Расчёт колонны деэтанизации установки УПГ-1 Белозерного ГПЗ

 - степень отгона.

Давление на верху колонны π_i с учетом перепада давления в конденсаторе принимается на 0,04 МПа выше давления в емкости орошения по формуле (6):

π₁ = π_D+0,04=2,98+0,04=3,02 [МПа]     (6)

Давление в секции питания колонны  с учетом сопротивления укрепляющих  тарелок принимается на 0,02 МПа  выше давления на верху колонны по формуле (7):

           π_f = π₁+0,02=3,02+0,02=3,04 [МПа]     (7)

Температура сырья, подаваемого в  колонну, принимается равной t_f = 31⁰C. Расчет степени конденсации сырья при этой температуре и давлении π_f = 3,04 МПа ведется по уравнению методом последовательного приближения, заданием нескольких числовых значений степени отгона e’, по формуле (8):

(8)

Результаты расчета представлены в табл. 8 и приложении 2. 

 

 

Таблица 8

Расчет доли отгона сырья этановой колонны

Углеводород	ci', мольн. доли	Кi при                                                                                             tF= 310С,                  πF=3,04 МПа	Кi - 1	е'(Ki - 1)	1+е'(Ki - 1)
метан	0,2292	4,378	3,378	0,845	1,845	0,124	0,544
этан	0,2436	1,219	0,219	0,055	1,055	0,231	0,282
пропан	0,2297	0,473	-0,527	-0,132	0,868	0,264	0,125
изобутан	0,0601	0,241	-0,759	-0,190	0,810	0,074	0,018
н-бутан	0,1186	0,186	-0,814	-0,203	0,797	0,149	0,028
изопентан	0,0307	0,095	-0,905	-0,226	0,774	0,040	0,004
н-пентан	0,0355	0,077	-0,923	-0,231	0,769	0,046	0,004
н-гексан	0,0386	0,033	-0,967	-0,242	0,758	0,051	0,002
∑	1,0000	-	-	-	-	0,979	1,005

 

Определили степень отгона методом последовательного приближения е' = 0,25.

Принимается, что давление нижней части колонны (или в кипятильнике) на  
0,04 МПа больше, чем в секции питания

π_R = π_f+0,04=3,04+0,04=3,08 [МПа ]    (9)

Температура в нижней части колонны  (в кипятильнике) при найденном давлении определяется последовательным приближением по уравнению изотермы жидкой фазы остатка (10). Расчет приведен в табл. 9.

(10)

Таблица 9

Расчет температуры t_R

Углеводород	x'Ri,                    мольн. доли	Кi при tR= 95 0С,  πR = 3,08 МПа	y'Ri=Ki ∙x'Ri
метан	0	4,126	0
этан	0,155	1,977	0,307
пропан	0,377	1,137	0,429
изобутан	0,099	0,759	0,075
н-бутан	0,196	0,658	0,129
изопентан	0,051	0,437	0,022
н-пентан	0,059	0,393	0,023
н-гексан	0,064	0,239	0,015
∑	1	-	1,000

 

Пусть температура наверху колонны t₁= -14 ⁰C (в дальнейшем эта температура уточняется).

Средняя температура в колонне равна:

(11)

При средней температуре и среднем давлении в колонне π_ср = 3,05 МПа находятся константы равновесия  компонентов сырья и относительные летучести их, при принятии за эталонный компонент нормального гексана.

Методом последовательного приближения  по уравнению Андервуда найдем значение параметра φ при е' = 0,25. Величина φ находится между значениями относительной летучести легкого и тяжелого ключевых компонентов. Расчет приведен в табл. 10.

Итак, параметр в уравнении Андервуда  φ = 9,885. После подстановки значения φ в формулу (4) для расчета r_min получается:

Таблица 10

Расчет параметра φ

Углеводород	Кi при                                                                                             tср= 370С,                  πср = 3,05 МПа		ci'		при φ=9,885
метан	6,00	222,2	0,2292	50,937	212,3	0,240
этан	1,45	53,7	0,2436	13,082	43,8	0,299
пропан	0,53	19,6	0,2297	4,508	9,7	0,463
изобутан	0,24	8,9	0,0601	0,534	-1,0	-0,536
н-бутан	0,18	6,7	0,1186	0,791	-3,2	-0,246
изопентан	0,78	28,9	0,0307	0,888	19,0	0,047
н-пентан	0,07	2,4	0,0355	0,087	-7,4	-0,012
н-гексан	0,03	1,0	0,0386	0,039	-8,9	-0,004
∑	-	-	1,0000	-	-	0,250
						e'=0,25

 

Коэффициент избытка орошения найдется по формуле (12):

   (12)

Рабочее флегмовое число определим по формуле (13):

r = r_min ∙ σ = 0,119 ∙ 4,29 = 0,51    (13)

По всей высоте укрепляющей части  колонны флегмовое число принимается  постоянным. Количество горячего орошения или флегмы, находящейся при температуре  начала кипения,  определится по формуле (14):

g = r ∙ D = 0,51 ∙ 1090,7 = 556,3 [кмоль/ч] ,   (14)

где D – количество дистиллята, кмоль/ч.

Количество паров, проходящих любое  сечение в диаметральной плоскости укрепляющей части колонны найдется по уравнению материального баланса, представленного в формуле (15):

V = g + D = D ∙ (r+1) = 1090,7 ∙ (0,51+1) = 1647 [кмоль/ч]  (15)

Состав паров, уходящих с первой (верхней) тарелки колонны определяется по уравнению концентраций укрепляющей части (16):

(g₀ + D) ∙ y’_1i= g₀ ∙ x’_oi + D ∙ y’_Di ,    (16)

где g₀ = g = 556,3 кмоль/ч - количество орошения, поступающего на первую тарелку;

       y’_1i – мольная доля компонента в парах, поднимающихся с первой тарелки;

       x’_oi – мольная доля компонента в орошении, подаваемом на верх колонны  
(табл. 7).

Из уравнений (15) получается формула (16) для расчета мольной доли компонентов, входящих в состав паров, уходящих с первой тарелки:

    (17)

Расчет состава паров с первой тарелки дан в табл. 11.

 

Таблица 11

Расчет состава паров с первой тарелки колонны

Углеводород	x'0i= y'Di / Кi	0,338 ∙ x'0i	y'Di	0,662 ∙ y'Di	y'1i = 0,338∙x'0i + 0,662∙y'Di
метан	0,173	0,058	0,604	0,400	0,458
этан	0,857	0,290	0,394	0,261	0,550
пропан	0,021	0,007	0,002	0,001	0,008
∑	1,05 ≈ 1	-	1	-	1

 

Температура верха колонны  t₁ определяется последовательным приближением по уравнению изотермы паровой фазы, уходящей с верхней тарелки колонны, по формуле (18):

(18)

Расчет температуры верха колонны дан в табл. 12.

Итак, температура верха колонны  t₁= -14 ⁰C. Перепад температуры укрепляющей части колонны:

t_f – t₁ = 31 – (–14) = 45 ⁰C     (19)

Таблица 12

Расчет температуры верха колонны

 

Углеводород	y'1i	Кi при t1= -140С,  π1 = 3,02 МПа	х'1i = y'1i / Кi
метан	0,458	4	0,115
этан	0,550	0,65	0,847
пропан	0,008	1,6	0,005
∑	1	-	1

 

4. Материальные потоки секции питания

При расчете секции питания необходимо показать, что количества проходящих через нее потоков удовлетворяют уравнениям материального баланса для укрепляющей и отгонной частей аппарата.

Материальные потоки секции питания колонны изображены схематически на рис. 9.

Рис. 9. Схема секции питания колонны

F_c – сырьевой поток; g_c – жидкий сырьевой поток; g_n – жидкий поток, стекающий с нижней тарелки укрепляющей части колонны; g_m – общий поток жидкости, стекающей с питающей тарелки; V_c – пары сырьевого потока; V₀ – пары, поднимающиеся с верхней тарелки отгонной части; V_m – общий паровой поток, уходящий с питающей тарелки; R – поток тяжелого остатка;

D – поток дистиллята

 

Количество парового орошения над  верхней отгонной тарелкой рассчитывается по формуле (20):

V₀ = s ∙ R,      (20)

где s – паровое число над верхней отгонной тарелкой.

Паровое число наверху (над верхней тарелкой) отгонной части [18] определяется из уравнения материального баланса секции питания (21):