Теоретическая часть. Многократное чередование процессов испарения и конденсации с целью разделения смеси на чистые компоненты (при использовании теплоты конденсации паров для

Многократное чередование процессов испарения и конденсации с целью разделения смеси на чистые компоненты (при использовании теплоты конденсации паров для испарения соответственного количества жидкости) называют ректификацией. Ректификация является важнейшим процессом разделения смесей, преобладающим в химической технологии, которая составляет отдельную и довольно специфическую часть данной науки. Разделению подлежат сложные смеси веществ, включающие в себя продукты основных и побочных реакций и непрореагировавшие исходные вещества.

При разделении смесей методом ректификации не происходит химического превращения веществ. В основе процесса лежат физико-химические закономерности, связанные с особенностями фазового равновесия жидкость- пар и жидкость- жидкость и азеотропообразования.

Процесс перехода вещества (или нескольких веществ) из одной фазы в другую в направлении достижения равновесия называют массопередачей.

Ректификация – это массообменный процесс, поэтому в ее основе лежит тот факт, что паровая фаза, находящаяся в равновесии с жидкой смесью, как правило, имеет состав, отличающийся от состава жидкой смеси. Обычно в равновесной паровой фазе выше, чем в равновесной жидкой фазе, оказываются концентрации компонентов с меньшей температурой кипения и ниже – концентрации компонентов с более высокой температурой кипения. Иногда – при соответствующем фазовом равновесии – возможно обогащения паровой фазы компонентами с более высокой температурой кипения. При этом следует учитывать отклонения жидкой смеси от идеального поведения (от закона Рауля).

Существуют методы, позволяющие приближенно оценить характер отклонений от закона Рауля в системе, одним из которых является метод Юэла. Согласно ему все вещества делятся на пять групп:

1. Не имеющие в составе молекул ни атомов - электронных доноров (обычно они бывают в полярных группах), ни активных («кислых») водородов атомов (протонов). В группу входят в основном углеводороды (кроме а-ацетиленовых) и простые эфиры.

2. Не имеющие в молекулах атомов – электронных доноров, но имеющие активные («кислые») водородные атомы. Сюда относятся ацетиленовые углеводороды, алкиламины.

3. Имеющие в молекулах атомы - электронные доноры и гидроксильные группы, но не склонные к образованию в растворе прочных многомерных сеток. Сюда относятся кетоны, нитрилы, N-замещенные амиды, альдегиды.

4. Имеющие в молекулах атомы – электронные доноры и гидроксильные группы, но не склонные к образованию в растворе относительно прочных многомерных сеток. Сюда относятся спирты с одной группой – ОН, карбоновые кислоты, N-незамещенные амиды и т.п.

5. Имеющие в молекулах атомы - электронные доноры и гидроксильные группы, часто две и более, склонные к образованию в растворе относительно прочных многомерных сеток (вода, гликоли и т.п.).

Вещества групп I и II не склонны к проявлению в их смесях между собой существенных отклонений от закона Рауля. Вещества группы I склонны к значительным положительным отклонениям от закона Рауля в смесях с веществами групп III, IV и V, а вещества группы II-в смесях с веществами групп IV и V. При относительной близости температур кипения веществ, в системах со значительными отклонениями от закона Рауля имеет место образование азеотропов - нераздельно кипящих смесей.

Равновесие процессов ректификации можно характеризовать законами академика Д.П. Коновалова:

- первый закон определяет качественный состав паровой фазы по отношению к составу жидкой фазы: пар, находящийся в равновесии с раствором, всегда содержит в избытке тот компонент, прибавление которого к раствору понижает его температуру кипения.

- второй закон служит для установления состава нераздельно кипящих смесей (называемых азеотропными): в экстремумах давлений пара (или температур кипения) смесей составы жидкой и паровой фаз совпадают.

Многокомпонентная смесь представляет собой систему, число степеней свободы которой равно числу компонентов, составляющих эту смесь. ППФ относится к многокомпонентным системам, поэтому ее нельзя разделить в одной колонне. Число колонн для ректификации пропан-пропиленовой фракции должно быть на одну меньше, чем число компонентов, на которые разделяется смесь, т.е. для разделения смеси из n компонентов требуется n-1 колонн.

Процессы ректификации осуществляются периодически или непрерывно при различных давлениях: при атмосферном давлении, под вакуумом (для разделения смесей высококипящих веществ), а также под давлением большого атмосферного (для разделения смесей, являющихся газообразными при нормальных температурах).

1. Практическая часть

Составить исходные данные для расчета:

Для составления исходных данных необходимо проанализировать соответствующие разделы регламента цеха:

Исходные данные:

Пропускная способность по пропан-пропиленовой фракции (ППФ), (N) кг/ч По варианту

Время капитального ремонта, дни, (Т_{кап.рем.}) По варианту

Состав пропан-пропиленовой фракции, % масс: По регламенту цеха «Характеристика сырья, материалов

- этан и готовой продукции»

- метан

- пропан

- пропилен

-сумма углеводородов С₄

-сероводорода

Количество возвратной пропановой фракции, (G_{возврат пропановой фр.}), кг/ч: По варианту

Состав возвратной пропановой фракции, % масс: По регламенту цеха «Характеристика сырья, материалов

- пропан и готовой продукции»

-пропилен

-сумма углеводородов С₄

Массовая доля этана в потоке легких углеводородов, % По варианту

Количество этана в отдувках, % масс (ω _{этана в отд}) По варианту

Количество пропилена, поступающего на концентрирование в К3,

% масс (ω _{пропилена на концентр}) По варианту

Количество углеводородов С₄ , поступающего на концентрирование в К3,

% масс (ω _{с4 на концентр}) По варианту

Количество флегмы в колонну К3, % масс (ω _{флегмы в К3}) 20

Состав товарного пропилена, % масс: По регламенту цеха «Характеристика сырья, материалов

- пропан и готовой продукции»

-пропилен

-сумма углеводородов С₄

4.2 Составить схему материальных потоков процесса:

Схема материальных потоков процесса ректификации ППФ:

G₄ G₅ G₉

G₁

G₃ G₆ G₈

G₇ G₁₀

G₁₂

G₁₁

G₂

G₁ – количество свежей пропан-пропиленовой фракции, поступающей на разделение, кг/ч;

G₂ –количество возвратной пропановой фракции, кг/ч;

G₃ –количество исходной ППФ, поступающей на разделение, кг/ч;

G₄ –количество легких углеводородов, кг/ч;

G₅ – количество отдувок, кг/ч;

G₆ – количество легких углеводородов, возвращающих в виде флегмы, кг/ч;

G₇ – количество исходной смеси без легких углеводородов, кг/ч;

G₈ – количество пропилена на концентрирование, кг/ч;

G₉ – количество товарного пропилена, кг/ч;

G₁₀ – количество пропилена, возвращаемого в виде флегмы, кг/ч;

G₁₁ – количество пропановой фракции, поступающей в К4, кг/ч;

G₁₂ – количество пропана на дальнейшую переработку, кг/ч.

Уравнение материального баланса: G₁ + G₂ = G₅ + G₆+ G₉+G₁₀+G₁₂+G₂

4.3 Рассчитать материальный баланс процесса:

1 Рассчитать эффективное время работы оборудования в год:

Т_эф= (Т_кол -Т_{кап.рем.}) · 24 (1)

где: Т_эф — эффективное время работы оборудования в год, ч.,

Т_кол - календарное число дней,

Т_{кап.рем} — количество дней капитального ремонта оборудования (исходные данные), дн.

Т_эф= ч.

2 Рассчитать годовую пропускную способность по сырью:

П = N· Т_эф./1000 (2)

где: П — пропускная способность, кг/год,

N - пропускная способность (исходные данные), кг/ч.

П = кг/год

3 Рассчитать количество свежей пропан-пропиленовой фракции:

Таблица 1 - Количество пропан-пропиленовой фракции

Качественный состав	ω i, % масс	Gi , кг/ч
Этан	Исх. данные
Метан	Исх. данные
Пропан	Исх. данные
Пропилен	Исх. данные
Углеводороды С4	Исх. данные
Сероводород	Исх. данные
Итого:		Gпотока (G1 =N)

Рассчитать количество компонентов в потоке:

G_i = G_потока · ω_i /100 (3)

где ω_i – массовая доля компонента смеси, %.

G_потока - количество потока, кг/ч;

G_i - количество данного компонента в потоке, кг/ч.

4 Рассчитать количество возвратной пропановой фракции G₂:

Таблица 2 - Количество возвратной пропановой фракции

Качественный состав	ω i, % масс	Gi , кг/ч
Пропан	Исх. данные
Пропилен	Исх. данные
Углеводороды С4	Исх. данные
Итого:		Gпотока (G2 = Gвозврат пропановой фр (исх. данные))

Рассчитать количество компонентов в потоке по формуле 3.

5 Рассчитать количество исходной ППФ, поступающей на разделение: G₃= G₁ +G₂

Таблица 3 - Количество исходной ППФ, поступающей на разделение

Качественный состав	ω i, % масс	Gi , кг/ч
Этан
Метан
Пропан
Пропилен
Углеводороды С4
Сероводород
Итого:		Gпотока (G3)

Рассчитать массовую долю компонента в потоке:

ω_i = G_i · 100 / G_смеси (4)

где ω_i -массовая доля компонента в смеси, %;

G_{i -} количество данного компонента в потоке, кг/ч;

G_смеси –количество потока, кг/ч.

6 Рассчитать количество легких углеводородов G₄:

Известно, что весь этан, метан и сероводород уходят в потоке G₄, считается, что пропан и пропилен уходят в массовом соотношении 50:50.

Таблица 4 - Количество легких углеводородов

Качественный состав	ω i, % масс	Gi , кг/ч
Этан
Метан
Пропан
Пропилен
Сероводород
Итого:		Gпотока (G4)

Рассчитать массовую долю компонента в потоке 4.

7 Рассчитать количество этана в отдувках:

G_{4 этана}, кг/ч — 100%

G_{5 этана}, кг/ч - ω _{этана в отд,} (исходные данные), %

G_{5 этана} = G_{4 этана} · ω _{этана в отд} / 100 = кг/ч.

Полностью конденсируются в Х1 пропан и пропилен, этан частично, следовательно, в отдувках уходят метан и сероводород полностью.

Таблица 5 - Количество отдувок

Качественный состав	ω i, % масс	Gi , кг/ч
Этан		п.7 (G5 этана)
Метан
Сероводород
Итого:		Gпотока (G5)

Рассчитать массовую долю компонента в потоке 4.

8 Рассчитать количество легких углеводородов, которые возвращаются в К1 для орошения G₆ =G₄– G₅

Таблица 6 - Количество флегмы колонны К1

Качественный состав	ω i, % масс	Gi , кг/ч
Этан
Пропан
Пропилен
Итого:		Gпотока (G6)

Рассчитать массовую долю компонента в потоке 4.

9 Рассчитать количество исходной смеси без легких углеводородов G₇ = G₃ -G₄:

Таблица 7 - Количество исходной ППФ без легких углеводородов

Качественный состав	ω i, % масс	Gi , кг/ч
Пропан
Пропилен
Углеводороды С4
Итого:		Gпотока (G7)

Рассчитать массовую долю компонента в потоке 4.

10 Рассчитать количество пропилена в потоке, поступающем на концентрирование в К3:

G_{7 пропилена}, кг/ч — 100%

G_{8 пропилена}, кг/ч - ω _{пропилена на концентр} (исходные данные)_, %

G_{8 пропилена} = G_{7 пропилена} · ω _{пропилена на концентр}/ 100 = кг/ч.

11 Рассчитать количество пропилена, поступающего на концентрирование в К3:

Таблица 8 - Количество пропилена, поступающего на концентрирование в К3

Качественный состав	ω i, % масс	Gi , кг/ч
Углеводороды С4	Исходные данные	Рассчитать
Пропан	Исходные данные	Рассчитать
Пропилен	Исходные данные	п.10
Итого:		Gпотока (G8)

12 Рассчитать количество флегмы в К3, G₁₀:

G₈ , кг/ч — 100%

G₁₀, кг/ч - ω _{флегмы,} %

G₁₀ = G₈ · ω _флегма/ 100 = 10996,2028· 20 / 100= 2199,2406 кг/ч,

13 Рассчитать количество товарного пропилена, G₉= G₈ -G₁₀:

Таблица 9 – Количество товарного пропилена

Качественный состав	ω i, % масс	Gi , кг/ч
Углеводороды С4	Исходные данные
Пропан	Исходные данные
Пропилен	Исходные данные
Итого:		Gпотока (G9)

Рассчитать количество компонентов в потоке по формуле 3.

14 Рассчитать количество флегмы в К3: G₁₀ =G₈ –G₉

Таблица 10– Количество флегмы в К3

Качественный состав	ω i, % масс	Gi , кг/ч
Углеводороды С4	Исходные данные
Пропан	Исходные данные
Пропилен	Исходные данные
Итого:		Gпотока (G10)

Рассчитать количество компонентов в потоке по формуле 3.

15 Рассчитать количество пропановой фракции, поступающей в К4: G₁₁ =G₇ –G₈

Таблица 11 - Количество пропановой фракции, поступающей в К4

Качественный состав	ω i, % масс	Gi , кг/ч
Пропан
Пропилен
Углеводороды С4
Итого:		Gпотока (G11)

Рассчитать массовую долю компонента в потоке 4.

16 Рассчитать количество пропана на дальнейшую переработку: G₁₂ =G₁₁ –G₂

Таблица 12 - Количество пропана на дальнейшую переработку

Качественный состав	ω i, % масс	Gi , кг/ч
Пропан
Пропилен
Углеводороды С4
Итого:		Gпотока (G12)

Рассчитать массовую долю компонента в потоке 4.

17 Составить сводный материальный баланс процесса:

Таблица 13 – Сводная таблица материального баланса

Приход	Расход
Наименование	кг/ч	Наименование	кг/ч
Количество пропан-пропиленовой фракции G1		Количество возвратной пропановой фракции G2
Количество возвратной пропановой фракции G2		Количество пропана на дальнейшую переработку G12
Количество флегмы в К3, G10
Количество товарного пропилена, G9
Количество отдувок, G5
Количество флегмы колонны К1, G6
Итого		Итого