3. Выбор и обоснование схемы разделения исходной смеси

На рисунке 4 представлена схема разделения исходной смеси при помощи ректификационных колонн

T-101

T-100

Рисунок 4 – Схема разделения исходной смеси при помощи ректификационных колонн

Исходная смесь, состоящая из четырех компонентов, поступает в ректификационную колонну К-100, где происходит разделение смеси на две части, с верха колонны отбирается смесь и-бутана, с долей из полученной смеси 0,64 и и-пентана (0,36). Снизу колонны отбирается смесь и-гексана (0,74) и и-гептана (0,26). Суммарная доля компонентов 0,9999. В колонне К-101 происходит разделение смеси, с верха колонны отбирается и-бутан с чистотой 0,999, снизу колонны отбирается и-пентан с чистотой 0,999. В колонну К-102 поступает смесь и-гексан, и-гептан. С верха колонны отбирается и-гексан, как более низкокипящий, с чистотой 0,999, с низа колонны отбирают и-гептан с чистотой 0,999.

4. Расчет по определению оптимального ввода сырья и оптимального размера колонн

Определение оптимального количества тарелок проводим по графику зависимости флегмового числа от произведения N(F+1). Оптимальному количеству тарелок соответствует минимальное значение этого произведения графики для всех колонн (рисунки 5, 7, 9). Определение оптимальной тарелки ввода проводят по зависимости флегмового числа от номера тарелки, берется значение с минимальным флегмовым числом для всех колонн (рисунки 6, 8, 10).

Таблица 10 - Зависимость F от N(F+1) для колонны К-100

N	F	(F+1)*N
16	10,09	177,44
17	4,83	99,04
18	3,33	77,89
19	2,64	69,10
20	2,05	61,02
25	1,85	71,25
26	1,21	57,38
27	1,18	58,86
34	0,94	65,92
44	0,84	81,14
60	0,82	109,49

N(F+1)

F

Рисунок 5 – Зависимость F от N(F+1) для колонны К-100

Оптимальное количество тарелок составляет 26.

Таблица 11 - Зависимость F от N для колонны К-100

N	F
4	28,08
5	10,21
6	4,49
7	2,51
8	1,72
9	1,36
10	1,21
11	1,15
12	1,16
13	1,21
14	1,30
15	1,44

Продолжение таблицы 11 - Зависимость F от N для колонны К-100

N	F
16	1,65
17	1,96
20	4,93
22	17,51

F

Рисунок 6 – Зависимость F от N для колонны К-100

Минимальное значение флегмового числа достигается при вводе на 11 тарелку.

Таблица 12 - Зависимость F от N(F+1) для колонны К-101

N	F	N(F+1)
9	31,45	292,05
10	4,88	58,77
11	2,84	42,27

Продолжение таблицы 12 - Зависимость F от N(F+1) для колонны К-101

N	F	N(F+1)
12	2,03	36,37
13	1,67	34,69
14	1,41	33,69
15	1,27	34,09
16	1,15	34,37
17	1,09	35,45
18	1,02	36,29
19	0,98	37,66
20	0,94	38,84
21	0,92	40,40
27	0,86	50,32

N(F+1)

F

Рисунок 7 - Зависимость F от N(F+1) для колонны К-101

Оптимальное количество тарелок составляет 14.

Таблица 13 - Зависимость F от N для колонны К-101

N	F
2	31,30
3	8,08
4	3,22
5	1,93
6	1,51
7	1,41
8	1,50
9	1,83
10	2,66
11	4,99
12	12,94
13	42,96

F

N

Рисунок 8 - Зависимость F от N для колонны К-101

Минимальное значение флегмового числа достигается при вводе на 7 тарелку.

Таблица 14 - Зависимость F от N(F+1) для колонны К-102

N	F	N(F+1)
14	19,32	284,48
15	7,14	122,04
16	4,47	87,47
17	3,44	75,48
18	2,82	68,74
19	2,46	65,68
20	2,19	63,98
21	2,01	63,27
22	1,88	63,38
28	1,49	69,66
30	1,43	72,93
35	1,35	82,25
38	1,33	88,65
42	1,32	97,39

F

N(F+1)

Рисунок 9 - Зависимость F от N(F+1) для колонны К-102

Оптимальное количество тарелок составляет 21.

Таблица 15 – Зависимость F от N для колонны К-102

N	F
3	31,56
4	13,36
5	6,846
6	4,278
7	3,112
8	2,515
9	2,199
10	2,048
11	2,014
12	2,084
13	2,287
14	2,717
15	3,612
17	10,35
18	22,15

F

N

Рисунок 10 - Зависимость F от N для колонны К-102

Минимальное значение флегмового числа достигается при вводе на 11 тарелку.

Рассчитанные параметры для колонн сведены в таблицу 9.

Таблица 16 – Оптимальные параметры колонн

Параметр	К-100	К-101	К-102
Оптимальное количество тарелок	26	14	21
Оптимальная тарелка ввода	11	7	11

5. Расчет основных параметров работы ректификационных колонн

Определение флегмового для каждой колонны, все данные сведены в таблицу 17.

Таблица 17 – Значение флегмового и парового числа

Параметр	К-100	К-101	К-102
Флегмовое число	1,15	1,41	2,01

Для каждой колонны строим графики зависимости температуры, давления, расхода пара и жидкости, мольного состава от номера тарелки (рисунки 11-22).

N

Рисунок 11 – Зависимость температуры от номера тарелки в колонне К-100

N

P, кПа

Рисунок 12 – Зависимость давления от номера тарелки для колонны К-100

N

Рисунок 13 – Зависимость расхода пара и жидкости от номера тарелки для колонны К-100

N

Рисунок 14 – Зависимость мольных долей компонентов от номера тарелки для колонны К-100

Т, ⁰С

N

Рисунок 15 – Зависимость температуры от номера тарелки для колонны

К-101

N

P, кПа

Рисунок 16 – Зависимость давления от номера тарелки для колонны К-101

N

Рисунок 17 – Зависимость расхода пара и жидкости от номера тарелки для колонны К-101

N

Рисунок 18 – Зависимость мольных долей компонентов от номера тарелки в колонне К-101

Т, ⁰С

N

Рисунок 19 – Зависимость температуры от номера тарелки для колонны

К-102

N

P, кПа

Рисунок 20 – Зависимость давления от номера тарелки для колонны К-102

Рисунок 21– Зависимость расхода пара и жидкости от номера тарелки для колонны К-102

N

N

Рисунок 22 – Зависимость мольной доли компонентов от номера тарелки для колонны К-102

6. Расчет контактных устройств и основных размеров колонн

1. Зависимость КПД от номера тарелки

Определяем флегмовое число для всех колонн при изменении КПД на 0,05 до минимального значения, при котором колонны будут работать. Все рассчитанные значения сведены в таблицу 18 и представлены на графиках (рисунки 23-25).

Таблица 18 – Зависимость флегмового числа от КПД

К-100		К-101			К-102
КПД	F	КПД	F	КПД		F
1,00	1,21	1,00	1,41	1,00		2,01
0,95	1,31	0,95	1,58	0,95		2,22
0,90	1,44	0,90	1,83	0,90		2,51
0,85	1,64	0,85	2,25	0,85		2,97
0,80	1,99	0,80	3,05	0,80		3,78
0,75	2,70	0,75	5,07	0,75		5,62
0,70	4,62	0,70	20,09	0,70		13,57
0,65	19,41	0,69	55,43	0,69		19,97

Рисунок 23 – Зависимость флегмового числа от КПД для колонны К-100

Рисунок 24 – Зависимость флегмового числа от КПД для колонны К-101

Рисунок 25 – Зависимость флегмового числа от КПД для колонны К-102

Как видно из рисунков, чем ниже КПД тарелок, тем больше флегмовое число, следовательно, тем большее количество орошения необходимо подавать на верх колонн. Чем больше орошения, тем больше диаметр колонн, что увеличивает капитальные затраты. Таким образом, следует стремиться к повышению КПД тарелок.

2. Результаты расчетов контактных устройств

В таблице 19-20 приведены расчетные параметры контактных устройств

Таблица 19 – Расчетные параметры контактного устройства для колонны К-100

Наименование параметра	Единицы	К-100
Контактные устройства		Колпачковые тарелки
Диаметр секции	м	4,41
Максимальное захлебывание	%	63,80
Поперечное сечение	м2	15,34
Сопротивление секции	кПа	23,98
Поточность		1,00
Длина потока	мм	3187,70
Ширина хода	мм	3998,90
Максимальное заполнение сливного стакана	%	51,57
Максимальная нагрузка на перегородке	м3/ч	78,47
Максимальное сопротивление тарелки	кПа	1,08
Расстояние между тарелками	мм	609,60
Общая длина перегородки	мм	3061,27
Высота перегородки	мм	50,80
Активная площадь	м2	12,74
Зазор сливного стакана	мм	38,10
Площадь сливного стакана	м2	1,29
Длина боковой сливной перегородки	м	3,06

Продолжение таблицы 19 – Расчетные параметры контактного устройства для колонны К-100

Наименование параметра	Единицы	К-100
Площадь отверстий	м2	1,95
Оценка числа отверстий/клапанов		629,00
Ширина бокового сливного стакана, верх	мм	615,95
Ширина бокового сливного стакана, низ	мм	615,95
Длина бокового сливного стакана, верх	м	3,06
Длина бокового сливного стакана, низ	м	3,06
Площадь бокового сливного стакана, верх	м2	1,29
Площадь бокового сливного стакана, низ	м2	1,29

Таблица 20 – Расчетные параметры контактных устройств для колонн К-101, К-102

Наименование параметра	Единицы	К-101	К-102
Контактные устройства		Насадка	Насадка
Диаметр секции	м	3,05	3,81
Максимальное захлебывание	%	64,72	63,84
Поперечное сечение	м2	7,29	11,40
Удельное сопротивление	кПа/м	0,37	0,36
Скорость газа при захлебывании	m3/ч	7597,00	7428
Скорость газа при захлебывании	м/c	2,11	2,06
Расстояние между тарелками	м	0,42	0,41

3. Основные размеры колонн

Вычисляем высоту колонны по формуле:

Н=2h_в+(n-1)h_т (3)

где h_в – расстояние между первой тарелкой и верхом колонны принимаем 0,6 м;

h_т – расстояние между тарелками, м;

n – число тарелок.

Объем колонны вычисляем по формуле:

(4)

где D - диаметр колонны, м;

H – высота колонны, м.

Таблица 21 – Основные размеры колонн

Аппараты	H, м	D, м	V, м3
Колонна К-100	15,72	4,41	54,42
Колонна К-101	6,55	3,05	47,80
Колонна К-102	8,69	3,81	99,02