Изучение процесса Ректификации

Теоретические основы

Серьезным недостатком простой перегонки является невозможность достижения высокой степени разделения компонентов, особенно в многокомпонентных системах. Появляется необходимость в многократной простой перегонке, решение которой реализуется в процессах ректификации.

Ректификация – процесс разделения смесей на составляющие компоненты в результате многократного испарения жидкости и конденсации паров.

Принцип процесса может быть проиллюстрировать на диаграмме t – x – y.

Рис. 3.2.1. Процесс ректификации в диаграмме t – x – y:

вс – первичная конденсация; de – вторичная конденсация; fi – третья конденсация; х ₁ – концентрация исходной смеси; а – точка кипения исходной смеси; t ₁ – температура кипения исходной смеси; b – состояние пара над исходной смесью; х ₂ – концентрация легколетучего компонента в паре при его конденсации; t ₂ – температура кипения первичного конденсата; c – точка кипения первичного конденсата; d – состояние пара над первичным конденсатом при его кипении; х ₃ – концентрация легколетучего компонента при его повторной конденсации; e – точка кипения вторичного конденсата; t ₃ – температура кипения вторичного конденсата; f – состояние пара над вторичным конденсатом при его кипении; х ₄ – концентрация легколетучего компонента при его третьей конденсации

При теоретическом анализе процессов ректификации принимаются следующие допущения:

1. при конденсации 1 кмоль пара испаряется 1 кмоль жидкости. Отсюда следует, что поток пара постоянен по высоте ректификационной колонны;

2. при конденсации пара в дефлегматоре не происходит изменения состава пара. состав пара и состав конденсата одинаков;

3. при испарении жидкости не происходит изменения ее состава. Состав пара при испарении равен составу кубового остатка.

Конструкторская реализация может быть осуществлена в виде многоступенчатой установки (рис. 3.2.2), в которой исходной смесью для последующей ступени является конденсат из предыдущей ступени. Однако здесь велики затраты на металлоконструкции, значительна внешняя поверхность, через которую велики потери тепла в окружающую среду. Соединение ступеней в один агрегат дает более компактную конструкцию – ректификационную колонну.

Рис. 3.2.2.Схема ректификационной установки

1 – емкость исходной смеси; 2 – насос; 3 – подогреватель; 4 – ректификационная колонна; 5 – дефлегматор; 6 – делители; 7 – холодильник дистиллята; 8 – сборник дистиллята; 9 – холодильник остатка; 10 – сборник остатка; 11 - кипятильник; а – укрепляющая часть; б – исчерпывающая часть

Процессы ректификации могут осуществляться при периодическом или непрерывном процессе при различных давлениях: при атмосферном давлении, под вакуумом (для высококипящих смесей), под высоким давлением (для смесей из компонентов находящихся при нормальном давлении в газовой фазе).

Материальный баланс ректификационной колонны в соответствии с выделенной областью:

G_f = G_d + G_W. (3.2.1)

По легколетучему компоненту:

G_f x_f = G_d x_d + G_W x_W, (3.2.2)

где G_f, G_d, G_W – количество соответственно поступающей смеси, дистиллята и кубового остатка.

Отсюда

, (3.2.3)

, (3.2.4)

обозначим отношениe G_f / G_d = F, G_W / G_d = W, Ф/ G_d = R, где R – флегмовое число.

Уравнение материального баланса для только колонны (верхней и нижней части) записывается из общего уравнения массопередачи:

Gdy = L (-dx). (3.2.5)

Количество жидкости, стекающей в укрепляющей части колонны:

L = RG_d. (3.2.6)

Количество паров, поднимающихся по колонне:

G = G_d +Ф = G_d + R G_d = G_d (1 +R). (3.2.7)

Для укрепляющей части колонны:

(1 +R)dy = R (-dx). (3.2.8)

Для исчерпывающей части колонны:

(1 +R) dy = (F + R)(-dx). (3.2.9)

для произвольного сечения верхней части колонны при допущении, что x_d = y_d, имеем:

(1 +R)(y_d –y) = (1 + R)(x_d – y) = R (x_d – x), (3.2.10)

отсюда имеем:

. (3.2.11)

Для произвольного сечения нижней части колонны при допущении, что x_W = y_W, имеем:

(1 + R)(y – y_W)= (1 + R)(y – x_W) = (F + R)(x – x_W), (3.2.12)

отсюда

. (3.2.13)

Зависимости (3.2.11) и (3.2.13) линейны и являются уравнениями рабочих линий для укрепляющей и исчерпывающей части колонны.

Графическая интерпретация рабочих линий представлена на рис 3.2.3.

Рис. 3.2.3. Диаграмма рабочих линий процесса ректификации:

x_W, x_f, x_d – составы жидкостей; В = x_d /(R+ 1); АВ – рабочая линия укрепляющей части колонны; СВ – рабочая линия исчерпывающей части колонны; В ₁– точка минимального флегмового числа.

В точке В ₁ движущая сила процесса равна нулю, колонна должна иметь бесконечно большую поверхность фазового контакта.

R_min= (x_d – y_fp) / (y_fp – x_f), (3.2.14)

Бесконечно большое флегмовое число будет в точке 0, т. е. колонна будет работать сама на себя, без отбора дистиллята.

В этой связи возникает задача оптимизации выбора величины флегмового числа (рис. 3.2.4). От флегмового числа зависят: эксплуатационные и капитальные затраты.

Рис. 3.2.4. Диаграмма оптимизации флегмового числа:

1 – эксплуатационные затраты; 2 – капитальные затраты; 3 – суммарные затраты; R_p =s R_min; s – коэффициент избытка флегмы, принимается в пределах s = 1,1 – 1,4

Тепловой баланс ректификационной колонны

На основании схемы работы колонны имеем:

Q₁=G_f c_f t_f +RG_dc_dt_d=G_d (R+ 1)(r_d-c_dt_d) +G_Wc_Wt_W+Q _потерь, (3.2.15)

где Q ₁– расход тепла в кубе, Дж/час; c_f, c_d, c_W – теплоемкости исходной смеси, дистиллята и кубового остатка, Дж/(кг К); t_f, t_d, t_W – температуры исходной смеси, дистиллята и кубового остатка, К; r_d – теплота парообразования дистиллята, Дж/кг; Q _потерь – потери тепла в окружающую среду, Дж/час.

Расход пара в кубе:

. (3.2.16)

Пользуясь расчетными уравнениями, интерпретацией процесса ректификации в диаграмме x, y можно рассчитать процесс и конструктивные параметры ректификационной колонны.

Интерпретация процесса показана на рис. 3.2.5, где по исходным и опытно-справочным данным строим кривую равновесия для исходной смеси в x, y координатах.

Рис. 3.2.5. Графическое определение числа ректификационных тарелок

Для построения рабочих линий ректификации пересчитываем концентрации легколетучего компонента в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке в долях моля. Определяем минимальное и рабочее флегмовое число, находим отрезок В, соединив который с точкой А с координатами x_d = y_d, получаем рабочую линию для верхней части колонны. Рабочую линию для нижней части колонны получаем, соединив точку в с координатами x_f, y_f с точкой С с координатами x_w, y_w. Графически, по ступенькам, определяем число ступеней изменения концентрации в верхней и нижней частях колонны, начиная от точки А и до точки С. аналитические расчеты выполняем в соответствии с алгоритмом и теоретической логикой процесса.

Общий расход тепла определяется из теплового баланса ректификационной колонны (уравнение 3.2.15), потери тепла ориентировочно могут составлять 3 – 5 % общего расхода тепла. Расход греющего пара рассчитывается по параметрам котельной на основании таблицы Вукаловича.

Самостоятельно подготовить вопросы [1]

1. Схемы ректификационных установок.

Вопросы для контроля

1. Инженерная сущность процессов ректификации?

2. На чем основан принцип ступенчатости процесса ректификации?

3. Назовите основные элементы ректификационной установки?

4. Назовите основные компоненты уравнения материального баланса ректификации?

5. В чем состоит физический смысл уравнений рабочих линий для укрепляющей и исчерпывающей части колонны?

6. Как работает ректификационная колонна при минимальном и максимальном флегмовом числе?

7. В чем состоит принцип оптимизации флегмового числа?

8. Назовите основные компоненты теплового баланса ректификации?

9. В чем состоит логическая структура расчета ректификационной установки?

Алгоритм расчета ректификационной колонны

	Исходные данные: Gf – производительность по сме - си; af – содержание ЛЛК в смеси; ad - содержание ЛЛК в дистилляте; aW - содержание ЛЛК в кубе; s - коэффициент избытка флегмы; h - к.п.д. тарелки; h – расстояние между тарелками; Рп – давление греющего пара; Р – давление ректификации.		Определить: Gd - производ-сть по дистилляту; GW - производ-сть по кубу; nТ – число тарелок; D – расход пара; Габариты колонны: Н – высота, Dk - диаметр колонны

 

 

Методика выполнения работы и пример расчета ректификационной установки периодического действия (лабораторной установки)

Методика выполнения работы

После подготовки установки к работе (рис. 3.2.6), приступите к её эксплуатации. Для этого откройте кран водопровода подающей сети и, в случае необходимости включите водяной насос.

	I II
Рис. 3.2.6. Схема лабораторной установки: 1. – емкость для исходной смеси; 2. – исходная смесь; 3. – дефлегматор; 4. – перепускной канал

для отбора флегмы и орошения колонны;5. – перепускной канал для промывки колонны; 6. – вентиль подачи исходной смеси; 7. – отводящий трубопровод для воды; 8. – верхняя (укрепляющая) колонна; 9. – термометр; 10. – вторичный теплообменник для охлаждения и отбора дистиллята; 11. – вентиль для отвода дистиллята; 12. – первичный теплообменник для охлаждения и отбора дистиллята; 13. – теплообменник с электрическим обогревом для исходной смеси; 14. – терморубашка колонны; 15.-нижняя (исчерпывающая) часть колонны; 16. – ситчатые тарелки; 17. – нижняя секция для отбора кубового остатка; 18. – канал для измерения давления в кубе и отбора кубового остатка; 19. – подводящий трубопровод для воды; 20. – патрубок для измерения температуры в кубе с термодатчиком; 21. – электронагреватель кубового остатка (или электроплитка); 22. – емкость для кубового остатка (куб); 23, 24, 27. – термодатчики; 25. – расходомер; 26. – манометр. I:1. - патрубок отбора дистиллята; 2. – патрубок для измерения давления в дефлегматоре; 3. – качающийся стакан для деления конденсата на дистиллят и флегму; 4. – спиральный змеевик; 5. – перепускной канал для режима полного орошения колонны; 6. – рубашка для воздушного охлаждения; 7. – термометр; 8. – патрубок для измерения температуры.

II:1. – трубка для подвода флегмы; 2. – трубка для отвода флегмы; 3. – паровой штуцер; 4. – колпачок

При известном составе начальной смеси по низкокипящему компоненту x_н (определяем при приготовлении смеси) найдите температуру кипения смеси t_кип (см. приложения).

После 10...15 мин от начала дистилляции из наконечника в верхней части колонны начнет поступать дистиллят. Установите открытие крана 11 и подачу охлаждающей жидкости так, чтобы ее температура, контролируемая с помощью термопары 23, была в пределах 60 °С в течении процесса.

От начала испытания через каждые 10 мин производите замеры температуры кипения смеси t_кип термодатчиком 20, давления пара дистиллята (манометр 26), образующегося при кипении смеси, P _пд, количества образующегося дистиллята G _д и кубового остатка G _к,, определяемого с помощью мерного стакана, температуры дистиллята t _д термодатчиком 24, расхода (расходомер 25) охлаждающей воды G _в, а также отбирайте пробы из остатка в кубе и из дистиллята и определяйте содержание спирта в них с помощью спиртометра, т. е. состав кубового остатка х _к и состав дистиллята х по спирту.

Испытания продолжайте до тех пор, пока состав кубового остатка по спирту не достигнет заданного значения, например, х = 5%.

Полученные данные занесите в протоколы (табл. 3.2.1, 3.2.2). По окончании испытания определите количество кубового остатка G _к.

 

Таблица 3.2.1.

Протокол наблюдений
Началь-ная смесь	Объем	Массовая доля компонентов	Начальная температура кипения	Кубовый остаток
Объем	Массовая доля
G н, дм3	x н, %	t кипи0 ,°С	G к,дм3	хк, %

Таблица 3.2.2.

Протокол испытаний
Вре-мя на-чала	Нача-льная температу-ра кипе-ния t кип,°С	Состав по нижекипящему (спирту) компоненту, %	Дистиллят	Охлаждающая вода
На-чаль-ная смесь	Дис-тил-лят	Кубо-вый оста-ток	Температу-ра, T 0,°С	Объем, G д, дм3	Давление, Р пд, Па	Объем G 0, дм3	Температу-ра, °С
На-чаль-ная	Ко-неч-ная
Τ;

Расчетная часть

Для определения количества и состава дистиллята и количества кубового остатка используют уравнение

,

где G _н – количество начальной смеси, кг; G _к – количество кубового остатка, кг; х _н, х _к – массовая доля спирта в начальной смеси и в кубовом остатке, %; х, у – массовая доля спирта в жидкости и в равновесном паре над этой жидкостью, %.

Аналитически решить это уравнение невозможно, т. к. неизвестна зависимость у от х, поэтому применяют графический метод нахождения интеграла. Для этого строят график зависимости 1 /(у-х) от х для смеси спирт-вода (рис. 3.2.7) с использованием соотношения равновесных составов водно-спиртовых смесей табл. 3.2.3, 3.2.8.

Таблица 3.2.3.

Соотношения равновесных составов водно-спиртовых смесей
х	Y	y-x	1 /(х-у)	x	y	y-x	1 /(х-у)
0,025	0,225	0,200	5,00	0,45	0,754	0,304	3,29
0,05	0,360	0,310	3,22	0,50	0,767	0,267	3,74
0,10	0,516	0,416	2,40	0,55	0,778	0,228	4,38
0,15	0,600	0,450	2,22	0,60	0,789	0,189	5,29
0,20	0,655	0,455	2,20	0,65	0,800	0,150	6,66
0,25	0,690	0,440	2,27	0,70	0,810	0,110	9,09
0,30	0,710	0,410	2,44	0,75	0,835	0,085	11,75
0.35	0,728	0,378	2,64	0,80	0,855	0,055	18,20
0,40	0,740	0,340	2,94

Рис. 3.2.7. График зависимости 1 /(у-х) от массовой доли спирта

Значение интеграла в пределах, к примеру, от х _н = 0,6 до х _к = 0,05 изображается заштрихованной площадью S (мм²).

Тогда

,

где M_S – масштаб площади на графике.

Следовательно,

.

Отсюда находят .

Так как по условию известен объем исходной смеси (G _н = 20 дм³), находят величину – количество кубового остатка (теоретическое).

При известном составе кубового остатка определите массовое количество спирта в нем , (кг):

.

Массовое количество дистиллята , (кг):

.

Количество спирта в дистилляте , (кг):

,

где – количество спирта в начальной смеси, кг,

,

где – рассчитанное (теоретическое) количество спирта в кубовом остатке, кг.

Состав дистиллята по спирту , (%):

.

Флегмовое число:

,

где – молярная масса дистиллята; – концентрация флегмы, %.

На основании данных протокола испытания найдите количество спирта в дистилляте, , (кг):

.

Сопоставьте результаты аналитического расчета с данными испытания и сделайте выводы.

Часовая производительность аппарата G _а, (кг/ч):

,

где – количество получаемого дистиллята этилового спирта, дм³; – плотность дистиллята, кг/м³; t – время перегонки, ч.

Рассчитайте количество теплоты, отданной дистиллятом при конденсации пара , (кДж/ч):

,

где ν;_Д – удельная теплота парообразования смеси, кДж/кг (определяется по температуре конденсации).

Количество теплоты, отданное дистиллятом при охлаждении, , (кДж/ч)

,

где c _Д – удельная теплоемкость дистиллята, кДж/(кг·К), (определяется по объемной доле этилового спирта х _О (%) и средней температуре дистиллята); φ – коэффициент неравномерности поступления дистиллята (φ = 2); t _П – температура пара в зоне концентрации, °С; t ₀ – начальная температура дистиллята, °С.

Расход охлаждающей воды G _В (кг/ч):

,

где с _В = 4,19 кДж/(кг·К) – удельная теплоемкость воды; , – температура воды на входе и на выходе соответственно, °С.

Проанализируйте результаты расчетов и сделайте выводы.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается сущность процесса простой перегонки?

2. Что представляет собой кривая равновесия и что называют дистиллятом и кубовым остатком?

3. Что такое дефлегмация и для каких целей она применяется?

4. Дайте классификацию процессов перегонки и поясните ее на диаграмме температур.

5.Расчитайте ректификационную установку периодического действия при использовании водно-спиртовых смесей или бинарной смеси бензол — толуол.

Пример расчета ректификационной установки периодического действия (лабораторной установки)

Периодически действующие ректификационные установки применяют для разделения однородных жидких смесей в малотоннажных производствах, когда необходимо предварительно накопить продукт, подлежащий разделению. Особенно рационально применение периодической ректификации в тех случаях, когда на разделение поступает смесь переменного состава или когда необходимо разделить многокомпонентные смеси или несколько различных смесей на одной и той же установке. В этом случае во всех процессах используют одну и ту же колонну, поэтому рассчитывают не размеры колонны, а время, необходимое для разделения каждой смеси. Вследствие того, что, состав продуктов в колонне непрерывно меняется во времени, в расчетах появляется дополнительная переменная — количество удерживаемой в системе жидкости (в насадке, на тарелках, в дефлегматоре, в трубопроводах и др.). Влияние этой переменной на процесс разделения особенно существенно при глубоком исчерпывании кубовой жидкости.

Периодическую ректификацию осуществляют на установке, схема которой показана на рис. 3.2.8. Исходную смесь загружают в куб-испаритель 1, снабженный нагревателем 2, в который подается какой-либо теплоноситель, например насыщенный водяной пар. Здесь жидкость доводится до кипения и испаряется. Образующиеся пары направляются в ректификационную колонну 3. где взаимодействуют с противоточно стекающей жидкостью (флегмой), поступающей из дефлегматора 4, в котором конденсируются выходящие из колонны пары, обогащенные легколетучим компонентом. Часть конденсата, предварительно охлажденная в холодильнике 5, отводится в виде готового продукта в сборники 6. Число сборников определяется потребным числом отбираемых фракций дистиллята. Разделение конденсата на флегму и дистиллят осуществляют делителем потока 7.

Периодическая ректификация может осуществляться двумя способами.

По первому способу в процессе поддерживают постоянный состав дистиллята x_p =const; при этом количество флегмы, поступающей в колонну, по мере уменьшения содержания легколетучего компонента в кубе постепенно увеличивается. Реализация процесса по этому способу затруднительна ввиду необходимости одновременного регулирования подачи флегмы в колонну, теплоносителя в испаритель и хладоагента в дефлегматор. Однако в связи с широким внедрением управляющих автоматизированных систем этот способ начал находить применение в промышленности.

По второму способу в процессе поддерживают постоянное флегмовое число (R =const); при этом состав получаемого дистиллята меняется во времени. Этот способ более широко применяют в производстве. Фракционирование (отбор п- го числа фракций) отбираемого дистиллята позволяет получать продукты практически любого состава. Один из возможных вариантов схемы периодической ректификации при постоянном флегмовом числе показан на рис. 3.2.9. Из первоначальной загрузки состава x_F получают первую фракцию дистиллята заданного состава x_{P 1} и промежуточный остаток состава x_{W пр}. Далее этот остаток разделяют на дистиллят состава x_{P 2} =x_F (вторая фракция) и кубовый остаток конечного состава x_{W к}. В следующем цикле ректификации вторую фракцию вновь загружают в испаритель вместе с исходной смесью.

В случае необходимости первую фракцию (состава x_{P 1} ) можно еще раз разделить на более концентрированный по легколетучему компоненту продукт и остаток состава x_F, который вновь добавляют в исходную смесь. Таким образом, можно достичь требуемой чистоты конечных продуктов.

Ниже приведен пример расчета процесса периодической ректификации, организованного по схеме, представленной на рис. 3.2.9.

Рис. 3.2.8. Принципиальная схема установки периодической ректификации:

1 — куб-испаритель; 2 — нагреватель; 3 — ректификационная колонна; 4 — дефлегматор; 5 — холодильник; 6 — сборники; 7 — делитель потока

Рис. 3.2.9. Вариант организации процесса разделения при постоянном флегмовом числе

Исходные данные – заданные и полученные в результате выполнения работы при использовании бинарной смеси бензол — толуол (спирт-вода)

Рассчитать ректификационную колонну периодического действия для разделения бинарной смеси бензол – толуол по следующим данным:

Количество исходной смеси F =5000 кг;

Содержание легколетучего компонента:

в исходной смеси = 40 % [44 % (мол)];

в кубовом остатке = 5 % [6% (мол.)];

давление в паровом пространстве дефлегматора Р = 0,1 МПа.

Процесс провести при постоянном флегмовом числе R = const.

Дистиллят получить в виде двух фракций: первой – состава , который нужно рассчитать, и второй, равной по составу исходной смеси ( = ). Разделение провести в течение одной рабочей смены. С учетом подготовки к работе и выхода процесса на установившийся режим продолжительность работы составляет τ = 5 ч.

Расчет ректификационной колонны периодического действия сводится к определению ее основных геометрических размеров – диаметра и высоты, зависящих от физических свойств фаз, типа и размеров контактных устройств, гидродинамических режимов работы колонны. При выборе гидродинамических режимов можно руководствоваться соображениями, изложенными в [2]

Флегмовое число

Определение флегмового числа проводят технико-экономической оптимизацией. В первом приближении его можно оценить методом, изложенным в [2] для непрерывной ректификациию. Однако при периодической ректификации, в отличие от непрерывной, состав дистиллята является определяемым параметром. Он зависит от условий работы колонны, в том числе и от состава дистиллята x_P в первоначальный момент времени. Поэтому расчет флегмового числа начинают с выбора состава дистиллята в начальный момент времени (состава первой капли дистиллята).

Примем x_P равным 95 % (масс), или 96 % (мол). Минимальное флегмовое число для этих условий:

где – концентрация бензола в паре, равновесном с исходной жидкостью (рис. 3.2.10). Задав несколько различных значений коэффициента избытка флегмы β, определим соответствующие им значения флегмовых чисел R = β R_min и, используя х–y – диаграмму, число теоретических ступеней изменения концентраций N. Данные расчетов представлены на рис. 3.2.11 и приведены в табл. 3.2.3:

Таблица 3.2.4.

Β	1,2	1,4	1,7	2,3	3,0	6,8
R	1,63	1,90	2,31	3,12	4,08	9,25
N	10,0	7,0	5,7	5,1	4,5	4,0
N(R+ 1 )	26,3	20,3	18,8	21,0	22,8	41,0

Минимум функции N/(R+ 1 )=f(R) соответствует флегмовому числу R = 2,2.

При этом значении флегмового числа в х– у – диаграмме изображают рабочую линию и графическим построением определяют необходимое число теоретических ступеней. В данном случае N = 5,7 (рис. 3.2.10).

Принимая, что в процессе разделения при постоянном флегмовом числе высота, эквивалентная теоретической ступени, в проектируемой колонне практически постоянна, т. е. не зависит от изменения физических свойств фаз и гидродинамических условий, находим зависимость между текущей концентрацией легколетучего компонента в кубе и составом образующегося при этом дистиллята.

Рис. 3.2.10. К определению числа теоретических ступеней изменения концентраций и составов кубовой жидкости и дистиллята в произвольный момент разделения

Рис. 3.2.11. К определению рабочего флегмового числа

Выбрав произвольно несколько значений x_P, строим рабочие линии при условии постоянства флегмового числа R = 2,2. Для каждого положения рабочей линии между ней и равновесной кривой вписываем найденное для начального момента ректификации число теоретических ступеней N = 5,7 и определяем соответствующие значения x_W. Примеры таких вычислений при x_P = 0,96, x_P ` = 0,7 и x_P `` = 0,5 показаны на рис. 3.2.12. Зависимость x_P = f (x_W) представлена на рис. 3.2.15 и приведена ниже:

x_P 0,96 0,90 0,84 0,70 0,60 0,50 0,20

x_W 0,44 0,32 0,27 0,20 0,14 0,11 0,04

Рис. 3.2.12. Зависимость между составами кубовой жидкости и дистиллята

Используя полученные данные, находим промежуточный состав кубовой жидкости x_{W пр} (при котором заканчивают отбор первой фракции дистиллята) по уравнению:

, (3.2.17)

с учетом того, что по условию средний состав второй фракции x_P2 равен составу исходной смеси x_F.

Уравнение (3.2.17) решают численными методами путем последовательного приближения, задавая несколько значений x_{W пр} больших x_{W к}. Величина x_{W пр} вычисленная таким методом, оказалась равной x_{W пр} = 0,126 [ = 10,9% (масс.)]. Тогда средний состав первой фракции x_{P 1} определенный по уравнению (3.2.17), в пределах интегрирования от x_{W пр} до x_F равен:

,

.

Материальный баланс колонны

Количества получаемых при разделении исходной смеси продуктов (двух фракций дистиллята Р ₁ и Р ₂ и кубового остатка W) определяем из уравнений материального баланса для каждого периода ректификации.

Для первого периода (с отбором первой фракции дистиллята):

F = P ₁ + W _пp;

.

Подставив, получим:

5000 = P ₁ +W _пp;

5000·0,4 = (5000 – W _пp)·0,794+ W _пp·0,109,

откуда

P ₁ = 2120 кг;

W _пp = 2880 кг.

Оставшуюся кубовую жидкость W _пp разделяют на вторую фракцию дистиллята (со средним содержанием бензола x_P2 = x_F) и конечный кубовый продукт W _к состава x_{W к}.

Уравнение материального баланса для второго периода ректификации

W _пp= P ₂ + W _к;

.

Подставив, получим:

2880 = P ₂ + W _к;

2880·0,109 = Р ₂·0,4 + W _к · 0,05,

откуда

P ₂ = 485 кг;

W _к = 2395 кг.

В процессе периодической ректификации происходит непрерывное изменение состава кубовой жидкости по легколетучему компоненту от x_F до – x_{W к} и, следовательно изменение ее физических свойств и температуры кипения. При неизменных параметрах теплоносителя, подаваемого в испаритель ректификационной установки, переменным будет тепловой поток, а значит и производительность по испаряемой жидкости. Это существенно сказывается на устойчивости режимных параметров работы колонны, a в некоторых случаях может привести к выходу колонны из рабочего режима. Поэтому при ректификации с постоянным флегмовым числом стремятся организовать процесс таким образом, чтобы производительность установки оставалась практически постоянной в течение всего процесса разделения. Это осуществляют автоматическим изменением подачи теплоносителя в кипятильник в зависимости от мольной нагрузки колонны по пару.

В этом случае производительность установки по дистилляту G_P:

G_p = (P ₁ /M ₁ + P ₂ /M ₂ )/ τ,

где M ₁ и М₂ – средние мольные массы соответственно первой и второй фракций дистиллята [2]:

M ₁ = 78·0,82 + 92(1 – 0,82) = 80,5 кг/кмоль;

M ₂ = 78·0,44 + 92(1 – 0,44) = 85,8 кг/кмоль;

G_P = (2120/80,5 + 485/85,5)/5 = 6,5 кмоль/ч.

Далее расчет диаметра и высоты колонны проводят так же, как для колонн непрерывного действия (см. методические указания Алексаняна И.Ю. «Основы теории. Методика и примеры расчета ректификационных установок»-АГТУ,-каф.ТМО, 2003). Расчет высоты ведут для начальных условий работы установки, т. е. при x_F = x_W = 0,44 кмоль/(кмоль·см) и x_P =0,96 кмоль/(кмоль·см). Физические свойства пара и жидкости для расчета коэффициентов массоотдачи β_x и β_у определяют при средних концентрациях фаз в колонне в начальный момент времени и соответствующих им температурах.

Литература

1. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. М.: Химия, 1973, 750 с.;

2. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-е изд.. перераб. и дополн. М.: Химия,1991.-469 с.;

3. Касаткин А. Г., Плановский А. Н., Чехов О. С. Расчет тарельчатых ректификационных и абсорбционных аппаратов. М: Стандартгиз, 1961. 81 с.;

4. Коган В. Б., Фридман В. М., Кафаров В. В. Равновесие междужидкостью и паром. Кн. 1 – 2. М. – Л.: Наука. 1966. 640 - 786 с;

5. Александров И. А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. Изд. 3-е. М.: Химия, 1978. 280 с.;

6. Кафаров В. В., Дытнерский Ю. И. // ЖПХ. 1957. Т. 30, № 8. С. 1968 – 1972.;

7. Справочник химика. Т. 1. М. – Л.: Госхимиздат, 1963. 1071 с.;

8. Павлов К. Ф., Ромашов П. Г., Носков А. А. Примеры и задачипо курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л.: Химия, 1976. 552 с.;

9. Cornell D., Knapp W. G. et all. // Chem. Eng. Progr. 56, 1960, N 7. P. 68; N 8. P. 48.;

10. Каталог. Колонные аппараты. Изд. 2-е. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1978. 31с.;

11. Рамм В. М. Абсорбция газов. М.: Химия, 1976. 654 с.

12. Александров И. А. Массопередача при ректификации и абсорбции многокомпонентных систем М.: Химия, 1975. 320 с.

13. Стабников В. Н. Расчет и конструирование контактныхустройств ректификационных и абсорбционных аппаратов. Киев: Технiка, 1970. 208 с.

14. Мартюшин С. И., Карцев Е. В., Ковалев Ю. Н. Методические указания к расчету ректификационных колонн для разделения бинарных смесей с применением ЭВМ. М., МХТИ им. Д. И. Менделеева. 1984. 38 с.

15. Bakowski S.//Brit. Chem. Eng. 1965. N 4. P. 256 – 257.

16. Ульянов Б. А. Поверхность контакта фаз и массообмен в тарельчатых ректификационных аппаратах. Изд. Иркутского ун-та. 1982. 129 с.

17. Альперт Л. 3. Основы проектирования химических установок. М.: Высшая школа. 1976. 272 с.