4. Изображение изменения концентраций на тарелке в диаграмме y-X. Кинетическая линия процесса. Коэффициент массопередачи

Выделим одну тарелку ректификационной колонны (см. рис. 3.2). На этой тарелке, с организованным сливом жид­кости, паровая фаза барботирует через отверстия тарелки в жидкую фазу с изменением концентрации компонента от у_н до у_к.

Рис. 3.2. Расчетная схема сетчатой тарелки ректификационной колонны

В свою очередь, жидкая фаза в процессе массообмена изме­няет концентрацию от х_н до х_к Если компонент является легко­летучим, то у_н < у_к, а х_к < х_н. Принимают, что паровая фаза иде­ально вытесняется, а концентрация легколетучего компонента в ней монотонно увеличивается от у_н до у_к. На тарелках промыш­ленных размеров существует градиент концентраций компонента в жидкой фазе вдоль пути ее движения от приемного кармана к сливному (кривая 1, рис. 3.2). Однако в целях упро­щения расчета принимают, что жидкая фаза идеально переме­шана на тарелке, концентрация легколетучего компонента скачком меняется на входе от х_н до х_к и на всем пути L_ж дви­жения жидкости хк не меняется (линия 2, рис. 3.2).

При взаимодействии фазы на тарелке не достигают равно­весное состояние. Изменение концентраций фаз на тарелке мо­жет быть представлено графически для бинарной смеси (сту­пень "Т", рис. 3.3). Соответственно изменение концентраций на верхней тарелке выразится как ступень "В", а нижней - "Н". Кривая, соединяющая точки В, В' В" называется кинетической линией процесса, показывает степень недостижения равновесия и отвечает уравнению связи у_к и х_к для каждой тарелки. На рис. 3.3 нанесены также линии связи равновесных концентраций у = f(x) и рабочая у = Ax + В, отвечающая условию мате­риального баланса и связывающая на любой тарелке у_н и х_к.

Рис. 3.3. К расчету концентраций фаз на тарелке ректификационной колонны

Рис. 3.4. Зависимость температуры кипения смеси от концентрации в ней легкокипящего компонента

При R = ∞ для обогащающей части ректификационной ко­лонны мольный расход паровой фазы G (кг-моль)/ч равен мольному расходу жидкой фазы L (кгмоль)/ч. Из уравнения матери­ального баланса тарелки Т (рис. 3.2)

(у_к-у_н)=(х_н-х_к), (3.1)

следует равенство (3.1), которое действительно в случае, когда рабочая линия у = Ax + В лежит на диагонали квадрата диа­граммы Y-X. Таким образом в режиме R = ∞ у_н = х_к, а у_к = х_н.

Положение кинетической линии процесса ректификации оп­ределяется кинетическим коэффициентом процесса - коэффи­циентом массопередачи к_у (к_х)_.

(3.2)

где G_м - мольный расход паровой фазы, (кг моль)/ч; у_к, у_н - ко­нечная и начальная концентрации легколетучего компонента в паровой фазе на тарелке, мол.доля; F_б - площадь барботажа тарелки, м²; k_у - коэффициент массопередачи (кг моль)/(м² ч).

Средняя движущая сила для тарелки Т составляет

(3.3)

где у_р - концентрация легколетучего компонента в паровой фазе, находящейся в равновесии с жидкой фазой состава х_к, мол. доли (рис. 3.2). Данные парожидкостного равновесия для смеси этанол-вода приведены в табл. 3.