Массовая доля компонента в дистилляте определяется по формуле (7):

 

 

x_D (С₂Н₆) = = 0,0009,

 

x_D (С₃Н₈) = = 0,068,

 

x_D (i-С₄Н₁₀) = = 0,056,

 

x_D (С₄Н₁₀) = = 0,104,

 

x_D (i-С₅Н₁₂) = = 0,087,

 

x_D (С₅Н₁₂) = = 0,086,

 

x_D (∑ ) = = 0,595,

 

∑х_D = 1,0.

 

Число молей компонента в дистилляте рассчитывается по формуле (8):

 

N_D (С₂Н₆) = = 0,506 ,

 

N_D (С₃Н₈) = = 25,245 ,

 

N_D (i-С₄Н₁₀) = = 15,729 ,

 

N_D (С₄Н₁₀) = = 29,167 ,

 

N_D (i-С₅Н₁₂) = = 19,605 ,

 

N_D (С₅Н₁₂) = = 19,503 ,

 

N_D (∑ ) = = 81,967 .

 

 

Число молей в дистилляте определяется по формуле (9):

 

∑N_Di = 191,725 .

 

Мольная доля компонента в дистилляте находится по формуле (10):

 

y_D (С₂Н₆) = = 0,002,

 

y_D (С₃Н₈) = = 0,131,

 

y_D (i-С₄Н₁₀) = = 0,082,

 

y_D (С₄Н₁₀) = = 0,152,

 

y_D (i-С₅Н₁₂) = = 0,102,

 

y_D (С₅Н₁₂) = = 0,101,

 

y_D (∑ ) = = 0,427,

 

∑y_i=1,0.

 

Состав и характеристики дистиллята приведены в таблице 12.

Таблица 12 – Состав и характеристики дистиллята

Компонент	Массовый расход компонента Di,	Массовая доля компонента в дистилляте xDi	Число молей компонента в дистилляте ND,	Мольная доля компонента в дистилляте yi
С2Н6	15,1979	0,0009	0,507	0,003
С3Н8	1110,807	0,0687	25,246	0,132
i-С4Н10	912,3298	0,0564	15,730	0,082
С4Н10	1691,703	0,1046	29,167	0,152
i-С5Н12	1411,581	0,0872	19,605	0,102
С5Н12	1404,286	0,0868	19,504	0,102
∑	9633,62	0,5954	81,967	0,428
∑	16179,52	1,000	191,725	1,000

 

Определение характеристик кубового остатка.

Массовый расход компонента в остатке находится по формуле (11):

 

W_i (С₂Н₆) = 15,197 – 15,197 = 0 ,

 

W_i (С₃Н₈) = 1145,161 – 1110,807 = 34,354 ,

 

W_i (i-С₄Н₁₀) = 991,862 – 912,329 = 79,333 ,

 

W_i (С₄Н₁₀) = 1799,684 – 1691,703 = 107,981 ,

 

W_i (i-С₅Н₁₂) = 1641,372 – 1411,584 = 229,792 ,

 

W_i (С₅Н₁₂) = 1595,779 – 1404,286 = 191,493 ,

 

W_i (∑ ) = 60210,122 – 9633,62 = 50576,502 .

 

 

С₂Н₆ – полностью поступает в дистиллят.

Массовый расход кубового остатка определяется по формуле (12):

 

∑ W_i = 51219,457 .

 

Массовая доля компонентов в остатке рассчитывается по формуле (13):

 

x_W (С₃Н₈) = = 0,00067,

 

x_W (i-С₄Н₁₀) = = 0,0015,

 

x_W (С₄Н₁₀) = = 0,0021,

 

x_W (i-С₅Н₁₂) = = 0,0044,

 

x_W (С₅Н₁₂) = = 0,0037,

 

x_W (∑ ) = = 0,987,

 

∑ x_W =1,0.

 

 

Число молей компонента в кубовом остатке находится по формуле (14):

 

N_W (С₃Н₈) = = 0,780 ,

 

N_W (i-С₄Н₁₀) = = 1,367 ,

 

N_W (С₄Н₁₀) = = 1,861 ,

 

N_W (i-С₅Н₁₂) = = 3,191 ,

 

N_W (С₅Н₁₂) = = 2,659 ,

 

N_W (∑ ) = = 430,328 .

 

Число молей в кубовом остатке рассчитывается по формуле (15):

 

∑N_Wi = 440,189 .

 

Мольная доля компонента в остатке находится по формуле (16):

 

x (С₃Н₈) = = 0,0017,

 

x (i-С₄Н₁₀) = = 0,0031,

 

x (С₄Н₁₀) = = 0,0042,

 

x (i-С₅Н₁₂) = = 0,0072,

 

x (С₅Н₁₂) = = 0,0060,

 

x (∑ ) = = 0,977,

 

∑х_i =1,0.

 

Состав и характеристики кубового остатка представлены в таблице 13.

Таблица 13 – Состав и характеристики кубового остатка

Компонент	Массовый расход компонентов в остатке Wi,	Массовая доля Компонента в остатке xWi	Число молей компонентов в массовом расходе NWi,	Мольная доля компонентов в остатке xi
С2Н6
С3Н8	34,355	0,001	0,781	0,002
i-С4Н10	79,333	0,002	1,368	0,003
С4Н10	107,981	0,002	1,862	0,004
i-С5Н12	229,792	0,004	3,192	0,007
С5Н12	191,494	0,004	2,660	0,006
∑	50576,503	0,987	430,328	0,978
∑	51219,457	1,000	440,189	1,000

 

Составим материальный баланс деэтанизатора в таблице 14, исходя из полученных результатов.

 

 

В соответствии с данными расчета материального баланса колонны К-2 расходы потоков составляют:

 

 

Рисунок 4 – Распределение потоков продукта стабилизации

– массовый расход КГД ;

– число молей в КГД ;

– массовый расход ШФЛУ ;

– число молей в ШФЛУ ;

– массовый расход КГС ;

– число молей в КГС .

 

 

Мольная доля компонента в дистилляте находится по формуле

 

, (21)

 

где K_i – константа фазового равновесия компонента дистиллята (определяем при Р = 2,7 МПа и t^oC = 28^oC (температура дистиллята) [стр. 26,1].

 

x (СН₄) = = 0,018,

 

х (∑С₂) = = 0,118,

 

х (С₃Н₆) = = 0,074,

 

х (С₃Н₈) = = 0,165,

 

х (∑С₄Н₈) = = 0,145,

 

х (изо − С₄Н₁₀) = = 0,067,

 

х (норм − С₄Н₁₀) = = 0,086,

 

х (∑С₅Н₁₀) = = 0,020,

 

х (изо − С₅Н₁₂) = = 0,049,

 

х (норм − С₅Н₁₂) = = 0,036,

 

х (∑С₆) = = 0,219,

 

∑х_i=1.

 

Результаты расчета приведены в таблице 5.

 

 

Таблица 5 – Расчет необходимого давления из условий конденсации дистиллята

Компонент	Мольная доля компонента в дистилляте yi	Константа равновесия Ki при Р=2,7 МПа и toC=28oC	Мольная доля компонента в дистилляте xi
СН4	0,127		0,018
∑С2	0,219	1,85	0,118
С3Н6	0,067	0,9	0,074
С3Н8	0,084	0,51	0,165
∑С4Н8	0,110	0,76	0,145
Изо − С4Н10	0,057	0,85	0,067
Норм − С4Н10	0,102	1,18	0,086
∑С5Н10	0,011	0,54	0,020
Изо − С5Н12	0,004	0,082	0,049
Норм − С5Н12	0,002	0,036	0,036
С6	0,217	0,219	0,219
∑

 

По уравнению изотермы конденсации методом подбора давления в верхней части колонны и температуры верха. Согласно расчёта, условие изотермы выполняется (y_i = ∑ = 1). Значение давления в верхней части колонны 2,7 МПа принято правильно.

Определим мольный состав равновесных паров. Методом подбора при давлении 2,7 МПа, используя уравнение изотермы кипения, определим t^oCпитания

 

у_i = K_i ∙ x_i, (22)

 

 

у(СН₄) = 8 0,03 = 0,24,

 

у (∑С₂) = 4 0,05 = 0,1,

 

у (С₃Н₆) = 1,1 0,16 = 0,176,

 

у (С₃Н₈) = 1,6 0,19 = 0,019,

 

у (∑С₄Н₈) = 0,053 0,75 = 0,04,

 

у (изо − С₄Н₁₀) = 2,1 0,41 = 0,041,

 

у (норм − С₄Н₁₀) = 0,19 0,74 = 0,141,

 

у (∑С₅Н₁₀) = 0,04 2,32 = 0,093,

 

у (изо − С₅Н₁₂) = 0,048 1,0 = 0,048,

 

у (норм − С₅Н₁₂) = 0,042 1,1 = 0,0462,

 

у (∑С₆) = 0,001 93,25 = 0,093.

 

Условие изотермы выполняется ∑у_i = 1 при t^о_кип = 112^оС.

 

Результаты расчета приведены в таблице 6.

 

 

Таблица 6 – Результаты определения мольного состава равновесных паров

Компонент	Мольная доля Компонентов	Константа равновесия Ki при Р = 3,0 МПа и toC = 140oC	Мольный состав равновесных паров уi
СН4	0,03		0,24
∑С2	0,05		0,1
С3Н6	0,16	1,1	0,176
С3Н8	0,19	1,6	0,019
∑С4Н8	0,75	0,053	0,04
Изо − С4Н10	0,41	0,1	0,041
Норм − С4Н10	0,44	0,19	0,141
∑С5Н10	2,32	0,04	0,093
Изо − С5Н12	1,0	0,048	0,048
Норм − С5Н12	1,1	0,042	0,0462
С6	93,25	0,001	0,093

 

Для построения рабочей линии и линии равновесия заданная многокомпонентная смесь (сырье) сводится к псевдобинарной, состоящей из двух ключевых компонентов: ∑С₂ и С₃Н₈.

Определение концентрации С₂Н₆ в исходной бинарной системе находится по формуле

 

x_F = , (23)

 

 

x_F = = 0,205.

 

Определение концентрации ∑С₂ в дистилляте производится по формуле

 

x_D = , (24)

 

 

x_D = = 0,722.

 

Определение концентрации ∑С₂ в остатке по формуле

 

x_W = , (25)

 

 

x_W = = 0,167.

 

Построение кривой фазового равновесия.

Для построения кривой фазового равновесия в координатах «х - у» используют уравнение равновесия концентрации бинарной системы

 

у = , (26)

 

 

где α – относительная летучесть псевдобинарной смеси при условии ввода сырья

 

α = , (27)

 

 

α = = 2,5.

 

Задаваясь рядом произвольных значений «х» по формуле (26) определим

равновесные концентрации компонента в газовой фазе «у».

По найденным значениям «х - у» строится кривая равновесия фаз.

 

Таблица 7 – Данные для построения кривой равновесия фаз

Х	0,1	0,2	0,3	0,4	0,6	0,7	0,8	0,9
У	0,22	0,38	0,49	0,56	0,75	0,84	0,92

 

у₁ = = 0,22,

 

у₂ = = 0,38,

 

у₃ = = 0,49,

 

у₄ = = 0,56,

 

У₅ = = 0,75,

У₆ = = 0,84,

 

У₇ = = 0,92,

 

У₈ = = 1.

 

 

Построение рабочей линии в координатах «х - у».

Определение координат точки В при х = 0

 

B = , (28)

 

где R – флегмовое число

 

R = R_min ∙ β, (29)

 

где β = 1,4, коэффициент избытка флегмы,

R_min – минимальное флегмовое число

 

R_min = , (30)

 

где у_Р – равновесная концентрация этана в паровой фазе

 

у_Р = , (31)

 

 

у_Р = = 0,39.

 

Подставим данные в формулу (26) и получим результат

 

R_min = = 1,79.

 

Подставим данные в формулу (24) и получим результат

 

B = = 0,21.

 

 

Число теоретических тарелок находится построением ступенчатой линии

между линией равновесия и линией рабочей концентрации в пределах х_W снизу вверх и от х_D сверху вниз. В результате построения ступенчатой линии число теоретических контактов (тарелок) составило:

- в концентрационной части – 28;

− в отпарной части – 4.

Действительное число контактов (тарелок)

 

N_D = , (32)

 

N_D = = 35.

 

Результаты, полученные при расчете материального баланса, сводим в таблицу 8.

 

В соответствии с данными расчета материального баланса колонны К-1 расходы потоков составляют:

 

 

Рисунок 8 – Распределение потоков продукта деэтанизации

– массовый расход ВНК ;

– число молей в ВНК ;

– массовый расход ГД ;

– число молей в ГД ;

– массовый расход КГД ;

– число молей в КГД .