Расчет ректификационной установки непрерывного действия для разделения бинарных смесей

Рис.16.6. К расчету ректификационных колонн

x_F, x_d, x_w – cодержание ЛК в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке соответственно (мольные доли); х, у – рабочиеконцентрации, (мол); G_F, G_d, G_w – производительность колонны по исходной смеси, дистилляту и кубовому остатку соответственно (кмоль/с)

Задача расчета сводится к определению основных размеров колонны (диаметра, высоты), характеристик и размеров элементов внутреннего устройства (тарелок, колпачков, насадки), материальных потоков и затрат тепла (рис.16.6).

При расчете ректификации принимается, что:

1) исходная смесь подается в аппарат при температуре кипения;

2) смесь бинарная А+В;

3) удельные теплоты парообразования примерно равны: r_A = r_B, (если бы r_B>r_A, то расход пара увеличился бы, т.к. при конденсации компонента В выделялось бы больше количества тепла, чем для испарения 1 кмоль компонента А);

4) процесс в колонне адиабатический;

5) куб колонны и дефлегматор не обладают разделяющими свойствами:

а) пар, подающийся из куба, равен составу кубовой жидкости;

б) состав дистиллята равен составу пара, приходящего в дефлегматор.

Порядок расчета:

а) определение равновесных зависимостей:

;

– представление справочных данных в форме таблиц;

– построение диаграмм состояния Р–х(у), t–х(у), х–у;

б) определение материальных потоков:

– по потокам

; (16.17)

– по легколетучему компоненту

; (16.18)

– для верхней части колонны

; (16.19)

; (16.20)

– уравнение рабочей линии верхней части колонны:

, (16.21)

где R – флегмовое число определяемое,

. (16.22)

Уравнение (16.21) представляет собой уравнение прямой

,

где ; .

Рис.16.7. Построение рабочей линии для верхней части колонны

Рис.16.8. Построение рабочей линии для нижней части колонны

Прямая строится по двум точкам (рис.16.7). Первая точка лежит на диагонали квадрата с координатой х = х_d. Вторая точка отсекает на оси y отрезок ОВ;

– для нижней части колонны:

. (16.23)

Удельный расход исходной смеси определится как

;

уравнение рабочей линии нижней части колонны:

, (16.24)

где .

Уравнение (16.24) представляет собой уравнение прямой .

Первая точка лежит на рабочей линии для верхней части колонны при значении х=х_F. Вторая точка лежит на диагонали квадрата с координатой х=х_W(рис.16.8);

в) определение геометрических размеров:

– диаметр ректификационной колонны определяется из уравнения расхода

,

где w₀ – фиктивная скорость газа, т.е. скорость, отнесенная к полному сечению колонны, м/с;

– высота ректификационной колонны с числом тарелок n и расстоянием между тарелками h(значение h=0,2 до 0,6 м);

– общая высота колонны;

– высота тарельчатой части;

г) определение оптимального флегмового числа R.

При увеличении значения числа R высота ОВ (см. рис.16.7) уменьшается, следовательно, рабочая линия для верхней части колонны смещается вниз, что приводит к уменьшению числа теоретических ступеней. То есть . Прирасход дистиллята , в этом случае колонна работает «на себя» – количество жидкости, поступающей в колонну, будет максимальным, так как нет отбора дистиллята и вся жидкость (флегма) возвращается в колонну.

Рис.16.9.К определению оптимального флегмового числа

При уменьшении флегмового числа разделение возможно только в колонне бесконечно большой высоты. При этом расходы теплоты в кубе и конденсаторе будут наименьшими. Следовательно, необходимо искать оптимальное флегмовое число (рис.16.9), что осуществляется с помощью технико-экономического расчета. Задача технико-экономического расчета – минимизировать функции затрат в зависимости от значения числа R.