8.4. Определение числа теоретических тарелок в колонне

Минимальное флегмовое число R_min рассчитывается по уравнению (24)

R_min = 0,57

Определение концентрации низкокипящего компонента y⃰_F = 0,79 в паре, равновесном с жидким сырьем, показано на рис.2.

Для определения оптимального флегмового числа R_опт находится минимум функции f(R) в соответствии с уравнением (26) и рис.4. Для этого принимается несколько значений коэффициента избытка флегмы β% по уравнению (25) для каждого значения β вычисляется флегмовое число R; на диаграмму у-х наносятся рабочие линии верхней и нижней частей колонны в соответствии с их уравнениями (27) – (28) и графически определяется число теоретических тарелок в колонне n_T. Расчет оптимального флегмового числа показан в табл.6.

Таблица 6

Расчет оптимального флегмового числа

β	1,25	1,6	2,5	3	5
R	0,71	0,91	1,43	1,71	2,85
nT	12	10	8,2	7,8	7
nT(R+1)	20,52	19,1	19,93	21,14	26,95

По данным табл.6 находится значение оптимального флегмового числа R_опт = 1,1 (см. рис.3).

На рис.4 показано определение числа теоретических тарелок для оптимального флегмового числа. Уравнение рабочей линии верхней части колонны R_опт имеет вид:

У = – = 1,42х – 0,0042

где f = = 1,88

Число теоретических тарелок в верхней части колонны n_в = 4 (не считать ступень, огибающую точку Д). В нижней части колонны с учетом того, что роль одной тарелки выполняет кипятильник, число теоретических тарелок n_Н = 5.

8.5. Определение расходов пара и флегмы в колонне

Сырье поступает в колонну с долей отгона е=0% поэтому в соответствии с уравнением (31) g₀=G_F=8485 кг/ч.

Массовый расход пара в верхней части колонны G_в рассчитывается по уравнению (33): G_в=5626,9·(1,1+1)=11816,5 кг/ч. Так как все сырье поступает в жидкой фазе, то в соответствии с уравнениями (30), (32)-(34) G₀=0;G2=G=G_в=11816,5 кг/ч.

Массовый расход флегмы, поступающей в зону питания рассчитывается по уравнению (35): g₂=1,1·5626,9=6189,6 кг/ч.

Массовый расход флегмы g, поступающей в нижнюю часть колонны, в соответствии с уравнением (36): g = 8485 + 6189,6 = 14674,6 кг/ч.

В соответствии с уравнениями (37)-(40) определяются массовые концентрации низкокипящего компонента во внутренних потоках колонны:

͞х₂ = 1,05 · 0,65 = 0,68;

͞х_см = = 0,66;

͞у₂ = = 0,82;

͞у_см = = 0,82.

П р о в е р к а:

͞х₂> ͞х_см>͞x₀и ͞у₂ = ͞у_см;

0,68> 0,66 > 0,65 и 0,82 = 0,82.

8.6. Тепловой баланс колонны

Принимаем температуру холодного испаряющегося орошенияt_x= 40°С. Теплофизические свойства воды и метилового спирта представлены в табл.7.

Тепловой поток, отводимый водой в дефлегматоре, рассчитывается по уравнению (45); при этом средние значения удельной теплоты испарения Ϩ_D и удельной теплоемкости С_D находятся по правилу аддитивности:

Ϩ_D = 0,03 · 2345,2 + 0,97 · 1097,3 = 1134,74 кДж/кг;

С_D = 0,03 · 4,4 + 0,97 · 2,72 = 2,77 кДж/кг;

Q_D = · [1134,74 + 2,77 · (65,4 – 40)] = 3955,6 кВт.

Энтальпия сырья i_F, дистиллята i_D, кубовой жидкости i_Rопределяются по правилу аддитивности при соответствующей температуре:

i_F = (0,35 · 4,19 + 0,65 · 2,77) · 73,3 = 239,73 кДж/кг;

i_D = (0,03 · 4,18 + 0,97 · 2,72) · 65,4 = 181,09 кДж/кг;

i_R = (0,98 · 4,43 + 0,02 · 2,93) · 98,8 = 415,95 кДж/кг.

С учетом тепловых потерь, принятых равными 5% от полезного используемого расхода теплоты, тепловой поток в кипятильнике составит (уравнения (43), (47)):

Q_куб = 1,05 · (Q_D + G_D· i_D + G_R· i_R – G_F· i_F) = 1,05 · (3955,6 + · ·181,05 + · 415,95 - · 239,73) = 4203,92 кВт.

В качестве теплоносителя в кипятильнике колонны принимаем насыщенный водяной пар с абсолютным давлением 0,294 МПа (3ат) и степенью сухости φ = 95%. Такой пар имеет температуру 132,9°С, энтальпию ϒ_т.н. = 2730 кДж/кг; энтальпия конденсации ϒ_т.к. = 558,9 кДж/кг [7, с.533]. Расход водяного пара G_T в кипятильнике колонны согласно уравнению (48) составит:

G_T = = 2,04 кг/с.

Принимаем, что вода в дефлегматоре нагревается от t_н = 25°С до t_к = 38°С. Тогда расход воды в дефлегматоре (уравнение (49)):

G_x = = 72,8 кг/с ≈ 0,073 м³/с ≈ 262,1 м³/ч.

Массовый расход холодного испаряющегося орошения g_X0 рассчитывается по уравнению (46):

g_x = = 5809,1 кг/ч,

где энтальпия паров ϒ_tDи флегмы i_txопределяется по правилу аддитивности:

ϒ_tD = 0,03 (2345,2 + 4,18 · 65,4) + 0,97 · (1097,3 + 2,72 · 65,4) = =1315,2кДж/кг

i_tx = (0,03 · 4,18 + 0,97 · 2,60) · 40 = 106,1 кДж/кг.

Массовый расход горячего орошения g₁, стекающего с 1-й тарелки верхней части колонны:

g₁ ≈ g_x + = 5809,1 + = =6160,2 кг/ч.

П р о в е р к а:

g₁ ≈ g₂

8189,6 ≈ 6160,2.