26
Capitol 8/2 Calculul coloanelor de fracţionare cu secţie de stripare Coloanele care au numai secţie de stripare sunt frecvent folosite în practica industrială: coloana de fracţionare extractivă din cadrul instalaţiei de extracţie a hidrocarburilor aromatice din benzinele de reformare catalitică sau piroliză cu diverşi solvenţi; coloana de demetanare a gazelor naturale la temperaturi scăzute; coloanele de separare a amestecurilor parţial miscibile. Alimentarea se poate face cu: lichid subrăcit; lichid la punct de fierbere; flux parţial vaporizat. Trasarea numărului de talere teoretice prin metoda grafică McCabe- Thiele Determinarea numărului de talere teoretice: se trasează curba de echilibru în diagrama y-x; se trasează linia q ca dreaptă ce trece prin punctul (x 0F , x 0F ) şi este de pantă dată; 1

Capitolul 8-2

Embed Size (px)

DESCRIPTION

asdqwqwwqerdfsdfsdwe

Citation preview

Capitol 8/2Calculul coloanelor de fracionare cu secie de stripareColoanele care au numai secie de stripare sunt frecvent folosite n practica industrial: coloana de fracionare extractiv din cadrul instalaiei de extracie a hidrocarburilor aromatice din benzinele de reformare catalitic sau piroliz cu diveri solveni; coloana de demetanare a gazelor naturale la temperaturi sczute; coloanele de separare a amestecurilor parial miscibile.Alimentarea se poate face cu: lichid subrcit; lichid la punct de fierbere; flux parial vaporizat.

Trasarea numrului de talere teoretice prin metoda grafic McCabe-ThieleDeterminarea numrului de talere teoretice:

se traseaz curba de echilibru n diagrama y-x; se traseaz linia q ca dreapt ce trece prin punctul (x0F, x0F) i este de pant dat; se fixeaz xB i yV; rezult astfel cele dou capete ale dreptei de operare, M i N; se traseaz numrul de talere prin metoda cunoscut.

Punctul P - dreapta de operare intersecteaz curba de echilibru

- numrul de talere este infinit;

- raia de stripare este minim.

Punctul R dreapta de operare este plasat pe diagonal

- numrul de talere este minim

- raia de stripare este maxim

Reflux subrcitDei cele mai multe coloane de distilare sunt proiectate astfel nct refluxul s fie saturat (la punct de fierbere), acest lucru nu este ntotdeauna ntlnit la coloanele reale:

- atunci cnd avem condensare parial, refluxul, prin pierdere de cldur devine subrcit.

- la condensarea total, dac condensatorul nu este calculat exact sau dac temperatura distilatului la punct d efierbere este considerabil mai mare dect temperatura agentului de rcire, refluxul este subrcit.

La intrarea n coloan, temperatura refluxului crete i produce condensarea vaporilor care intr pe taler. Latenta de condensare a vaporilor furnizeaz cldura necesar ajungerii refluxului la punctul de fierbere. Ca rezultat, raia de reflux intern este mai mare dect raia de reflux extern (cea din vasul de reflux).

Calculul prin metoda McCabe-Thiele se poate baza pe aceast raie de reflux intern, care poate fi estimat prin ecuaia:

Dac nu se efectueaz corecia, numrul de talere calculat este oarecum mai mare dect cel cerut.

n cazul alimentrii n faz lichid la punct de fierbere se poate aproxima temperatura alimentrii cu media aritmetic a temperaturilor din separator i refierbtor, iar entalpia alimentrii ca medie aritmetic a entalpiilor produselor de vrf i baz.

Considernd debitele celor dou produse egale, sarcinile termice ale condensatorului i refierbtorului sunt egale.

Aceasta i datorit faptului c fluxurile de vapori din cele dou zone ale coloanei sunt egale.

n cazul alimentrii n faz vapori, sarcina termic a condensatorului este mai mare dect sarcina termic a refierbtorului.

Cheltuieli cu amortizarea = amortizarea anual = = amortizarea/numrul de ani n care se amortizeaz instalaia Amortizarea cuprinde i dobndaCheltuieli de operare: costul utilitilor, costul forei de munc, diferite regii (secie, intreprindere/companie)Cheltuieli totale anuale = Cheltuieli de operare + chletuieli cu amortizarean lei/an sau $/an sau /an

Calculul coloanelor de fracionare cu injecie direct de aburColoanele cu injecie direct de abur sunt frecvent folosite n practica industrial: cazul fracionrii soluiilor apoase; cazul fracionrii azeotropilor n care un component este apa; Componenta mai volatil sau azeotropul se elimin pe la vrf.Apa se elimin ca produs de bazPentru o raie de reflux impus i o compoziie dat a distilatului necesarul de talere este mai mare ca urmare a creterii debitului de lichid din zona de stripare ca urmare a scderii raiei de stripare.

Cheltuielile suplimentare de investiie sunt compnesate de obicei de economiile realizate prin renunarea la refierbtor.

Secia de concentrare nu este afectat de folosirea aburului direct.

Bilanurile materiale i termice globale sunt influenate.

Determinarea numrului de talere teoreticeAplicarea metodei grafice McCabe Thiele la fracionarea amestecurilor azeotrope

Consideraii legate de domeniul de concentraie n care are loc separarea

n zona Ise utilizeaz curba i concentraiile din diagrama original.

n zona II se utilizeaz curba i concentraiile transpuse din diagrama original.

Se reprezint pe noua curb y-x punctele determinate de concentraiile transpuse cu ecuaiile (8.68) i (8.69).

Se recalculeaz celelalte concentraii cu ecuaiile (8.70), (8.71) i (8.72).

Se recalculeaz ordonata la origine a dreptei de operare superioare cu euaia (8.73).

n zona II se utilizeaz curba i concentraiile din diagrama original.

n zona I se utilizeaz curba i concentraiile transpuse din diagrama original.

Se reprezint pe noua curb y-x punctele determinate de concentraiile transpuse cu ecuaiile (8.74) i (8.75).

Se recalculeaz celelalte concentraii cu ecuaiile (8.76), (8.77) i (8.78).

Se recalculeaz ordonata la origine a dreptei de operare superioare cu euaia (8.79).

Variante de alimentare

Coloana are numai secie de concentrare i, n consecin, determinarea numrului de talere prin metoda grafic necesit numai dreapta de operare superioar.

n cursul operaiei de fracionare discontinu, concentraia componentei mai volatile n lichidul rezidual din blaz sacde continuu pe msur ce operaia avanseaz, i anume, de la x0F (la nceputul operaiei) pn la xB (la sfritul operaiei).

Operaia de fracionare discontinu se poate realiza n dou moduri:

(1) cu raie variabil de reflux i xD constant;

(2) cu raie constant de reflux i xD variabil.

Fracionarea discontinu cu compoziie constant a produsului de vrfLa momentul nceperii fracionrii:

concentraia alimentrii x0F = xF; raia minim de reflux.

Pe msur ce fracionarea avanseaz, concentraia componentului mai volatil n produsul rezidual din blazul coloanei scade, ajungnd la valoarea final impus, xB, iar raia de reflux devine raia final de reflux n care concentraiile xF i yFsunt nlocuite cu xB i yB. Astfel:

De aceea, la momentul final, raia minimeflux va avea valoare maxim i ea va servi drept criteriu de stabilire a refluxului real Rf(Rf = cRminf) i a necesarului de talere teoretice.

Pe baza ipotezelor simplificatoare i neglijnd zestrea coloanei, rezult expresia dreptei de operare superioar:

Meninnd constant debitul de vapori la baz este evident c pentru creterea raiei de reflux trebuie ca debitul de distilat s se micoreze, diametrul coloanei nepermind un debit de vapori mai mare.

La final:

D = 0 i V = L (reflux total) iar concentraia componentului mai volatil devine egal cu xB.Pentru toat arja:

F numrul de moli al arjei; D - numrul de moli de distilat; B - numrul de moli de reziduu; V - numrul de moli de vapori; L - numrul de moli de reflux.

ntr-un timp dtal operaiei de fracionare discontinu propriu-zis se va produce o cantitate infinitezimal de vapori dV. Ecuaia (8.105) devine:

Introducnd valoarea lui dD din (8.108) n (8.106) rezult:

Prin integrare ntre limitele 0 i V, respectiv xB i xF:

Rezolvarea integralei se face grafic sau numeric, dL/dV reprezentnd panta dreptei de operare superioare. Ea este funcie de concentraia curent x i se poate stabili ducnd linii de operare arbitrare i citind valorile concentraie x a lichidului din blaz (ntre xF i xB) corespunztoare numrului de talere stabilit anterior pentru momentul final al operaiei, atunci cnd R = Rf = cRminf.

Fracionarea discontinu cu raie de reflux constantn acest caz, pe msur ce fracionarea avanseaz, concentraia distilatului xD sacde. Compoziia medie a acestuia se poate calcula din bilanul material efectuat la sfritul operaiei de fracionare:

Folosirea acestei ecuaii necesit cunoaterea realaiilor dintre xB, B, D i xD pentru valori date ale lui R i N, n orice moment al operaiei.Pentru curba y-x din figura se fixeaz raia real de reflux, respectiv panta dreptei de opeare. Se traseaz numrul de talere ntre xD i xF n momentul nceperii operaiei de fracionare (dac N este fixat se traseaz i rezult xD). Pe msur ce fracionarea avanseaz, xD scade ca i concentraia x a lichidului din blaz. La momentul final, xD = xF, iar x = xB. Ducnd arbitrar mai multe drepte de operare, paralele cu prima, i trasnd acelai numr de talere, se stabilete relaia dintre concentraia distilatului i a lichidului n orice moment al fracionrii.

Dac se noteaz cu L cantitatea de lichid din blaz la un moment dat i cu x concentraia componentei mai volatile i dac ntr-un timp dt s-a distilat o cantitate dL de concentraie xD, n blaz a mai rmas cantitatea (L - dL) de concentraie (x - dx). ntocmind bilanul material diferenial pe componentul mai volatil, rezult:

undexD reprezint concentraiile curente ale distilatului (xD, xD, xD);

x concentraiile curente n blaz (xF, x, xB)corelate prin numrul de echilibre (conform figurii 8.64)Integrnd ntre limitele iniiale i finale:

Integrala (8.115) se rezolv fie prin metoda grafic, fie prin metode numerice. pentru rezolvare este necesar s se cunoasc variaia funciei

cu concentraia x. Din ecuaia (8.115) se calculeaz cantitatea B, iar din bilanul total, F = D + B, cantitatea D; din (8.111) se calculeaz concentraia medie a distilatului xDm.

Cantitatea total de vapori rezultai din blaz n timpul fracionrii se calculeaz cu relaia V = D(R + 1). Dac durata operaiei de fracionare este egal cu cu t ore, atunci debitul de vapori va fi V/t. n funcie de acest debit se calculeaz diametrul coloanei, suprafaa de nclzire a refierbtorului, suprafaa condensatorului i altele.

EMBED Equation.3

1

_1458411495.unknown