4. Материальный и тепловой балансы

Материальный и тепловой балансы составляют для установившегося режима колонны, учитывая, что сумма материальных и тепловых потоков, поступающих в колонну, равна сумме материальных и тепловых потоков, покидающих ее.

Pиc. 4.10. Схема верхней части ректификационной колонны:

I - холодное орошение; II - пары бензина; III - водяные пары.

Рис. 4.11. Схема ректификационной колонны:

I - сырье; II - фракция 85-190 °С; III - фракция 190-240 °С; IV - фракция 240-350 ^оС; V - мазут; VI - водяной пар; VII - первое циркуляционное орошение; VIII - второе циркуляционное орошение.

Рис. 4.12. Схема материальных потоков в ректификационной колонне.

Материальный баланс колонны может быть составлен в массовых единицах или процентах. Результаты расчета материального баланса колонны для ректификации сложных смесей сводят в таблицу.

На рис. 4.12 дана схема колонны со следующими обозначениями: G - масса сырья, кг/ч; D - масса ректификата, кг/ч; R - остаток, кг/ч. Материальный баланс при установившемся режиме можно записать следующим образом:

(4.6)

Взято				Получено
Продукт	оС	% масс.	кг/ч	Продукт	оС	% масс.	кг/ч
Сырье				Верхний Боковой № 1 № 2 Нижний Потери
Всего……..				Всего……..

Материальный баланс колонны по компоненту i представляется уравнением

(4.7)

где - массовые доли компонентаi в сырье, ректификате и остатке.

При расчете колонны величины G и известны. Задаваясь четкостью ректификации, определяют величинуD. Для этой цели пользуются уравнением, полученным после совместного решения равенств (4.6) и (4.7)

Тепловой баланс колонныучитывает все тепло, вносимое в колонну и выносимое из нее. Согласно закону сохранения энергии, можно написать (без учета потерь тепла в окружающую среду)

(4.8)

где - суммарное тепло, входящее в колонну, Вт или кДж/ч;- суммарное тепло, выходящее из колонны, Вт или кДж/ч.

Тепло, вводимое в колоннy (см. рис. 4.12):

1. с сырьем, нагретым до температуры t₀ (Q_c, Вт или кДж/ч)

где - энтальпия сырья, кДж/кг.

Если идет частичное испарение и доля отгона равна , то тепло, вносимое в колонну, будет равно

2) с водяным паром, подаваемым на отпарку, или горячей струей (Q_{в. п}, Вт или кДж/ч).

Общее количество тепла, вводимого в колонну, составит

Тепло выводится из колонны (см. рис. 4.12):

1) с парами ректификата (Q_D, Вт или кДж/ч)

2) с жидким остатком (Q_R, Вт или кДж/ч)

3) с верхним орошением (Qcp, Вт или кДж/ч).

Общее количество тепла, выводимого из колонны, составит

Подставляя полученные значения в равенство (4.8), получают

(4.9)

или

(4.10)

где - массовая доля отгона;-энтальпия паров и жидкой части сырья при температуре входа в колонну, кДж/кг;t₀ - температура нагрева сырья; - энтальпия паров ректификата при температуре верха колонны, кДж/кг;- энтальпия жидкого остатка при температуре низа колонны, кДж/кг.

Пример 4.11. В ректификационную колонну подают G_н = 351800 кг/ч нефти, нагретой до t = 360°С (= 0,875) иG_в = 9490 кг/ч водяного пара (П = 0,3 МПа, t = 400^oC). В результате ректификации получают G_б = 28,6 т/ч бензиновой фракции (= 0,712),G_к = 60 т/ч керосиновой (= 0,776),G_д = 63,3 т/ч фракции дизельного топлива (= 0,8553) иG_м = 199,9 т/ч мазута (= 0,9672). Определить необходимую массу подаваемого в колонну циркуляционного орошения. Температурный режим колонны дан на рис. 4.13.

При составлении теплового баланса следует учесть тепло, вносимое водяным паром, поступающим из отпарных колонн: фракции дизельного топлива 1266 кг/ч и керосиновой фракции 1200 кг/ч. Кроме того, за счет подачи водяного пара в низ колонны от мазута отпаривается 5300 кг/ч бензиновой, 8800 кг/ч керосиновой и 8800 кг/ч дизельной фракции.

Решение. Составляют тепловой баланс по секциям и данные вносят в таблицы.

Разность между теплом, входящим в секцию бензиновой фракции и выходящим из нее

= 94 164 000 - 69 440 000 = 24 724 000 кДж/ч

Таким образом, в бензиновой секции избыток тепла 24724  10³ кДж/ч следует снимать орошением, масса которого составляет

Рис. 4.13. Схема колонны к примеру 1:

I - нефть; II – бензин и водяной пар; III – керосин; IV – дизельное топливо; V – водяной пар; VI – мазут.

I. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС СЕКЦИИ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА – КОНТУРА А (см. рис.4.13)

Продукт	Взято				Продукт	Получено
	t, oC	G, кг/ч	I, кДж/кг	Q, кДж/ч		t, oC		G, кг/ч		I, кДж/кг	Q, кДж/ч
Сырье паровая фаза- фракции бензиновая керосиновая дизельная жидкая фаза- мазут Водяной пар	360 - - - 360 400	23300 51200 54500 221800 7024	1140 1127 1090 865 3268	25570000 57710000 59410000 191860000 22954000	Жидкая фаза- мазут Паровая фаза – фракции бензиновая керосиновая дизельная Водяной пар		340 315 - - - 315		199900 28600 60000 63300 7024	795 1044 1021 985 3097	158890000 29860000 61260000 62350000 21750000
Итого….	-	-	-	358500000	Итого….		-		-	-	334110000

II. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС СЕКЦИИ КЕРОСИНОВОЙ ФРАКЦИИ – КОНТУРА Б (см. рис.4.13)

Продукт	Взято				Продукт	Получено
	t, oC	G, кг/ч	I, кДж/кг	Q, кДж/ч		t, oC		G, кг/ч		I, кДж/кг	Q, кДж/ч
Паровая фаза- фракции бензиновая керосиновая дизельная Водяной пар снизу атмосфер- ной колонны из отпарной секций	315 - - 315 400	28600 60000 63300 7024 1266	1044 1021 985 3097 3268	29860000 61260000 62350000 21750000 4137000	Паровая фаза – фракции бензиновая керосиновая Жидкая фаза- ди- зельная фракция Водяной пар		200 - 315 200		28600 60000 63300 8290	763 747 740 2891	21820000 4446000 46840000 23960000
Итого….	-	-	-	179360000	Итого….		-		-	-	137080000

III. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС СЕКЦИИ БЕНЗИНОВОЙ ФРАКЦИИ – КОНТУРА В (см. рис.4.13)

Продукт	Взято				Продукт	Получено
	t, oC	G, кг/ч	I, кДж/кг	Q, кДж/ч		t, oC		G, кг/ч		I, кДж/кг	Q, кДж/ч
Паровая фаза- фракции бензиновая керосиновая Водяной пар снизу колонны из отпарной ко-лонны	200 - - 200 400	28600 60000 8290 1200	763 741 2891 3268	21821000 21821000 44460000 23962000 3921000	Паровая фаза –бен- зиновая фракции Жидкая фаза- ке- росиновая фрак- ция Водяной пар		110 200 110		28600 60000 9490	564 460 2709	16130000 27600000 25710000
Итого….	-	-	-	94164000	Итого….		-		-	-	69440000

Температуру острого орошения принимают равной 40°С. В первых двух секциях избыточное тепло необходимо снять циркуляционным орошением. Последнее рекомендуется вводить в колонну на 1-2 тарелки выше вывода его из колонны. Принимают в колонне одно циркуляционное орошение с температурой вывода t₁ = 240°С и ввода t₂ = 85°С. Энтальпия равна = 574 кДж/кг,=175 кДж/кг. Этим орошением необходимо снять следующее количество тепла:

Масса циркуляционного орошения составляет

параметры	Вариант
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
t 0С	350	352	354	356	358	360	362	364	366	368
Gн т/ч	300	310	320	330	340	350	360	370	380	390
Gв т/ч	7,5	7,8	8	8,3	8,5	8,7	9	9,2	9,5	9,8
Gб т/ч	30	32	34	36	38	40	42	44	46	48
Gк т/ч	52	54	56	58	60	62	64	66	68	70
Gд т/ч	64	66	68	70	72	74	76	78	80	82
Gм т/ч	154	158	162	166	170	174	178	182	186	190