Материальный и тепловой расчет дистилляционных установок

Дистилляция мисцеллы в маслоэкстракционном производстве представляет собой процесс отгонки растворителя из мисцеллы (раствора масла в экстракционном бензине), направленный на получение масла с показателями соответствующими стандартным.

В промышленности применяется два типа дистилляционных установок — к линии НД и линии МЭЗ (или Де-Смет), которые описаны выше.

Схема трехступенчатой дистилляционной установки к линии НД представлена на рис. 10.9.

Рис. 10.9. Схема трехступенчатой дистилляционной установки к линии НД:

I, II. П, III -1-й и 2-й корпуса предварительной дистилляции, подофеватель мисцеллы и 3-й корпус окончательной дистилляции; G_-u, G'^, G" ^ — потоки мисцеллы на входе в установку (в 1-й корпус), во 2-й корпус и в подогреватель перед 3-м корпусом, кг/ч; х₍, х₂, х, — концентрации мисцеллы на входе в установку (в 1-й корпус), во 2-й корпус и в подогреватель перед 3-м корпусом,%; I, t₂, t, t', — температуры мисцеллы на входе в установку (в 1-Й корпус), во 2-Й корпус, в подогреватель и в 3-й корпус, *С; Р, P_Jt Р, — давление в 1-м, 2-м и 3-м корпусах, МПа; G_M — поток масла на выходе из установки (из 3-го корпуса); Б, Б, Б, — количество паров бензина, отходящих из 1-го, 2-го и 3-го корпусов, кг/ч; Р_|в — давление греющего пара, МПа; t_fM — температура греющего пара, *С; — расход «острого* пара, кг/ч Схема дистилляционной установки к линии МЭЗ (Де-Смет) представлена на рис. 10.10. Установка также является трехступенчатой, с подогревателем перед 3-й ступенью окончательной дистилляции. Особенностями установки к линии МЭЗ (Де-Смет) являются:

• — принудительная циркуляция мисцеллы на 1-й ступени;
• — естественная циркуляция мисцеллы на 2-й ступени;

Рис. 10.10. Схема дистилляционной установки к линии МЭЗ (Де-Смет):

Д_11и⁽", Д"Л Д «. Ц» — расходы греющего «глухого* пара в 1-м, 2-м корпусах, подогревателе и 3-м корпусе, кг/ч. Остальные обозначения совпадают с обозначениями на рис. 10.9.

— в подогревателе возможна отгонка части паров растворителя Б_п, в связи с этим количество G'" _MU и концентрация х'₃ мисцеллы после подогревателя изменяются.

Задачи расчета дистилляционной установки следующие: материальный расчет (расход по отдельным материальным потокам на каждой ступени установки); тепловой расчет (расход пара на каждой ступени установки).

Уравнения материального баланса процесса дистилляции (отгонка растворителя из мисцеллы).

где G_Muie4, G_miiicoh — массовые расходы поступающей на ступень мисцеллы и отходящей со ступени упаренной мисцеллы, кг/ч; К_нач, К_кон — концентрации мисцеллы на входе и на выходе со ступени, %; Б — массовый расход паров отогнанного растворителя из мисцеллы, кг/ч;

Уравнение теплового баланса предварительной дистилляции мисцеллы.

Приход. 1) Тепло, вносимое мисцеллой.

2) Тепло, вносимое глухим паром.

Расход. 1) Тепло, уносимое мисцеллой.

2) Тепло, уносимое парами испарившегося бензина.

3) Тепло, уносимое конденсатом глухого пара.

4) Теплопотери (2% от тепла, вносимого глухим паром).

Здесь с_мцнач с_микон—удельные теплоемкости мисцелл на входе и на выходе со ступени, кДж/(кг • град); t_HM, t_KoH — температуры мисцелл на входе и на выходе со ступени, ^вС; с^ж_б — удельная теплоемкость жидкого бензина, кДж/(кг • град); t_cp = (t_HM + t_K0H)/2 — средняя температура мисцеллы на ступени, °С; г — удельная теплота парообразования бензина при t_cp, кДж/кг; i_n, i_K — соответственно, удельная энтальпия греющего пара и его конденсата, кДж/кг; Д_гп — расход глухого пара (обычно неизвестен и находится решением уравнения 10.5), кг/ч.

Ориентировочно расход глухого греющего пара (кг/ч) можно определить по формуле, которая справедлива для расчета предварительного дистиллятора и действительна при условии, что давление греющего пара 0,2…0,3 МПа, а его температура 180…200°С.

где iⁿ _б = (с^ж_б t_cp + г) — энтальпия паров бензина, кДж/кг.

Теплоемкость мисцеллы, паров воды и растворителя. Теплоемкость мисцеллы определяется по формуле.

где.

с_м — удельная теплоемкость масла, кДж/(кг • град);

с^ж_б — удельная теплоемкость жидкого бензина, кДж/(кг • град).

Удельная теплоемкость паров воды

Удельная теплоемкость паров бензина Теплота парообразования растворителя Температура кипения мисцеллы.

Здесь Т_к — температура кипения мисцеллы, К; Р — давление, Па; х — мольная доля масла в мисцелле.

Здесь: К_мц — массовая концентрация мисцеллы, %; М_м, М_б — соответственно, средняя молекулярная масса подсолнечного масла, равная 887, и бензина, равная 86.

Расход тепла (пара) на подогрев, кДж/ч.

где G_Mu — расход мисцеллы на входе в подогреватель, кг/ч; с_ми — удельная теплоемкость мисцеллы при концентрации мисцеллы на входе в подогреватель и при средней температуре мисцеллы на входе и на выходе, кДж/кг град.

Расход глухого пара на подогрев, кг/ч.

Расчет аппаратов, в которые подается «острый» пар. Применяемые в линиях НД и МЭЗ окончательные дистилляторы, а также перегреватель в линии МЭЗ представляют собой непрерывно-действующие противоточные аппараты, в которых процесс протекает, как правило, под вакуумом с подачей острого пара.

Общее уравнение материального баланса при неполной отгонке растворителя от масла «острым» паром, который на входе в аппарат не содержит паров растворителя, имеет вид:

где G_M — производительность аппарата по маслу, кг/ч; Д_оп — расход острого пара, кг/ч; У_вых — относительная массовая концентрация бензина в паровой фазе на выходе из аппарата, кг/кг; Х_и, Х_вь1х — соответственно, относительная массовая концентрация (доля бензина к маслу в поступающей и отходящей мисцелле, кг/кг (для окончательной дистилляции Х_вых = 0).

где К — концентрация мисцеллы по маслу, %.

Минимально необходимое количество «острого» пара Д^м_оп можно определить из следующего условия: отходящая из аппарата паробензиновая фаза находится в равновесии с поступающей в аппарат мисцеллой.

где Y* — концентрация бензина в первой фазе на выходе из аппарата, равновесная с поступающей в аппарат мисцеллой, выраженная через относительную массовую концентрацию к водяному пару, кг/кг. Парожидкостное равновесие описывается уравнением:

где у* — равновесная концентрация бензина в паровой фазе, выраженная в мольных долях, кмоль/кмоль; у*? ——, здесь М. и М_А —.

соответственно, молекулярные массы воды и бензина, М_в = 18 и М_б = 86; х — равновесная концентрация бензина в жидкой фазе, выраженная в.

/ М_мХ мольных долях, кмоль/кмоль; х —^й—, здесь М_и — молекуляр;

М_мХ + М".

ная масса масла (для подсолнечного масла М_м = 887); Р°_б — давление насыщенных паров чистого бензина, МПа.

(Т — температура мисцеллы на входе в аппарат, К);

Р_ап — общее рабочее давление в аппарате, МПа; у — коэффициент активности, который определяется по формуле.

Уравнение (10.24) с учетом уравнения (10.25) и в случае выражения концентраций в мольных долях принимает вид.

Учитывая характер зависимости (10.28), можно указать, что при снижении концентрации бензина в мисцелле происходит монотонный рост Д^м_оп. Для случая полной отгонки растворителя, имеющей место в окончательном дистилляторе (х-* 0), минимально необходимый расход «острого» пара определяется по формуле.

а для случая процесса в перегревателе.

Работать с минимально необходимым количеством «острого» пара может лишь высокоэффективный массообменный аппарат с общим конечным числом единиц переноса, и для противоточного аппарата можно предложить следующие зависимости для определения рабочего расхода «острого» пара:

где — число единиц переноса.

где m — тангенс угла наклона линии равновесия.

Для определения m преобразуем в равновесном уравнении (10.25) концентрации в мольных долях в относительные массовые концентрации.

Отсюда получим.

Определим парциальное давление паров бензина в газовой фазе на основе применения закона Дальтона.

где Р_ап — общее давление в аппарате; р_б, р_в — парциальные давления паров бензина и воды; у_б, у_в — мольная доля в газовой фазе, соответственно, паров бензина и воды.

(Б — количество отгоняемого бензина);

При давлении р_б = Р_ап — р_в происходит кипение мисцеллы.

В процессе окончательной дистилляции последовательно проходят самоиспарение и процесс десорбции. Концентрация мисцеллы в конце зоны самоиспарения может быть найдена методом постепенного приближения. Задаваясь концентрацией мисцеллы в конце зоны самоиспарения К_си, можно по формуле (10.3) определить количество испаренного растворителя в этой зоне.

Затем проверяют принятую концентрацию по количеству испаренного растворителя за счет тепла, выделившегося в зоне самоиспарения.

где г—теплота парообразования бензина (определяется по формуле 10.17 при температуре t_cp= (t_B> + tJ/2), кДж/ч; AQ = Q, + Q₂— Q₃— Q₄ [Q, = G_Mi|c_Mut_ix — тепло, вносимое мисцеллой в зону самоиспарения, кДж/ кг; G_mu — производительность окончательного дистиллятора по мисцелле, кг/ч; с_мц — удельная теплоемкость входящей мисцеллы (определяется по формулам 10.12— 10.14 при соответствующих концентрации К_м и температуре t_ix), кДж/(кг • град); Q₂ = Д_опсД:и⁺ Б^сДп — тепло, вносимое паробензиновой смесью из зоны десорбции, кДж/ч; Д^ — расход «острого» пара, кг/ч; — количество отгоняемого растворителя в зоне де;

(к — к).

сорбции, кг/ч, -G_MaK,_x—‘^{ы< 01}; с «— удельная теплоемкость па;

си *.

ров воды (определяется по формуле 10.15 при температуре t_CH), кДж/(кг град); с_б^п — удельная теплоемкость паров бензина (определяется по формуле 10.16 при температуре t_CH), кДж/(кг • град); t_CM — температура мисцеллы в конце зоны самоиспарения (определяется по формуле 10.18 при давлении р_б по формуле 10.40 и концентрации К_си); Q₃ = (G_MU — БХ; t_cH — тепло, уносимое мисцеллой из зоны самоиспарения, кДж/ч; с_мц' — удельная теплоемкость входящей мисцеллы (определяется по формулам 10.12—10.14 при соответствующих концентрации К_си и температуре t_CM), кДж/(кг • град); Q₄ = Д_опс/^,Ч_1х + Б c₆'ⁿt_ix — тепло, уносимое паробензиновой смесью из зоны самоиспарения, кДж/ч; с_в^{, п}, с_б'^п — удельная теплоемкость паров воды и бензина (определяется по формулам 10.15 и 10.16 при температуре t_>x), кДж/(кг • град); Б — общее количество паров бензина: Б = G_uu(l — К/К J, кг/ч].

Расхождение между Б_си и Б_си' допускается в пределах 5—10%.