1.1.1 Материальный баланс колонны и определение оптимального флегмового числа

Концентрация легколетучего компонента:

- в исходной смеси;

- в дистилляте;

- в кубовом остатке;

- производительность по исходной смеси.

Производительность колонны по дистилляту D кубовому остатку W определим из уравнений материального баланса колонны:

Отсюда находим:

кг/с;

кг/с.

Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются рабочим флегмовым числом R; его оптимальное значение R_опт можно найти путём технико-эконо­мического расчета. Используют приближенные вычисления, основанные на определении коэффициента избытка флегмы (орошения) =RR_min . Здесь R_min- минимальное флегмовое число:

,

где x_F и x_P- мольные доли легколетучего компонента соответственно в исходной смеси и дистилляте, кмоль/кмоль смеси; y_F^- концентрация легколетучего компонента в паре, находящемся в равновесии с исходной смесью, кмоль/кмоль смеси.

Определим R . Пересчитаем составы фаз из массовых долей в мольные по соотношению:

кмоль/кмоль смеси,

где M_х и М_б - молекулярные массы соответственно хлороформа и бензола, кг/кмоль.

Аналогично найдем:

кмоль/кмоль смеси.

кмоль/кмоль смеси.

Относительный мольный расход питания:

.

Строим кривую равновесия для смеси хлороформ – бензол при в координатах (рис.1.1).

По рис.1.1 находим =0,21 кмоль/кмоль смеси .

Находим минимальное флегмовое число:

.

Найдем рабочее флегмовое число R по минимальному значению , полагая, что это произведение пропорционально объему ректификационной колонны ( N – число ступеней изменения концентрации, или теоретических тарелок).

Зададимся различными флегмовыми числами. Графическим построением ступеней изменения концентраций между равновесной и рабочей линиями в диаграмме состав пара y – состав жидкости x (рис.1.1), находим N.

R…………….10 15 20 25 33 40

N…………….31 22 14 11 9 8

…….341 352 294 286 306 328

Результаты расчета рабочего флегмового числа приведены на ри.1.2.

Минимальное произведение соответствует флегмовому числу R=25. При этом коэффициент избытка флегмы . На рис.1.4 изображены рабочие линии и ступени изменения концентраций для

верхней (укрепляющей) и нижней (исчерпывающей) частей колонны в соответствии с найденным значением R=25.

Рис.1.2 - Определение рабочего флегмового числа

На рис.1.3 представлена диаграмма равновесия между паром и жидкостью при постоянном давлении в координатах температура t – состав пара y и жидкости x.

Рис.1.3 – Диаграмма равновесия между паром и жидкостью при постоянном давлении в (температура – состав пара и жидкости)

Уравнение рабочей линии верхней (укрепляющей) части колонны:

;

Уравнение рабочей линии нижней (исчерпывающей) части колонны:

.

Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости для верхней и нижней частей колонны определяют из соотношений;

L_в=DRМ_верх/М_d,

L_н=DRM_ниж/М_d+G_fM_ниж / М_F ,

где М_d и M_F - мольные массы дистиллята и исходной смеси; М_верх и М_ниж-средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны.

Рис.1.4 - Изображение рабочих линий в y – x диаграмме при действительном флегмовом числе

Мольную массу дистиллята в данном случае можно принять равной мольной массе легколетучего компонента - бензола. Средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равны:

М_верх=М_б х_{ср в}+М_х(1- х_{ср в}),

М_ниж= М _б х_{ср н}+М_х(1- х_{ср н});

где М_б и М_х - мольные массы бензола и хлороформа соответственно; х_{ср в} и х_{ср н} - средний мольный состав жидкости в верхней и нижней частях колонны:

кмоль/кмоль смеси;

кмоль/кмоль смеси.

Тогда

кг/кмоль;

кг/кмоль.

Мольная масса исходной смеси:

кг/кмоль.

Подставим рассчитанные величины в выражения для средних массовых расходов, получим:

кг/с;

кг/с.

Средние массовые потоки пара в верхней G_В и нижней G_Н частях колонны:

,

где М_В и М_Н - средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны.

М_В=М_б y_{ср в}+М_х(1- y_{ср в}),

М_Н=М _б y_{ср н}+М_х(1- y_{ср н}) ,

где

;

.

Тогда

М_В=119,50,464+78(1-0,464)=97,26 кг/кмоль;

М_Н=119,50,121+78(1-0,121)=83,02 кг/кмоль.

Подставив численные значения, получим:

кг/c;

кг/c.