Материал: Тепломассообменное оборудование предприятий. лабораторный практикум. Портнов В.В., Майоров В.В

Часть конденсата выводится из сепаратора в виде готового продукта разделения – дистиллята, который конденсируется и охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в промежуточную емкость 8.

Из кубовой части колонны насосом непрерывно выводится кубовая жидкость (остаток) 10 – продукт, обогащенный высококипящим компонентом (ВКК).

Принцип работы установки периодического действия ничем не отличается от установки периодического действия.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят с высоким содержанием низкокипящего компонента и кубовой остаток, обогащенный высококипящим компонентом.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ

Расчет колонны сводится к определению ее основных геометрических размеров – диаметра и высоты. Обе эти величины в значительной мере определяются гидродинамическим режимом работы колонны, который, в свою очередь, зависит от скоростей и физических свойств фаз, а также от типа и размеров контактных устройств: тарелок или насадки.

Любая ректификационная колонна может быть рассчитана в результате решения системы уравнений гидродинамики, тепло- и массопередачи, материального баланса и фазового равновесия. Вследствие сложности и нелинейности такой системы нашли применение приближенные методы расчета ректификационных колонн.

Для расчета колонн со ступенчатым и непрерывным контактом жидкой и паровой фаз широко используются два принципиально различных метода: метод теоретических тарелок и метод кинетической кривой. Теоретической тарелкой или ступенью изменения концентрации называется однократ-

55

ный контакт паровой и жидкой фаз, завершающийся достижением фазового равновесия.

Для определения количества ступеней контакта жидкой и паровой фаз в обоих случаях используют диаграмму, по которой по оси абсцисс откладывают концентрацию НКК в жидкости X , а по оси ординат – концентрацию НКК в паровой фазе Y . Такая диаграмма получила наименование диаграммы равновесия (см. рис. 6).

Для принятых в [1] допущений уравнения, связывающие составы паровой и жидкой фаз по низкокипящему компоненту, называются уравнениями рабочих линий.

Для верхней части колонны уравнение представляется

в виде

где XD – молекулярная (мольная) доля низкокипящего ком-

понента в дистилляте;

R – флегмовое число колонны, которое показывает в каком отношении делится пар, поступающий в дефлегматор,

на флегму и дистиллят R = GR GD .

Если обозначить A = RR+1 и B= RX+D1 , то уравнение (3.1) будет записано в виде

Для нижней части колонны уравнение рабочей линии записывается в виде

56

где A' = RR++F1 и B' = RF−+11XW .

Здесь XW – молекулярная (мольная) доля низкокипя-

щего компонента в кубовом остатке.

Пересчет массовых долей (концентраций) в молекулярные доли для бинарных (двухкомпонентных) смесей ведется по соотношению

где a и b – концентрация каждого из компонентов смеси, %;

µA и µB – молекулярные массы соответственно каждо-

го из компонентов, кг/кмоль.

F = GF GD – количество кг∙молей исходной смеси, от-

несенное к 1 кг∙молю готового продукта (дистиллята), т.н. относительный расход исходной смеси.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА СТУПЕНЕЙ КОНТАКТА МЕТОДОМ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ТАРЕЛОК

В качестве исходных данных используются:

–свойства исходной бинарной (многокомпонентной) смеси, данные для построения кривой равновесия, свойства каждого из компонентов;

–массовые доли компонентов в исходной смеси XF ,

дистилляте XD и кубовом остатке XW .

Порядок определения количества теоретических тарелок

1. В соответствии с исходными данными на диаграмме равновесия строится кривая равновесия (рис. 6).

57

2. Если исходные данные в приведены концентрациях – по формуле (3.4) определяются для НКК молекулярные доли

этого компонента в исходной смесиXF , дистилляте XD и кубовом остатке XW .

3. Откладываются найденные величины на диаграмме равновесия; результат пересечения вертикальных линий из

точек XD и с XW диагональю диаграммы – точки 1 и 2;

4. Определяется минимальное значение флегмового числа по формуле

где YF – равновесная молекулярная доля низкокипящего компонента в паровой фазе для исходной смеси (см. рис. 6).

5.Выбирается значение флегмового числа в диапазоне

R = (1,1...4)RMIN .

6.По выбранное величине флегмового числа определяется значение коэффициента B для уравнения рабочей линии верхней части колонны. Откладывается найденное значение

B по оси ординат и полученная точка соединяется прямой линией с точкой 1. На пересечении построенной линии и вер-

тикали из точки XF находится точка 2, которую соединяем с

точкой 3. Линии 1-2 и 2-3 это рабочие линии верхней и нижней части колонны соответственно, а ломаная линия 1-2-3 – рабочая линия для всей колонны в целом.

7. Для определения количества теоретических тарелок из точки 1 проводим горизонтальную линию до пересечения с линией равновесия. Из точки пересечения этих линий опускаем вертикальную прямую до пересечения с рабочей линией верхней части колонны 1-2. Из полученной точки на линии 1- 2 – опять горизонтальную линию.

58

Рис. 6. Определение количества теоретических тарелок на диаграмме равновесия

Процесс повторяется до пересечения горизонтального участка с вертикалью из точки XW . Количество полученных

«ступенек» (неполная учитывается) и есть искомое число теоретических тарелок nТ . Для рис. 6 – nТ =4 шт.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО ЗНАЧЕНИЯ ФЛЕГМОВОГО ЧИСЛА

Как следует из формулы (3.1) и рис. 6 для заданных значений XW ,XF,XD количество теоретических тарелок nТ

зависит только от выбранного флегмового числа R .

59