Особенности расчета

Основной особенностью расчета колонн для проведения процесса непрерывной бинарной ректификации является, в отличии от абсорбции, существенные кривизна линии равновесия и изменение теплофизических свойств фаз по высоте колонны, а также наличие двух рабочих линий, обусловленное вводом исходной смеси. Это не позволяет даже для аппаратов с непрерывным контактом фаз, например, насадочных использовать основное уравнение массопередачи, так как коэффициент массопередачи может значительно изменяться по высоте колонны, а также находить среднюю движущую силу, как среднелогарифмическую. Для определения высоты колонн с непрерывным контактом фаз удобнее находить высоты нижней и верхней частей колонны по тодельности, а потом определять общую высоту.

Для аппаратов со ступенчатым контактом фаз, например, тарельчатых можно применить методику расчета их высоты, определяя теплофизические и равновесные характеристики, коэффициент массопередачи и эффективность по Мэрфри на каждой тарелке. Высота нижней и верхней частей ректификационной колонны также находится отдельно.

Критерием оптимальности при проектировании ректификационной установки обычно служат суммарные затраты на ее изготовление и функционирование. Параметрами оптимизации могут являться: флегмовое число, скорость пара или однозначно связанный с ней диаметр колонны, давление в колонне, конструктивные характеристики контактных устройств (размер и тип насадки, конструкция и характеристики тарелки), межтарельчатое расстояние, состояние вводимой в колонну исходной смеси, схема использования тепла.

Повышение рабочего давления в колонне приводит к росту температуры, уменьшению объемного расхода пара и относительной летучести компонентов смеси. Последнее вызывает уменьшение движущей силы массопередачи и, следовательно, к увеличению высоты колонны. Снижение же объемного расхода пара приводит к уменьшению диаметра колонны. Повышение давления требует увеличения толщины стенок аппарата. От температуры в колонне зависит выбор нагревающего и охлаждающего агентов, используемых в ректификационной установке. Вся эта совокупность факторов обуславливает необходимость выбора оптимального давления в колонне.

Состояние исходной смеси (температура, соотношение долей жидкой и паровой фаз) также может являться одним из параметров оптимизации. Ранее предполагалось, что исходная смесь, поступающая в колонну в жидком виде, нагрета до температуры кипения. Однако она может подаваться либо недогретой, а также частично либо полностью испаренной.

При ввод недогретой исходной смеси при температуре ниже температуры кипения при контакте с паром на тарелке питания жидкая исходная смесь будет нагреваться до температуры кипения за счет тепла, выделившегося при конденсации пара. Это приведет к различным расходам пара в нижней и в верхней частях колонны (в нижней части расход пара будет больше чем в верхней), а также дополнительному увеличению расхода жидкости в нижней части колонны.

Рис. 7. Расположение рабочих линий, состав жидкости х_п и пара y_п на та-релке питания при различных состояниях вводимой в колонну ис-ходной смеси: 1 - жидкость при температуре питания; 2 - недогретая жидкость; 3 - парожидкостная смесь; 4 - насыщенный пар.

В данном случае рабочая линия нижней части колонны будет проходить ниже, чем при вводе смеси, нагретой до температуры кипения. Вид уравнения рабочей линии верхней части колонны останется без изменения. Средняя движущая сила процесса массопередачи при вводе недогретой исходной смеси больше, чем при вводе смеси, нагретой до температуры кипения и, следовательно, высота колонны будет ниже. Однако, поскольку расход жидкости и пара в нижней части колонны в этом случае будет больше, то следует увеличить ее диаметр. Кроме того при вводе недогретой исходной смеси возрастет тепловая нагрузка кипятильника. Однако это компенсируется сокращением расхода тепла на нагрев исходной смеси.

Рассмотрим теперь случай, когда питание в колонну вводится в виде парожидкостной смеси. В нижней части колонны при этом расход пара будет меньше чем в верхней, а расход жидкости в нижней части меньше чем при вводе жидкой исходной смеси, рабочая линия нижней части колонны пойдет выше, чем при вводе жидкой исходной смеси, а состав жидкости на тарелке питания будет . Следовательно уменьшится средняя движущая сила массопередачи и увеличится высота колонны, а поскольку в нижней части колонны уменьшится расход жидкости и пара, то можно будет уменьшить ее диаметр. Если же вся исходная смесь будет подаваться в виде насыщенного пара, то состав пара на тарелке питания будет равен составу исходной смеси (рис.7).