3. Основні характеристики ректифікаційної установки

Ректифікація – один з найпоширеніших методів розділення рідких однорідних сумішей, що мають два або більше число компонентів. Процес ректифікації ‑ це масообмінний процес, який здійснюється в більшості випадків у протитокових колонних апаратах з контактними елементами (насадки, тарілки). Принципова схема ректифікаційної установки показана на рис. 3.1.

Рис. 3.1 ‑ Схема ректифікаційної установки

Вихідну суміш подають в теплообмінник 1, де вона підігрівається до температурі кипіння. Нагріта суміш надходить для розділення в ректифікаційну колону 2 на тарілку живлення, де склад рідини є таким самим, як і склад вихідної суміші. Стікаючи вниз по колоні, рідина взаємодіє з паром, що піднімається вверх і який утворюється при кипінні кубової рідини в кип’ятильнику 3. Початковий склад пари приблизно такий самий, як і склад кубового залишку, тобто збіднений на легколетючий компонент. В результаті масообміну з рідиною пар збагачується легко летючим компонентом. Для більш повного збагачення верхню частину колони зрошують відповідно до флегмового числа рідиною (флегмою), що отримується в дефлегматорі 4 при конденсації пари, що виходить з колони. Частина конденсату виводиться з дефлегматора у вигляді готового продукту розділення – дистиляту, який охолоджується в теплообміннику 5. Із кубової частини колони безперервно виводиться кубова рідина – продукт, збагачений важколетючим компонентом, що охолоджується в теплообміннику 6. Таким чином, в ректифікаційній колоні здійснюється безперервний нерівноважний процес розділення вихідної бінарної суміші на дистилят (з високим вмістом легколетючого компонента) і кубовий залишок (збагачений важколетючим компонентом).

4. Основні положення розрахунку тарілчастої ректифікаційної колони

Розрахувати ректифікаційну колонну безперервної дії з сітчастими тарілками для розділення G кг/с рідкої бінарної суміші компонент 1 ‑ компонент 2 під атмосферним тиском, що містить x_F % (мас.) легколетючого компоненту (компонент 1) у вихідній суміші. Потрібний вміст компоненту 1 в дистиляті x_D % (мас.), в кубовому залишку x_W% (мас.). Вихідна суміш перед подачею в колону підігрівається до температури кипіння. Грійна пара має надлишковий тиск р_над. В розрахунок входить визначення витрат дистиляту, кубового залишку, флегмового числа, грійної пари, охолоджуючої води і визначення основних розмірів колони ‑ D і Н. Визначення числа тарілок виконати графічним методом.

4.1. Матеріальний баланс

Позначимо масові витрати дистиляту через G_D кг/с, кубового залишку через G_W кг/с. З рівнянь матеріального балансу:

;

знаходимо G_D кг/с і G_W кг/с.

Для подальшого розрахунку виразимо концентрації живлення, дистиляту і кубового залишку в мольних долях.

Живлення:

.

Дистилят:

.

Кубовий залишок:

,

де М₁ ‑ мольна маса компоненту 1, М₂ ‑ мольна маса компоненту 2.

Відносні мольні витрати живлення:

З діаграми рівноваги y* – x для заданої суміші компонент 1 – компонент 2 за атмосферного тиску визначимо мінімальне число флегми за рівнянням

,

де ‑ мольна доля компоненту 1 в парі, рівноважному з рідиною живлення, визначаємо за діаграмою у* ‑ x.

Робоче число флегми визначаємо за рівнянням:

Рівняння робочих ліній:

а) верхньої (укріплювальної) частини колони:

;

б) нижньої (вичерпної) частини колони:

Середні масові витрати (навантаження) по рідині для верхньої і нижньої частини колони визначають із співвідношень:

,

,

де M_D і M_F – мольні маси дистиляту і вихідної суміші; M_В і M_Н – середні мольні маси рідини в верхній і нижній частинах колони.

Мольна маса вихідної суміші:

.

Мольну масу дистиляту в даному випадку можливо прийняти рівною мольній масі легколетючого компонента 1.

.

Середні мольні маси рідини в верхній і нижній частинах колони відповідно дорівнюють:

,

,

де x_ср.в і x_ср.н ‑ середній мольний склад рідини відповідно в верхній і нижній частинах колони.

 кмоль/кмоль суміші,

 кмоль/кмоль суміші,

Середні масові потоки пари в верхній і нижній частині колони відповідно дорівнюють:

,

,

де M’_В і M’_Н – середні мольні маси парів у верхній і нижній частинах колони:

,

,

де

 кмоль/кмоль суміші,

 кмоль/кмоль суміші,