Установка разделения продуктов дегидрирования этилбензола

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Ярославский государственный технический университет»

Кафедра «Химическая технология органических веществ»

Установка разделения продуктов дегидрирования этилбензола

Расчётно-пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине «Химия и технология органических веществ»

ЯГТУ 240401. 65 - 003 КП

Нормоконтролёр Отчёт выполнила

канд. хим. наук, доцент студентка группы ХТО-51

_______С. С. Среднев _______ В. Н. Биткина

«____»____________2006 «____»____________2006

2006

Реферат

158 с., 24 табл., 13 источников.

СТИРОЛ, ЭТИЛБЕНЗОЛ, ПЕЧНОЕ МАСЛО, РЕКТИФИКАЦИЯ, КОНДЕНСАЦИЯ, РЕКТИФИКАЦИОННАЯ КОЛОННА, КОНДЕНСАТОР, КИПЯТИЛЯНИК, ЕМКОСТЬ, НАСОС, ПОДОГРЕВАТЕЛЬ.

Объектом проектирования является установка разделения продуктов дегидрированя этилбензола.

Целью работы является разработка технологической схемы разделения продуктов дегидрированя этилбензола.

В результате проведённой работы рассчитана установка разделения продуктов дегидрированя этилбензола, а именно колонна выделения бензол-толуольной фракции и колонна выделения возвратного этилбензола.

Содержание

Введение

1. Технологическая часть

1.1 Теоретические основы процесса

1.2 Описание технологической схемы

1.3 Обоснование выбора технологической схемы

1.4 Материальный баланс

1.5 Расчёт процессов и аппаратов

1.5.1 Аппарат Е-001

1.5.2 Аппарат Н-002

1.5.3 Аппарат Т-003

1.5.4 Аппарат К-004

1.5.5 Аппарат Т-005

1.5.6 Аппарат Т-006

1.5.7 Аппарат С-007

1.5.8 Аппарат Е-008

1.5.9 Аппарат Н-009

1.5.10 Аппарат Т-010

1.5.11 Аппарат Н-011

1.5.12 Аппарат Т-012

1.5.13 Аппарат К-013

1.5.14 Аппарат Т-014

1.5.15 Аппарат Т-015

1.5.16 Аппарат С-016

1.5.17 Аппарат Е-017

1.5.18 Аппарат Н-018

1.5.19 Аппарат Т-019

1.5.20 Аппарат Н-020

2. Контроль и автоматизация процесса

2.1 Обоснование выбора средств контроля и автоматизации

2.2 Описание схемы автоматизации процесса

3. Технико-экономические показатели

4. Токсикологические, взрыво-, пожароопасные свойства применяемых материалов

Заключение. Список использованных источников

Приложение А. Спецификация аппаратов

Приложении Б. Заказная спецификация на приборы и средства контроля, регистрации и автоматического регулирования

• Приложение В. Обозначение трубопроводов

Введение

Стирол - один из важнейших мономеров применяется в промышленности синтетических каучуков для получения бутадиен-стирольных каучуков и латексов, в промышленности пластических масс для получения полистирола и сополимеров стирола, а также в лакокрасочной, химико-фармацевтической и других отраслях промышленности.

Полистирол обладает хорошими электроизоляционными свойствами и большой химической стойкостью. Он применяется для изготовления деталей электро- и радиотехнической аппаратуры, пенопластов, пластмассовых изделий общего назначения.

Основным промышленным способом получения стирола является каталитическое дегидрирование этилбензола, получаемого из бензола и этилена. Другим промышленным способом получения стирола является процесс совместного получения стирола и окиси пропилена.

Во всех способах синтеза стирол получают в смеси с другими углеводородами, близкими по температуре кипения. Известные технологические схемы выделения стирола можно разделить на три группы: трёхколонную, двухколонную, одноколонную [1].

В данном курсовом проекте рассмотрены и рассчитаны две колонны трёхколонной схемы выделения стирола из продуктов дегидрирования этилбензола.

1 Технологическая часть

1.1 Теоретические основы процесса

Стирол наряду с бутадиеном и изопреном является важнейшим мономером для получения синтетических каучуков и пластмасс. Основное количество стирола в промышленности получают дегидрированием этилбензола. Метод отличается простотой и эффективностью [1].

Этилбензол получают путем алкилирования бензола этиленом по реакции:

C6H6 + CН2 = CН2 C6H5 CН2CН3.

Процесс каталитического дегидрирования этилбензола осуществляется в адиабатическом реакторе контактного типа, наполненном железооксидным катализатором в присутствии водяного пара по реакции:

C6H5 CН2CН3 C6H5 CН = CН2 + Н2.

Оптимальная температура дегидрирования этилбензола 580 - 600 и давление не выше 0,15 МПа. Объемная скорость подачи этилбензола не превышает 0,5 ч-1 [2].

Применяемый в процессе дегидрированияв качестве теплоносителя водяной пар выполняет функцию разбавителя, что ведёт к снижению парциального давления углеводородов, к увеличению выхода стирола и сокращению до минимума побочных продуктов. Кроме того водяной пар непрерывно удаляет с катализатора углерод, образующийся в результате реакции [2].

На стадии дегидрирования этилбензола получается углеводородный контактный газ. Газ проходит через систему конденсаторов водного, воздушного и рассольного охлаждения. Углеводородный конденсат после конденсаторов с массовой долей стирола не менее 40 %, подвергается ректификации [2]. Конечная цель ректификации углеводородного конденсата - выделение стирола-ректификата с концентрацией основного вещества 99,7 % массовых.

Выделение стирола путём ректификации при обычных условиях затрудняется из-за его склонности к полимеризации при высоких температурах, даже в присутствии ингибиторов.

Для понижения температуры в ректификационных колоннах используется вакуум, создаваемый паро-эжекционной установкой.

Для снижения полимеризации стирола в углеводородный конденсат добавляют раствор ингибитора. В качестве ингибитора применяют парахинондиоксим и паранитрофенол.

1.2 Описание технологической схемы

Углеводородный конденсат со склада промежуточных продуктов производства этилбензола и стирола подается в ёмкость Е-001, откуда насосом Н-002 подаётся на питание колонны К-004, предварительно подогреваясь в теплообменнике Т-003, за счёт тепла конденсации водяного пара.

Ректификационная колонна К-004 предназначена для выделения из углеводородного конденсата бензол-толуольной фракции.

Пары с верха колонны поступают в конденсатор Т-005, охлаждаемый оборотной водой. Несконденсированные пары из конденсатора Т-005 поступают в конденсатор Т-006, охлаждаемый рассолом, а затем в сепаратор С-007.

Углеводородный конденсат из конденсаторов Т-005, Т-006 и сепаратора С-007 стекает в ёмкость Е-008, откуда забирается насосом Н-009 и подаётся частично в колонну в виде флегмы, а частично на склад промежуточных продуктов.

Подвод тепла к колонне К-004 осуществляется через кожухотрубчатый кипятильник Т-010, обогреваемый водяным паром.

Кубовая жидкость колонны К-004 насосом Н-011 подаётся на питание колонны К-013, предварительно охлаждаясь в холодильнике Т-012 оборотной водой.

Ректификационная колонна К-013 предназначена для выделения возвратного этилбензола из кубовой жидкости колонны К-004.

Пары с верха колонны поступают в конденсатор Т-014, охлаждаемый оборотной водой. Несконденсированные пары из конденсатора Т-014 поступают в конденсатор Т-015, охлаждаемый рассолом, а затем в сепаратор С-016.

Углеводородный конденсат из конденсаторов Т-014, Т-015 и сепаратора С-016 - возвратный этилбензол стекает в ёмкость Е-017, откуда забирается насосом Н-018 и подаётся частично в колонну в виде флегмы, а частично на склад промежуточных продуктов.

Подвод тепла к колонне К-013 осуществляется через кожухотрубчатый кипятильник Т-019, обогреваемый водяным паром.

Кубовая жидкость колонны К-013 насосом Н-020 подаётся на питание следующей колонны, предназначенной для выделения стирола-ректификата.

Вакуум в колоннах создаётся паро-эжекционными установками. Для предупреждения полимеризации стирола при ректификации и для предотвращения забивки конденсаторов и кипятильников предусмотрено ингибирование. Ингибирование осуществляется паранитрофенолом в виде 0,5 - 1 % раствора в стироле-сырце во флегму колонны К-013.

1.3 Обоснование выбора технологической схемы

Технологическая схема данного курсового проекта состоит из двух ректификационных колонн выделения бензол-толуольной фракции, возвратного этилбензола и стирола-сырца.

Колонны вакуумные, для них выбраны тарелки ситчатые с отбойниками. Выбор обусловлен тем, что они имеют малое гидравлическое сопротивление и небольшой унос жидкости за счёт отбойников.

Для обогрева кубов ректификационных колонн выбраны кожухотрубчатые кипятильники, в которых в качестве горячего теплоносителя используется водяной пар давления 2МПа.

В качестве охлаждающих агентов выбраны оборотная вода и рассол.

Для подавления реакции полимеризации стирола предусмотрена подача раствора ингибитора в трубопровод флегмы колонны К-013.

Всё оборудование выполнено из углеродистой стали Ст.3.

1.4 Материальный баланс

Производительность установки выделения стирола из продуктов дегидрирования этилбензола («печного масла») 100000 т/год, часовая производительность по стиролу 7380 кг/ч.

Состав «печного масла», поступающего на установку, массовые доли, %:

Бензол 2,13

Толуол 4,26

Октан 0,20

Этилбензол 32,10

м- и п-ксилол 0,44

о-ксилол 0,034

Стирол 60,40

Изопропилбензол 0,006

- Метилстирол 0,19

Смолы 0,24

В качестве ингибитора применяется 0,5 - 1 % паранитрофенола в стироле-сырце.

Стирол по ГОСТ 10003-76.

Бензол нефтяной по ГОСТ 9572-77.

Содержание стирола в возвратном этилбензоле не более 3,0 % массовых, содержание толуола в возвратном этилбензоле не более 1,0 % массовых. На рисунке 1 представлена принципиальная схема процесса.

1.5 Расчёт процессов и аппаратов

1.5.1 Аппарат Е-001

Ёмкость предназначена для сбора углеводородного сырья, идущего на ректификационную колонну К-004.

Минимальная требуемая вместимость ёмкости рассчитывается по формуле [3]:

, (1)

где - минимальная допустимая вместимость емкости, м3;

- массовый расход жидкости, кг/ч;

- запас времен пребывания, ч;

- коэффициент заполнения ёмкости;

- плотность жидкости [10], кг/м3.

На установку приходит 20000 кг/ч печного масла при температуре 35 , при этой температуре рассчитывается плотность «печного масла»:

 кг/м3.

Примем запас времен пребывания = 1 ч, коэффициент заполнения ёмкости = 0,8, тогда минимальная требуемая вместимость ёмкости равна:

м3.

Принимаем к установке горизонтальную ёмкость с характеристиками [4]:

- вместимость 38 м3;

- длина 9670 мм;

- диаметр 2440 мм;

- условное давление 6 кг/см2;

- материал Ст.3;

- количество аппаратов - 1 штука.

1.5.2 Аппарат Н-002

Насос. Предназначен для подачи питания в колонну К-004.

При проектировании возникает задача определения необходимого напора и мощности при заданной подаче (расходе) жидкости перемещаемой насосом. Далее по этим характеристикам выбирают насос конкретной марки.

Полезная мощность, затрачиваемая на перекачивание жидкости, определяется по формуле:

, (2)

где - мощность, затрачиваемая на перекачивание жидкости, Вт;

- плотность перекачиваемой жидкости, кг/м3;

- ускорение свободного падения (9,81), м/с2;

- объёмная производительность (подача) насоса, м3/c;

- полный напор, развиваемый насосом, м.

Потребный напор насоса рассчитывают по формуле [5]:

, (3)

где - полный напор, развиваемый насосом, м ст. ж.;

- давление в аппарате, из которого перекачивается жидкость, Па;

- давление в аппарате, в который подаётся жидкость, Па;

- плотность перекачиваемой жидкости, кг/м3;

- ускорение свободного падения (9,81), м/с2;

- геометрическая высота подъёма жидкости, м;

- суммарные потери напора на всасывающих и нагнетательных линиях, м.

Мощность, которую должен развивать электродвигатель насоса на выходном валу при установившемся режиме работы, рассчитывается по формуле [5]:

, (4)

где - мощность электродвигателя, Вт;

- мощность, затрачиваемая на перекачивание жидкости, Вт;

- коэффициент полезного действия насоса;

- коэффициент полезного действия передачи от электродвигателя к насосу.

Коэффициент полезного действия передачи от электродвигателя к насосу зависит от способа передачи усилия. В центробежных насосах вал электродвигателя обычно непосредственно соединяется с валом насоса и в этом случае .

Зная мощность , которую должен развивать электродвигатель насоса на выходном валу при установившемся режиме работы, по каталогу выбирают электродвигатель к насосу. Он должен иметь номинальную мощность равную .

При расчёте затрат энергии на перекачивание необходимо учитывать, что мощность , потребляемая двигателем от сети, больше номинальной вследствие потерь энергии в самом двигателе [5]:

, (5)

где - мощность двигателя, потребляемая от сети, Вт;

- номинальная мощность двигателя, Вт;

- коэффициент полезного действия двигателя.

Для всасывающего и нагнетательного трубопровода примем одинаковую скорость течения печного масла, равную 2 м/с [5]. Тогда диаметр трубопроводов на линии всасывания и нагнетания равен:

, (6)

где - внутренний диаметр трубопровода, м;

- объёмный расход перекачиваемой жидкости, м3/с;

- скорость течения среды, м/с.

На установку приходит 20000 кг/ч печного масла при температуре 35 , плотность печного масла при этой температуре рассчитывается по формуле:

, (7)

где - плотность жидкости, кг/м3;

- массовая доля i - го компонента в смеси;

- плотность i - го компонента [10], кг/м3;

n - количество компонентов в смеси.

кг/м3.

Таким образом, объёмный расход питания в колонну равен:

м3/с,

и тогда диаметр трубопровода равен:

м.

Из стандартного ряда трубопроводов выбираем стальную трубу наружным диаметром 70 мм, толщиной стенки 3 мм, материал - углеродистая сталь [5].

Фактическая скорость воды в трубопроводе:

м/с.

Примем потери напора на трение и местные сопротивления на всасывающей линии = 6 м, на нагнетательной линии = 10 м.

Тогда общие потери напора равны:

м.

Давление в сырьевой ёмкости 0,1 МПа, геометрическая высота подъёма жидкости приблизительно равна половине высоты колонны 11,6 м, тогда потребный напор насоса находим по формуле (3):

м ст. ж.

Полезную мощность насоса находим по формуле (2):

Вт = 1,5 кВт.

Принимаем = 1,0 и = 0,6 находим по уравнению (4) мощность на валу двигателя:

Вт = 2,5 кВт.

По расчётным подаче = 0,01 м3/c и напору = 27,6 м ст. ж. подбираем центробежный насос марки Х45/31, для которого при оптимальных режимах работы подача = 0,0125 м3/c, напор = 31 м ст. ж., коэффициент полезного действия насоса = 0,60. Насос обеспечен электродвигателем ВАО-52-2 номинальной мощностью = 13 кВт, коэффициент полезного действия двигателя = 0,87. Частота вращения вала = 48,3 с-1 [5]. Количество аппаратов 2 штуки ( один в резерве).

1.5.3 Аппарат Т-003

Подогреватель. Предназначен для подогрева углеводородного сырья, идущего из ёмкости Е-001 на питание колонны К-004.

Расчёт теплообменного аппарата включает определение необходимой поверхности теплопередачи, выбор типа аппарата и нормализованного варианта конструкции, удовлетворяющих заданным технологическим условиям оптимальным образом.

Необходимую поверхность теплопередачи определяют из основного уравнения теплопередачи:

, (7)

где - площадь поверхности теплопередачи, м2;

- тепловой поток (расход передаваемой теплоты), Вт;

- коэффициент теплопередачи, Вт/(м2.К);

- средняя разность температур горячего и холодного теплоносителя, .

Удельную тепловую нагрузку (удельный тепловой поток) находят исходя из следующего уравнения [6]:

, (8)

где - удельный тепловой поток, Вт/м2;

- тепловой поток (расход передаваемой теплоты), Вт;

- площадь поверхности теплопередачи, м2;

- коэффициент теплопередачи, Вт/(м2.К);

- средняя разность температур горячего и холодного теплоносителя, .

Тепловую нагрузку в соответствии с заданными технологическими условиями находят из уравнений теплового баланса для одного из теплоносителей.

Для плоской поверхности коэффициент теплопередачи можно рассчитать по формуле [6]:

, (9)

где - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2.К);

- коэффициент теплоотдачи для горячего теплоносителя, Вт/(м2.К);

- сумма термических сопротивлений всех слоёв, из которых состоит стенка, включая загрязнения, (м2.К)/Вт;

- коэффициент теплоотдачи для холодного теплоносителя, Вт/(м2.К).

Сумму термических сопротивлений слоёв стенки, включая загрязнения, можно рассчитать по следующему уравнению [6]:

, (10)

где - сумма термических сопротивлений всех слоёв, из которых состоит стенка, включая загрязнения, (м2.К)/Вт;

- толщина стенки, м;

- теплопроводность материала стенки, Вт/(м.К);

, - термические сопротивления слоёв загрязнений с обеих сторон стенки, (м2.К)/Вт.

Средняя разность температур, входящая в уравнение теплопередачи, определяется следующим образом.

В аппаратах с прямо- и противоточным движением теплоносителей средняя разность температур потоков определяется как среднелогарифмическая между большей и меньшей разностями температур теплоносителей на концах аппарата:

, (11)

где - средняя разность температур горячего и холодного теплоносителя, ;

- большая разность температур на конце теплообменника, ;

- меньшая разность температур на конце теплообменника, .

Для смешанного тока в многоходовых теплообменниках и для перекрёстного тока среднюю разность температур горячего и холодного теплоносителя можно определить следующим образом [6]:

, (12)

где - поправочный коэффициент к средней разности температур, вычисленной для противотока;

- средняя разность температур горячего и холодного теплоносителя, вычисленная для противотока, .

В многоходовых теплообменниках с простым смешанным током (один ход в межтрубном пространстве и чётное число ходов в трубном пространстве) среднюю разность температур можно рассчитать по формуле :

, (13)

где - средняя разность температур горячего и холодного теплоносителя, ;

- коэффициент;

- большая разность температур на конце теплообменника при противотоке, ;

- меньшая разность температур на конце теплообменника при противотоке, .

Коэффициент вычисляется по формуле:

, (14)

где - изменение температуры горячего теплоносителя, ;

- изменение температуры холодного теплоносителя, .

Выбор уравнения для уточнённого расчёта коэффициентов теплоотдачи зависит от характера теплообмена (без изменения агрегатного состояния, при кипении или при конденсации), от вида выбранной поверхности, от типа конструкции аппарата, от режима движения теплоносителей.

В общем виде если нет изменения агрегатного состояния среды, то коэффициент теплоотдачи определяют из критерия Нуссельта:

, (15)

где - критерий Нуссельта;

- коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2.К);

- определяющий размер (высота, диаметр), м;

- коэффициент теплопроводности среды, Вт/(м.К).

Критерий Нуссельта рассчитывается из критериальных уравнений, которые выбираются в зависимости от режима движения теплоносителей.

Если есть изменения агрегатного состояния теплоносителей (конденсация, кипение), то коэффициент теплоотдачи рассчитывается по эмпирическим формулам, которые приводятся в справочной литературе .

В большинстве критериальных уравнений теплоотдачи значения физико-химических констант теплоносителя отнесены к его средней температуре, которая определяется как средняя арифметическая между его начальной и конечной температурой [6]:

, (16)

где - средняя температура теплоносителя, ;

- начальная температура теплоносителя, ;

- конечная температура теплоносителя, .

Расход печного масла в подогревателе составляет 20000 кг/ч (5,56 кг/c).

Начальная температура печного масла 35 , конечная температура печного масла равна температуре питания колонны К-004 и составляет 85 .

В качестве горячего теплоносителя в подогревателе используется водяной пар со следующими параметрами: давление греющего пара 0,2 МПа, температура 119,6 , удельная теплота конденсации 2208 кДж/кг.

Определим тепловую нагрузку аппарата и расход греющего пара. Примем индекс «1» для горячего теплоносителя (греющего пара) и индекс «2» для холодного теплоносителя (печного масла).

Предварительно определим среднюю температуру печного масла по формуле (16):

.

Определим среднюю разность температур в теплообменнике по формуле (13):

.

Температурная схема при противотоке:

Тогда средняя разность температур в многоходовом теплообменнике по уравнению (13) равна:

.

С учётом потерь холода в размере 5 % тепловая нагрузка аппарата равна:

, (17)

где - тепловую нагрузку аппарата (расход передаваемой теплоты), Вт;

- расход холодного теплоносителя (печного масла), кг/с;

- удельная теплоёмкость холодного теплоносителя, Дж/(кг.К);

- конечная температура холодного теплоносителя, ;

- начальная температура холодного теплоносителя, .

Удельную теплоёмкость можно рассчитать по формуле:

, (18)

где - удельная теплоёмкость смеси компонентов, Дж/(кг.К);

- удельная теплоёмкость i - го компонента смеси, Дж/(кг.К);

- содержание i - го компонента смеси, масс. дол.;

n - количество компонентов в смеси.

Таким образом, удельная теплоёмкость печного масла равна (значения теплоёмкостей компонентов взяты из справочника [10]):

Дж/(кг.К).

Тогда тепловая нагрузка аппарата равна:

Вт.

Расход греющего пара в теплообменнике рассчитывается по уравнению:

, (19)

где - расход греющего пара, кг/с;

- тепловая нагрузка аппарата, Вт;

- удельная теплота конденсации греющего пара (2208 кДж/кг), Дж/кг.

кг/с.

Примем ориентировочное значение теплопередачи от конденсирующегося водяного пара к органической жидкости К = 340 Вт/(м2.К). Тогда ориентировочное значение поверхности теплообмена по уравнению (7) составит:

м2.

По величине ориентировочной поверхности теплообмена подбираем теплообменник со следующими характеристиками [5]:

- диаметр кожуха 500 мм;

- наружный диаметр труб 25 мм;

- внутренний диаметр труб 21 мм;

- число ходов 2;

- общее число труб 100;

- длина труб 3 м;

- поверхность теплообмена 31 м2;

- количество аппаратов 1 штуки.

Проведём уточнённый расчёт поверхности теплообмена.

Рассчитывается скорость движения печного масла в трубах по формуле:

, (20)

где - скорость движения холодного теплоносителя (печного масла) в трубах, м/c;

- массовый расход холодного теплоносителя, кг/с;

- число труб на один ход теплообменника;

- внутренний диаметр труб, м;

- плотность холодного теплоносителя, кг/м3.

Плотность печного масла рассчитывается по уравнению (7), причём плотности компонентов, входящих в состав смеси, берутся при средней температуре печного масла равной 60 [10]:

кг/м3.

Тогда скорость движения печного масла в трубах, рассчитанная по уравнению (20) равна:

м/c.

Рассчитывается критерий Рейнольдса для холодного теплоносителя по формуле:

, (21)

где - критерий Рейнольдса;

- скорость движения печного масла по трубам, м/с;

- внутренний диаметр труб теплообменника, м;

- плотность смеси, кг/м3;

- вязкость смеси, Па.с.

Вязкость печного масла рассчитывается по уравнению аддитивности компонентов, входящих в состав смеси, берутся при средней температуре печного масла равной 60 [10]:

= 0,440 мПа.с = 0,00044 Па.с.

Тогда критерий Рейнольдса равен:

.

Зададимся температурой стенки со стороны греющего пара .

Определяется коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося водяного пара к стенке по уравнению [6]:

, (22)

где - теплоотдачи от конденсирующегося водяного пара к стенке на поверхности пучка горизонтальных труб, Вт/(м2.К);

- поправочный множитель, учитывающий влияние числа горизонтальных труб по вертикали;

- коэффициент теплопроводности плёнки конденсата, Вт/(м.К);

- плотность плёнки конденсата, кг/м3;

- удельная теплота конденсации, Дж/кг;

- ускорение свободного падения, м/с2;

- вязкость плёнки конденсата, Па.с;

- диаметр труб теплообменника, м;

- температура конденсации греющего пара, ;

- температура стенки, .

Значения величин , , , для плёнки конденсата берутся при температуре плёнки равной:

.

Поправочный множитель, учитывающий влияние числа горизонтальных труб по вертикали, равен 0,62 [6], = 0,686 Вт/(м.К), = 946,75 кг/м3, = 2208000 Дж/кг, = 0,0002388 Па.с [6].

Тогда коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося водяного пара к стенке равен:

Вт/(м2.К).

Удельную тепловую нагрузку (удельный тепловой поток) от конденсирующегося пара к стенке рассчитывают по уравнению:

Вт/м2.

Рассчитывается сумма термических сопротивлений слоёв стенки, включая загрязнения по уравнению (10). Толщина стенки равна 0,002 м, коэффициент теплопроводности материала стенки принимается равным 17,5 Вт/(м.К), а тепловая проводимость загрязнений со стороны греющего пара и со стороны печного масла равной 1/5800 Вт/(м2.К) [6]:

(м2.К)/Вт.

Рассчитывается температура стенки со стороны печного масла:

.

Так как не происходит изменения агрегатного состояния холодного теплоносителя (печного масла), то коэффициент теплоотдачи от стенки к печному маслу рассчитывают по уравнению (15). Так как критерий , то критерий Нуссельта рассчитывается по формуле [6]:

, (23)

где - критерий Нуссельта для холодного теплоносителя;

- поправочный коэффициент, учитывающий влияние на коэффициент теплоотдачи отношение длины труб теплообменника к её диаметру;

- критерий Рейнольдса холодного теплоносителя;

- критерий Прандтля холодного теплоносителя;

- критерий Прандтля смеси при температуре стенки холодного теплоносителя.

Значение поправочного коэффициента равно = 1 [6].

Критерий Прандтля вычисляется по формуле [6]:

, (24)

где - критерий Прандтля для холодного теплоносителя;

- удельная теплоёмкость смеси, Дж/(кг.К);

- вязкость смеси, Па.с;

- коэффициент теплопроводности смеси, Вт/(м.К).

Коэффициент теплопроводности «печного масла» при средней температуре печного масла 60 равен 0,12 Вт/(м.К) [10]; вязкость и удельная теплоёмкость вычислены ранее. Тогда критерий Прандтля для печного масла равен:

.

Вязкость, удельная теплоёмкость и коэффициент теплопроводности «печного масла» при температуре равны соответственно 0,000448 Па.с, 1564,8 Дж/(кг.К), 0,1308 Вт/(м.К) [10].

Тогда критерий Прандтля при температуре стенки равен:

.

Таким образом, критерий Нуссельта для печного масла равен:

.

Тогда коэффициент теплоотдачи от стенки к печному маслу равен:

Вт/(м2.К).

Рассчитывается удельный тепловой поток от стенки к печному маслу:

Вт/м2.

Так как расхождение между Вт/м2 и Вт/м2 не превышает 5 % , то определяется расчётная площадь поверхности теплопередачи и коэффициент теплопередачи:

Вт/(м2.К);

м2 .

В выбранном теплообменнике запас поверхности составляет:

%.

1.5.4 Аппарат К-004

Колонна ректификационная. Предназначена для выделения из углеводородного конденсата бензол-толуольной фракции.

1) Материальный баланс ректификационной колонны

Материальный баланс колонны составляется с целью определения количества получаемых продуктов по известным данным об исходном сырье и заданной чёткости разделения [7].

Основным положением, лежащим в основе расчёта ректификации многокомпонентных систем методом Б. Н. Михайловского, является допущение, что в расчете можно пользоваться любой парой компонентов смеси. Если компоненты сложной смеси пронумеровать и расположить по их летучести (в порядке уменьшения летучести), то будем иметь 1,2,3,4,…,k-1,k компоненты. Наиболее летучий первый, наименее летучий k. Обозначим концентрацию компонентов смеси в питании через . Очевидно, что

(25)

Кроме того, принимается концентрация наиболее летучего компонента и в кубовом остатке . Концентрация прочих компонентов не могут быть взяты произвольно и вычисляются.

Давление в колонне P принимается исходя из технологических требований.

Температура кипения питания определяется расчетным путем по уравнению:

, (26)

где - упругости паров чистых компонентов при температуре исходной смеси .

Давления насыщенных паров компонентов, входящих в смесь рассчитывается по уравнению Антуана [8]:

, (27)

где - давление насыщенного пара i - го компонента смеси, атм.;

A, B, C - коэффициенты уравнения Антуана (А измеряется в мм рт. ст.);

t - температура смеси, К.

Уравнение (26) решается методом подбора. Задаваясь температурой , находятся по справочникам или рассчитываются по уравнению Антуана значения и подставляются найденные значения в уравнения (26). Если правая и левая части уравнения оказываются равными, то принятое значение выбрано правильно. Если равенства не будет иметь место, то принимается другое значение и расчет повторяется.

Рассчитывается отношение давления насыщенного пара наиболее летучего компонента к давлению насыщенного пара остальных компонентов [9]:

(28)

При принятых допущения и обозначениях были выведены следующие расчетные уравнения.

Для определения количества дистиллята D и кубового остатка R в молях используются следующие уравнения:

; (29)

(30)

Здесь и в дальнейшем индексы при концентрациях поставлены так, что первый из них обозначает, номер компонента, а второй - продукт, в котором определяется концентрация этого компонента. Таким образом, индекс (k, D) обозначает, что речь идет о компоненте k в дистилляте, а (k, R) - о компоненте k в остатке, (k, M) - в питании.

Для определения концентрации компонента в дистилляте используется уравнение:

(31)

известно по заданию, а потому

В этом уравнении

(32)

Подставляя значения из уравнения (32) в уравнение (31), получим:

(33)

В уравнениях (32) и (33) - минимальное число ступеней изменения концентраций, соответствующее бесконечно большому значению флегмового числа .

Уравнение (33) в отношении решается подбором.

Для определения концентрации компонентов в кубовом остатке [9]:

(34)

В таблице 1 представлен состав исходной смеси, а также температуры кипения компонентов, входящих в состав смеси [8].

Таблица 1 - Состав исходной смеси

№	Название компонента	Молярная масса	Массовая доля, %	Температура кипения,
1	Бензол	78,12	2,13	80,1
2	Толуол	92,10	4,26	110,6
3	Октан	114,22	0,20	125,6
4	Этилбензол	106,16	32,10	136,2
5	м- и п-Ксилол	106,16	0,44	139
6	о-Ксилол	106,16	0,034	144,4
7	Стирол	104,14	60,40	145,2
8	Изопропилбензол	120,19	0,006	152,4
9	-Метилстирол	118,00	0,19	165,4
10	Смолы	208,30	0,24	306,5
Итого		100,00

Зная расход питания и массовую долю компонентов в нем, находят массовый расход каждого компонента:

, (35)

где - расход i - го компонента в питании, кг/ч;

- концентрация i - го компонента в питании, мас. дол.;

- расход питания, кг/ч.

кг/ч;

кг/ч;

кг/ч;

кг/ч;

кг/ч;

кг/ч;

кг/ч;

кг/ч;

кг/ч;

кг/ч.

Зная массовый расход компонентов в питании, находят их мольный расход:

, (36)

где - мольный расход i - го компонента в питании, кмоль/ч;

- массовый расход i - го компонента в питании, кг/ч;

- молярная масса i - го компонента, г/моль.

кмоль/ч;

кмоль/ч;

кмоль/ч;

кмоль/ч;

кмоль/ч;

кмоль/ч;

кмоль/ч;

кмоль/ч;

кмоль/ч;

кмоль/ч.

Зная мольный расход каждого компонента в питании колонны, находят мольную долю каждого компонента.

, (37)

где - мольная доля i - го компонента в питании;

- мольный расход i - го компонента в питании, кмоль/ч;

n - количество компонентов в смеси.

Таким образом, мольная доля каждого компонента в питании колонны равна:

;

;

;

;

;

;

;

;

;

.

Средствами MS Excel надстройка «Поиск решения» была найдена температура кипения питания равная 49 . При этой температуре находят упругости паров чистых компонентов исходной смеси по уравнению (27), используя данные таблицы 2.

В таблице 2 приведены коэффициенты уравнения Антуана для компонентов смеси, а также температурный диапазон, на котором эти коэффициенты работают [8].

Таблица 2 - Коэффициенты уравнения Антуана

№	Название компонента	Коэффициенты уравнения Антуана	Интервал температур,
		А, мм рт. ст.	В	С
1	Бензол	15,9008	2788,51	-52,36	7	190
2	Толуол	16,0137	3096,52	-53,67	7	137
3	Октан	15,9426	3120,29	-63,63	19	152
4	Этилбензол	16,0195	3279,47	-59,95	27	177
5	м- и п-Ксилол	16,139	3366,99	-58,04	27	167
6	о-Ксилол	16,1156	3395,57	-59,46	27	167
7	Стирол	16,0193	3328,57	-63,72	32	187
8	Изопропилбензол	15,9722	3363,60	-63,37	38	184
9	-Метилстирол	16,3308	3644,30	-67,15	20	220

Таким образом, упругости паров чистых компонентов исходной смеси при температуре 49 равны:

мм рт. ст.;

мм рт. ст.;

мм рт. ст.;

мм рт. ст.;

мм рт. ст.;

мм рт. ст.;

мм рт. ст.;

мм рт. ст.;

мм рт. ст.;

мм рт. ст.

Зададимся давлением в колонне равным 120 мм рт. ст.

Подставляя найденное значение упругости паров чистых компонентов в уравнение (26), получают:

мм рт.ст.

Таким образом, расчетное давление в питании равно заданному, и, следовательно, найденное значение температуры питания является верным. Летучесть наиболее летучего компонента, отнесенная к летучести других компонентов, определяется по уравнению (28):

;

;

;

;

;

;

;

;

;

.

Для определения количества дистиллята D и кубового остатка R в молях по уравнению (29), (30) зададимся мольной долей бензола в дистилляте равной 0,3739, а в кубовом остатке 0,000001:

кмоль/ч;

R = 192,98 - 14,58 = 178,40 кмоль/ч.

Средствами MS Excel надстройка «Поиск решения» найдено минимальное число ступеней изменения концентраций равное 1,56. Тогда концентрацию компонентов в дистилляте находят по уравнению (32):

;

;

;

;

;

;

;

;

.

Подставив найденные значения мольных долей компонентов в дистилляте в уравнение (31) получим:

.

Таким образом, найденное значение числа минимальных ступеней изменения концентрации является верным.

Концентрация компонентов в кубовом остатке рассчитывается по уравнению (34):

;

;

;

;

;

;

;

;

;

Зная, содержание компонентов в дистилляте и в исчерпывающей части колонны, находят их расход:

, (38)

где - мольный расход i - го компонента в дистилляте, кмоль/ч;

- концентрация i - го компонента в дистилляте, мол. дол.;

D - количество дистиллята, кмоль/ч.

кмоль/ч;

кмоль/ч;

кмоль/ч;

кмоль/ч;

кмоль/ч;

кмоль/ч;

кмоль/ч;

кмоль/ч;

кмоль/ч;

кмоль/ч.

Аналогично находят мольный расход компонентов в кубе:

кмоль/ч;

кмоль/ч;

кмоль/ч;

кмоль/ч;

кмоль/ч;

кмоль/ч;

кмоль/ч;

кмоль/ч;

кмоль/ч;

кмоль/ч.

В таблице 3 представлен материальный баланс ректификационной колонны К-004, рассчитанный по методу Б.Н. Михайловского.

Таблица 3 - Материальный баланс ректификационной колонны К-004

№	Компонент	Молярная масса	Содержание компонентов в питании	Содержание компонентов в дистилляте	Содержание компонентов в кубовом остатке
			кг/ч	мас.дол., %	кг/ч	мас.дол., %	кмоль/ч	мол.дол., %	кмоль/ч	мол.дол., %	кг/ч	мас.дол., %	кмоль/ч	мол.дол., %
1	Бензол	78,12	426	2,13	0,0	0,00	0,00	0,000	5,45	2,83	426	33,40	5,45	37,390
2	Толуол	92,10	852	4,26	64,0	0,34	0,70	0,390	9,25	4,79	788,0	61,79	8,56	58,664
3	Октан	114,22	40	0,20	36,4	0,19	0,32	0,179	0,35	0,18	3,6	0,28	0,03	0,216
4	Этилбензол	106,16	6420	32,10	6362,6	33,98	59,93	33,596	60,47	31,34	57,4	4,50	0,54	3,708
5	м- и п-Ксилол	106,16	88	0,44	87,7	0,47	0,83	0,463	0,83	0,43	0,3	0,03	0,003	0,021
6	о-Ксилол	106,16	6,8	0,034	6,8	0,04	0,06	0,036	0,06	0,03	0,0	0,00	0,00	0,000
7	Стирол	104,14	12080	60,40	12080,0	64,51	116,00	65,022	116,00	60,11	0,0	0,00	0,00	0,000
8	Изопропилбензол	120,19	1,2	0,006	1,2	0,01	0,01	0,006	0,01	0,01	0,0	0,00	0,00	0,000
9	-Метилстирол	118,00	38	0,19	38,0	0,20	0,32	0,181	0,32	0,17	0,0	0,00	0,00	0,000
10	Смолы	208,30	48	0,24	48,0	0,26	0,23	0,129	0,23	0,12	0,0	0,00	0,00	0,000
Итого		20000	100,00	192,98	18724,7	100,00	178,40	100,00	100,00	1275,3	100,00	14,58	100,00

2) Выбор технологических параметров процесса

а) Определение параметров в исчерпывающей части колонны

Давление в кубе колонны рассчитывается по уравнению изотермы жидкой фазы [7]:

, (39)

где - концентрация i - го компонента в кубовом остатке, мол. дол.;

- константа фазового равновесия i - го компонента;

- давление насыщенного пара i - го компонента, мм рт.ст.;

- давление конденсации, мм рт.ст.;

n - количество компонентов в смеси.

Давления насыщенных паров компонентов, входящих в смесь рассчитывается по уравнению (27).

Константы фазового равновесия компонентов смеси рассчитывается по уравнению [7]:

, (40)

где - константа фазового равновесия i - го компонента смеси;

- давление насыщенного пара i - го компонента смеси, мм рт.ст.;

- общее давление смеси, мм рт.ст..

Расчет давлений насыщенных паров всех компонентов, входящих в смесь, проводят по уравнению (27), используя данные таблицы 2.

Примем, что температура в кубе колонны равна 97 . Тогда давления насыщенных паров компонентов равны:

мм рт. ст.;

мм рт. ст.;

мм рт. ст.;

мм рт. ст.;

мм рт. ст.;

мм рт. ст.;

мм рт. ст.;

мм рт. ст.;

мм рт. ст.;

мм рт. ст.

Таким образом, по уравнению (39) давление в кубе колонны при 97 равно:

мм рт. ст.

б) Определение параметров в зоне подачи сырья в колонну

Давление в зоне подачи сырья в колонну колонны рассчитывается по уравнению [9]:

, (41)

где - давление питания, мм рт.ст.;

- давление в кубе колоны, мм рт.ст.;

- гидравлическое сопротивление тарелок в исчерпывающей части колонны, мм рт.ст..

Гидравлическое сопротивление тарелок в исчерпывающей части колонны рассчитывается по уравнению [9]:

, (42)

где - гидравлическое сопротивление тарелок в исчерпывающей части колонны, мм рт.ст..

N - число тарелок в укрепляющей части колонны;

- гидравлическое сопротивление одной тарелки, мм рт.ст..

Для струйных тарелок с отбойниками величина гидравлического сопротивления составляет 0,0003 МПа (2,28 мм рт. ст.) [7]. Принимается, что число реальных тарелок в исчерпывающей части колонны равно 16. Тогда гидравлическое сопротивление тарелок в исчерпывающей части колонны, рассчитанное по формуле (42) составит:

МПа или 37 мм рт. ст.

Тогда давление в зоне подачи сырья в колонну, рассчитанное по уравнению (41) составит:

мм рт. ст.

При таком давлении в зоне подачи сырья в колонну рассчитывается температура питания по уравнению изотермы жидкой фазы [7]:

, (43)

где - концентрация i - го компонента в питании, мол. дол.;

- константа фазового равновесия i - го компонента;

n - количество компонентов в смеси.

Определение температуры в зоне подачи сырья в колонну производится методом подбора с использованием средств MS Excel надстройки «Поиск решения». Принятое значение температуры в зоне подачи сырья в колонну будет истинным, если выполнится условие уравнения (43).

Примем, что температура в зоне подачи питания в колонну равна 85 .

При этой температуре по уравнению (27) с использованием данных таблицы 2 рассчитываются давления насыщенных паров компонентов смеси и по уравнению (40) константы фазового равновесия.

Данные для определения температуры в зоне подачи сырья в колонну представлены в таблице 4.

Таблица 4 - Данные для определения температуры в зоне подачи сырья в колонну

Температура t = 85 , давление = 157 мм рт. ст.

№	Компонент	Упругости паров, мм рт. ст.	Константа фазового равновесия	Содержание компонента в питании, мол. дол.
1	Бензол	881,86	5,6087	0,0283
2	Толуол	345,20	2,1955	0,0479
3	Октан	210,28	1,3374	0,0018
4	Этилбензол	151,76	0,9652	0,3134
5	м- и п-Ксилол	137,02	0,8715	0,0043
6	о-Ксилол	115,32	0,7335	0,00033
7	Стирол	111,55	0,7095	0,6011
8	Изопропилбензол	95,78	0,6091	0,0001
9	-Метилстирол	45,05	0,2865	0,0017
10	Смолы	55,78	0,3547	0,0012

Тогда по уравнению (43) получают:

Таким образом, найденное значение температуры в зоне подачи питания в колонну является истинным и составляет 85 .

в) Определение параметров верха колонны

Давление верха колонны рассчитывается по уравнению [9]:

, (44)

где - давление верха колонны, мм рт.ст.;

- давление в зоне подачи сырья в колонну, мм рт.ст.;

- гидравлическое сопротивление тарелок в укрепляющей части колонны, мм рт.ст..

Гидравлическое сопротивление тарелок в укрепляющей части колонны рассчитывается по уравнению [9]:

, (45)

где - гидравлическое сопротивление тарелок в укрепляющей части колонны, мм рт.ст..

N - число тарелок в укрепляющей части;

- гидравлическое сопротивление одной тарелки, мм рт.ст..

Для струйных тарелок с отбойниками величина гидравлического сопротивления составляет 0,0003 МПа (2,28 мм рт. ст.) [7]. Принимается, что число реальных тарелок в укрепляющей части колонны равно 14. Тогда гидравлическое сопротивление тарелок в укрепляющей части колонны, рассчитанное по формуле (45) составит:

МПа или 32 мм рт. ст.

Тогда давление в верху колонны, рассчитанное по уравнению (44) составит:

мм рт. ст.

При таком давлении рассчитывается температура верха колоны по уравнению паровой фазы [7]:

, (46)

где - концентрация i - го компонента в дистилляте, мол. дол.;

- константа фазового равновесия i - го компонента;

n - количество компонентов в смеси.

Определение температуры верха колонны производится методом подбора с использованием средств MS Excel надстройки «Поиск решения». Принятое значение температуры верха колонны будет истинным, если выполнится условие уравнения (46). Примем, что температура верха колонны равна 53 . При этой температуре по уравнению (27) с использованием данных таблицы 2 рассчитываются давления насыщенных паров компонентов смеси и по уравнению (40) константы фазового равновесия.

Данные для определения температуры верха колонны представлены в таблице 5.

Таблица 5 - Данные для определения температуры верха колонны

Температура 53 , давление =125 мм рт. ст.

№	Компонент	Упругости паров, мм рт. ст.	Константа фазового равновесия	Содержание компонента в дистиллате, мол. дол.
1	Бензол	297,66	2,3754	0,37390
2	Толуол	102,21	0,8157	0,58664
3	Октан	56,39	0,4500	0,00216
4	Этилбензол	39,45	0,3148	0,03708
5	м- и п-Ксилол	35,01	0,2794	0,00021
6	о-Ксилол	28,72	0,2292	0,00000
7	Стирол	27,38	0,2185	0,00000
8	Изопропилбензол	23,24	0,1855	0,00000
9	-Метилстирол	9,31	0,0743	0,00000
10	Смолы	13,69	0,1092	0,00000

Тогда по уравнению (46) получают:

Таким образом, найденное значение температуры верха колонны является истинным и составляет 53 .

г) Определение параметров конденсации

Давление паров в верху колонны должно быть больше, чем давление конденсации, то есть пары должны иметь напор для преодоления сопротивления шлемовой трубы и межтрубного пространства конденсатора. Этот напор, как правило, принимается 0,005 - 0,02 МПа. Таким образом, давление конденсации смеси можно рассчитать по следующей формуле:

, (47)

где - давление конденсации смеси, мм рт.ст.;

- давление верха колонны, мм рт.ст.;

- перепад давления в шлемовой трубе, мм рт.ст..

Давление конденсации смеси составляет:

мм рт.ст.

При таком давлении температура начала конденсации рассчитывается по уравнению паровой фазы.

Определение температуры начала конденсации производится методом подбора с использованием средств MS Excel надстройки «Поиск решения». Принятое значение температуры начала конденсации будет истинным, если выполнится условие уравнения (46).

Примем, что температура начала конденсации равна 53 .

При этой температуре по уравнению (27) с использованием данных таблицы 2 рассчитываются давления насыщенных паров компонентов смеси и по уравнению (40) константы фазового равновесия.

Данные для определения температуры начала конденсации смеси представлены в таблице 6.

Таблица 6 -Данные для определения температуры начала конденсации

Температура 53 , давление = 125 мм рт. ст.

№	Компонент	Упругости паров, мм рт. ст.	Константа фазового равновесия	Содержание компонента в дистиллате, мол. дол.
1	Бензол	297,66	2,3754	0,37390
2	Толуол	102,21	0,8157	0,58664
3	Октан	56,39	0,4500	0,00216
4	Этилбензол	39,45	0,3148	0,03708
5	м- и п-Ксилол	35,01	0,2794	0,00021
6	о-Ксилол	28,72	0,2292	0,00000
7	Стирол	27,38	0,2185	0,00000
8	Изопропилбензол	23,24	0,1855	0,00000
9	-Метилстирол	9,31	0,0743	0,00000
10	Смолы	13,69	0,1092	0,00000

Тогда по уравнению (46) получают:

Таким образом, найденное значение температуры начала конденсации является истинным и составляет 53 .

Давление конца конденсации смеси рассчитывается по уравнению изотермы жидкой фазы [7]:

, (48)

где - концентрация i - го компонента в дистилляте, мол. дол.;

- константа фазового равновесия i - го компонента;

- давление насыщенного пара i - го компонента, мм рт.ст.;

- давление конденсации, мм рт.ст.;

n - количество компонентов в смеси.

Определение температуры конца конденсации производится методом подбора с использованием средств MS Excel надстройки «Поиск решения». Принятое значение температуры конца конденсации будет истинным, если выполнится условие уравнения (48).

Примем, что температура конца конденсации равна 45 .

При этой температуре по уравнению (27) с использованием данных таблицы 2 рассчитываются давления насыщенных паров компонентов смеси и по уравнению (40) константы фазового равновесия.

Данные для определения температуры конца конденсации смеси представлены в таблице 7.

Таблица 7 -Данные для определения температуры конца конденсации

Температура 45 , = 125 мм рт. ст.

№	Компонент	Упругости паров, мм рт. ст.	Константа фазового равновесия	Содержание компонента в дистиллате, мол. дол.
1	Бензол	218,73	1,7455	0,37390
2	Толуол	72,35	0,5774	0,58664
3	Октан	38,74	0,3091	0,00216
4	Этилбензол	26,88	0,2145	0,03708
5	м- и п-Ксилол	23,74	0,1895	0,00021
6	о-Ксилол	19,33	0,1543	0,00000
7	Стирол	18,33	0,1463	0,00000
8	Изопропилбензол	15,52	0,1238	0,00000
9	-Метилстирол	5,93	0,0473	0,00000
10	Смолы	9,17	0,0732	0,00000

Тогда по уравнению (48) получают:

Таким образом, найденное значение температуры конца конденсации является истинным и составляет 45 .

Выбираем в качестве хладоагента промышленную оборотную воду с параметрами: начальная температура 25 , конечная температура 35 .

В таблице 8 представлены технологические параметры процесса ректификации.

Таблица 8 - Технологические параметры процесса ректификации

Сечение колонны	Температура,	Давление, мм рт. ст.
Верх колонны	53	125
Зона подачи сырья	85	157
Куб колонны	97	194

Исходя из значения температуры в исчерпывающей части колонны, выбирается горячий теплоноситель с температурой на 15 - 20 выше температуры в исчерпывающей части колонны.

Таким образом, выбираем в качестве горячего теплоносителя водяной пар с параметрами: температура - 119,6 , давление - 0,2 МПа, плотность - 1,107 кг/м3, удельная теплота парообразования - 2208 кДж/кг [6].

д) Расчет минимального флегмового числа и числа теоретических тарелок

Флегмовое число и число теоретических тарелок являются основными параметрами, определяющими заданное разделение в ректификационной колонне. На практике наиболее часто минимальное флегмовое число рассчитывается по уравнению Андервуда [7]:

, (49)

где - минимальное флегмовое число;

- концентрация i - го компонента в дистилляте, мол. дол.;

- коэффициент относительной летучести i - го компонента по отношению к тяжелому ключевому компоненту при средней температуре в колонне;

- вспомогательный множитель;

n - число компонентов смеси.

Но для нахождения минимального флегмового числа по уравнению Андервуда, необходимо определить значение вспомогательного множителя по уравнению [7]:

, (50)

где - вспомогательный множитель;

- молярная доля жидкости в питании (если питание в жидком виде, то q=1);

- коэффициент относительной летучести i - го компонента по отношению к тяжелому ключевому компоненту при средней температуре в колонне;

- концентрация i - го компонента в питании, мол. дол.;

n - число компонентов смеси.

Вспомогательный коэффициент должен быть меньше коэффициента относительной летучести легкого ключевого компонента и больше 1.

Коэффициент относительной летучести компонента по отношению к тяжелому ключевому компоненту при средней температуре в колонне рассчитывается по уравнению [7]:

, (51)

где - коэффициент относительной летучести;

- упругость паров i - го компонента, мм рт. ст.;

- упругость паров тяжелого ключевого компонента, мм рт. ст.

Для определения вспомогательного коэффициента необходимо вначале рассчитать коэффициенты относительной летучести компонентов смеси по отношению к тяжёлому ключевому компоненту и упругости паров компонентов при средней температуре в колонне равной:

.

Упругости паров компонентов смеси при данной температуре рассчитываются по уравнению (27) с использованием данных таблицы 2:

мм рт. ст.;

мм рт. ст.;

мм рт. ст.;

мм рт. ст.;

мм рт. ст.;

мм рт. ст.;

мм рт. ст.;

мм рт. ст.;

мм рт. ст.;

мм рт. ст.

Тогда коэффициенты относительной летучести компонентов смеси по отношению к тяжелому ключевому компоненту (этилбензолу), рассчитанные по уравнению (51) будут равны:

;

;

;

;

;

;

;

;

;

.

Рассчитывается вспомогательный коэффициент по уравнению (50):

Данное уравнение относительно неизвестной решается методом подбора. С помощью средств MS Excel надстройки «Поиск решения» было найдено значение равное 1,5271.

Тогда минимальное флегмовое число, рассчитанное по уравнению (49), будет равно:

.

Минимальное число теоретических тарелок рассчитывается по уравнению Фенске отдельно для укрепляющей и исчерпывающей части [7]:

, , (52)

где - минимальное число теоретических тарелок для укрепляющей части колонны;

- минимальное число теоретических тарелок для исчерпывающей части колонны;

- концентрация легкого ключевого компонента в дистилляте, мол. дол.;

- концентрация легкого ключевого компонента в питании, мол. дол.;

- концентрация легкого ключевого компонента в исчерпывающей части колонны, мол. дол.;

- концентрация тяжелого ключевого компонента в дистилляте, мол. дол.;

- концентрация тяжелого ключевого компонента в питании, мол. дол.;

- концентрация тяжелого ключевого компонента в исчерпывающей части колонны, мол. дол.;

- коэффициент относительной летучести легкого ключевого компонента по отношению к тяжелому ключевому компоненту при средней температуре в укрепляющей части колонны;

- коэффициент относительной летучести легкого ключевого компонента по отношению к тяжелому ключевому компоненту при средней температуре в исчерпывающей части колонны.

Для определения минимального числа теоретических тарелок в укрепляющей части колонны необходимо рассчитать коэффициент относительной летучести лёгкого ключевого компонента по отношению к тяжёлому ключевому компоненту при средней температуре в укрепляющей части колонны, которая равна:

.

Упругости паров лёгкого (толуол) и тяжёлого (этилбензол) ключевых компонентов при средней температуре в укрепляющей части колонны, рассчитанные по уравнению (27) с использованием данных таблицы (26), будут равны:

мм рт. ст.;

мм рт.ст.

Тогда относительная летучесть лёгкого ключевого компонента по отношении к тяжёлому ключевому компоненту в укрепляющей части колонны, рассчитанная по уравнению (50), будет равна:

.

Таким образом, минимальное число теоретических тарелок в укрепляющей части колонны, рассчитанное по уравнению (52), будет равно:

.

Для определения минимального числа теоретических тарелок в исчерпывающей части колонны необходимо рассчитать коэффициент ключевого компонента по отношению к тяжёлому ключевому компоненту при средней температуре в исчерпывающей части колонны, которая равна:

.

Упругости паров лёгкого и тяжёлого ключевых компонентов при средней температуре в исчерпывающей части колонны, рассчитанные по уравнению (27) с использованием данных таблицы (26), будут равны:

мм рт. ст.;

мм рт. ст.

Тогда относительная летучесть лёгкого ключевого компонента по отношении к тяжёлому ключевому компоненту в исчерпывающей части колонны, рассчитанная по уравнению (50), будет равна:

.

Таким образом, минимальное число теоретических тарелок в укрепляющей части колонны, рассчитанное по уравнению (52), будет равно:

Общее число теоретических тарелок в колонне составит:

е) Оптимизация флегмового числа

Флегмовое число существенно влияет на размеры капитальных и эксплуатационных (энергетических) затрат. Для оптимизации флегмового числа вводится понятие коэффициента избытка флегмы [7]:

, (53)

где - коэффициент избытка флегмы;

- оптимальное флегмовое число;

- минимально флегмовое число.

Для определения оптимального флегмового числа используется метод Джиллиленда по минимальным капитальным затратам. Метод основан на определении вспомогательных коэффициентов [7]:

; , (54)

где - вспомогательный комплекс;

- вспомогательный комплекс;

- оптимальное флегмовое число;

- минимально флегмовое число.

Оптимальное число теоретических тарелок рассчитывается исходя из значения вспомогательного комплекса Y [7]:

, (55)

где - вспомогательный комплекс;

- оптимальное число теоретических тарелок;

- минимальное число теоретических тарелок.

Таким образом, для определения оптимального флегмового числа по методу Джиллиленда необходимо, задавшись несколькими значениями коэффициента избытка флегмы , определить оптимальное флегмовое число по уравнению (53) и вспомогательные коэффициенты X и Y по формуле (54). Затем, исходя из значения вспомогательного комплекса Y, рассчитать оптимальное число теоретических тарелок по уравнению (55) и значение комплекса (+1). Затем необходимо построить графическую зависимость значения комплекса (+1) от изменения коэффициента избытка флегмы.