Розділ 5. Розрахунок ректифікаційної колони.

5.1. Насадкова колона

Розрахунок насадкової ректифікаційної колони полягає у визначенні основних її геометричних розмірів – діаметра і висоти, а також гідравлічного опору. Означені параметри у значній мірі залежать від гідродинамічного режиму колони, який, в свою чергу, залежить від швидкостей і фізичних властивостей фаз, а також від типу і розмірів насадок.

Коли вибирають розміри насадкових тіл, користуються наступними міркуваннями: чим більше розмір елементів насадки, тим більше її вільний об’єм (живе січення) і вище продуктивність; але внаслідок меншої питомої поверхні ефективність крупних насадок дещо менше. Тому насадку великого розміру використовують в тому випадку, коли вимагається висока продуктивність і порівняно невисока ступінь чистоти продуктів розділення.

В ректифікаційних колонах, які працюють під атмосферним тиском, для розділення агресивних рідин, а також у тих випадках, коли не вимагається часта чистка апарату, звичайно використовують кільцеву насадку.

Перш ніж розраховувати апарат, складають принципову технологічну схему ректифікаційної установки і вибирають тип насадки.

Для визначення швидкостей потоків розрахувують навантаження по парі і рідині. З цією метою складають матеріальний баланс колони і визначають флегмове число.

5.1.1. Матеріальний баланс і продуктивність по дистиляту і кубовому залишку.

Рівняння матеріальних балансів колони мають вигляд:

G_F = G_D + G_W; (5.1)

, (5.2)

звідки

G_W = ; (5.3)

G_D = G_F - G_W. (5.4)

У наведених рівняннях: G_F, G_D, G_W – відповідно продуктивність колони по вихідній суміші (задана за умови проекту), дистиляту і кубовому залишку, кг/с; , , - масові концентрації вихідної суміші, дистиляту і кубового залишку

.

5.1.2. Визначення флегмового числа.

Перед тим перераховують склад фаз з масових часток в мольні за співвідношенням

, (5.5)

де М_А і М_В – молекулярні маси відповідно низько киплячого і високо киплячого компонентів суміші, кг/кмоль.

Аналогічно перераховують х_D і х_W.

. Для суміші, яку треба розділити, з додатку 5.2 знаходять дані по рівновазі в системі „рідина – пара”.

Будують діаграми у- х (рис. 5.1) і t – х, у (рис. 5.2.). Діаграма у – х - ізобара рівноважних складів, яка називається кривою рівноваги, дозволяє визначити склад пари у^*, рівноважний даному складу рідини х. Діаграма t – х, у являє собою ізобару температур кипіння і конденсації, дозволяє визначити температури кипіння рідини і конденсації пари завданого складу.

Рис. 5.1. Графік залежності Рис. 5.2. Ізобари температур

рівноважних концентрацій кипіння (1) і конденсації (2)

Визначають величину y_F^* - склад пари, рівноважної складу вихідної суміші x_F (Рис. 5.1).

5.1.2.1. Визначають мінімальне флегмове число Rmin

. (5.8)

5.1.2.2. Розраховують робоче (оптимальне) флегмове число Rопт .

Внаслідок відсутності надійної методики оцінки R_опт, використовують наближені розрахунки, засновані на визначенні коефіцієнта надлишку флегми β = R / R_min.

Звичайно коефіцієнт надлишку флегми, при якому досягається оптимальне флегмове число, не перевищує 1,3. Один з наближених методів розрахунку R_опт полягає в находженні такого флегмового числа, якому відповідає мінімальний добуток n(R+1), пропорційний об’єму ректифікаційної колони. Послідовність розрахунку наступна:

• задаються довільними значеннями коефіцєнта надлишку флегми β (більше одиниці);

• для різних значень β визначають флегмове число R = βR_mіn;

• для кожного флегмового числа, використовуючи рівняння робочої лінії укріплюючої частини колони , будують робочі лінії і графічним методом визначають число сходинок n (кількість ступенів зміни концентрацій) між робочими лініями і рівноважною (рис. 5.3);

• визначають ряд значень добутку n(R+1);

• будують графік залежності n(R+1) від R і визначають флегмове число, якому відповідає мінімальне значення n(R+1) (рис. 5.4).

Рис. 5.3. Розміщення робочих ліній Рис. 5.4. Визначення

на діаграмі у – х за різних значень оптимального флегмо-

флегмового числа й визначення вого числа

числа ступенів зміни концентрацій

• (будують робочі лінії на діаграмі у – х при оптимальному флегмовому числі і графічно визначають кількість ступенів зміни концентрацій (рис. 5.5). Остання процедура використовується як один з методів для визначення теоретичної кількості тарілок при розрахунку тарільчастих колон.)

• 

Рис. 5.5. Зображення робочих ліній при дійсному

флегмовому числі