IV. РАСЧЕТ РЕКТИФИКАЦИОННЫХ КОЛОНН

Основные параметры технологического режима колонны - температура и давление. Давление в процессе ректификации существен­но влияет на работу колонны. С увеличением давления ужесточа­ется ее температурный режим. С изменением давления в колонне изменяются и другие факторы, например относительная летучесть компонентов, производительность, размеры и др.

Для определения температурного режима ректификационных колонн необходимо иметь кривые истинных температур кипения (ИТК) и однократного испарения (ОИ) как для исходного сырья, так и для выходящих из колонны фракций. Для расчетных целей можно использовать приближенные методы построения кривых однократного испарения.

1. МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ ЛИНИИ

ОДНОКРАТНОГО ИСПАРЕНИЯ (ОИ)

Температуры потоков при ректификации сложных смесей определяют при помощи линии ОИ: температуры жидких потоков - по нулевому отгону, температуры паровых потоков - по 100%-ному отгону на линии ОИ. Линии однократного испарения можно построить на основании экспериментальных данных. Для приближенных расчетов пользуются зависимостью между линиями ОИ и ИТК или разгонки по ГОСТ. Эти методы определяют линию ОИ приближенно как прямую линию.

По методу Обрядчикова и Смидович линию ОИ для нефти и нефтепродуктов при атмосферном давлении строят следующим образом. Определяют тангенс угла наклона линии ИТК по формуле

где t₇₀ — температура отгона 70% фракции по ИТК, °С; t₁₀ — температура отгона 10% фракции по ИТК, °С.

Затем по графику (рис. 4.1) по данным и t находят на оси ординат (в верхней ее части) степень отгона по ИТК, соответствующую 100% отгона по ОИ, и (в нижней ее части) степень отгона по ИТК, соответствующую 0% отгона по ОИ. Полученные значения определяют положение линии ОИ. Для этого на графике кривой ИТК полученные точки, соответствующие температурам 0 и 100% отгона, надо соединить прямой.

Существуют и другие методы построения линии ОИ: Нельсона, Пирумова и др.. Нельсон и Харви предложили следующий метод построения линии однократного испарения фракции при атмосферном давлении: определяют ; по графику (рис. 4.2) определяют наклон линии ОИ; по кривой 3 определяют -разность между 50%-ными точками на линиях ИТК (или ГОСТ) и ОИ, т. е.

Рис. 4.1. График Обрядчикова и Смидович.

Рис. 4.2. График для построения кривых ОИ нефтяных фракций:

- разность между температурами выки­пания 50% по ИТК (или по ГОСТ) и ОИ; 1 - кривая для определения tg угла наклона кривой ОИ при помощи разгонки по ГОСТ; 2 - то же при помощи разгонки по ИТК; 3 - кривая разности температур выкипания 50% по кривым ИТК и ОИ.

Отсюда определяем температуру 50% отбора по ОИ

Зная температуру, отвечающую 50% -ному отгону по ИТК (50%-ная точка по ИТК), можно вычислить температуры начала и конца ОИ (в °С)

Через полученные точки начала и конца ОИ проводят прямую. Построение ОИ по методу Пирумова заключается в следующем.

1. Определяют наклон кривой по ИТК

2. Находят наклон линии ОИ по графику 4.3., а в зависимости от наклона по ИТК.

3. По графику рис. 4.3. в зависимости от наклона по ИТК и температуры 50% отбора t₅₀ определяют процент отгона n при пересечении линий ИТК и ОИ.

4. По ИТК определяют температуру, соответствующую доле отгона n, %, при пересечении ИТК и ОИ (t_пep).

5. Вычисляют температуру начала ОИ t_нач из уравнения

Через полученные точки t_нач и t_пер проводят прямую ОИ.

Пример 4.1. Построить линию ОИ при атмосферном давлении для узкой фракции t₁ – t₂ = 220-290 °С шкаповской нефти. Линия ИТК дана на рис.4.4.

Решение. Находят фракции 220-290 °С.

Температура 50%-ного отгона равна 255°С (см. рис. 4.4). По графику Обрядчикова и Смидович (рис. 4.4), используя полученные данные ( = 0,7 и t₅₀ = 225°С), получают на оси ординат две точки - одна соответствует 42% отгона по кривой ИТК (0% отгона по ОИ), вторая - 53% отгона по ИТК (100%: отгона по ОИ). Откладывают эти точки на рис. 4.4 и соединяют их прямой.

Рис. 4.4. Кривые ИТК и ОИ фракции 220-290 ^оС (к примеру 4.1).

Пример 4.2. Дана разгонка по Энглеру: 10% - t₁ = 170°С, 50% - t₂ = 250, 70% - t₃ = 375°С. Определить точки для построения ОИ по методу Пирумова.

1. Определяют наклон кривой разгонки

2. По графику рис. 4.3. определяют наклон линии ОИ. Он равен 2,5.

3. По графику рис. 4.3. определяют точку пересечения линии ИТК и ОИ в зависимости от наклона кривой разгонки, равного 3,4 и температуры 50% отгона, равной 250°С. Точка пересечения соответствует 30%.

4. По линии ИТК отбору 30% соответствует 250°С (в данном примере делаем такое допущение). Для определения этой точки надо построить по данным разгонки линию ИТК.

5. Вычисляют температуру начала ОИ

Таким образом, для построения ОИ получили две точки: 0% ОИ - 175 °С и 30% ОИ - 250 °С.

Рис. 4.3. Диаграмма Пирумова

Линию ОИ для остатка - мазута - строят, определяя тангенс угла наклона линии ИТК остатка как произведение величины тангенса угла наклона линии ИТК нефти на долю остатка в нефти

где - массовая доля отгона светлых нефтепродуктов.

Температура отгона 50% остатка определяется как сумма температуры по линии ИТК, соответствующей доле отгона низкокипящей фракции, и произведения величины найденного угла наклона линии ИТК для остатка на 50

где - температура, соответствующая доле отгона светлых фракций, °С.

Дальнейшее построение линии ОИ для остатка проводят так же, как для нефти.

Пример 4.3. Найти угол наклона линии ИТК для мазута и температуру отгона 50% его, если = 4 и температура, соответствующая отгону е^- = 60% светлых, равна t = 310°С.

Решение. Находят угол наклона линии ИТК для мазута

Температура отгона 50% мазута

Однако практически для пересчета линии ОИ на давления выше атмосферного используют приближенные методы, основанные на следующих допущениях: линии однократного испарения при разных давлениях параллельны между собой; точка пересечения линий ИТК и ОИ при любых давлениях соответствует одному и тому же проценту отгона. При таком допущении для построения линии ОИ при давлении, отличном от атмосферного, достаточно пересчитать температуру точки пересечения линий ИТК и ОИ на соответствующее давление (см. Приложение 1) и через полученную точку провести прямую, параллельную линии ОИ при атмосферном давлении.