Материальный и тепловой баланСы ректификационной колонны.
Работа ректификационной колонны характеризуется материальным балансом по потокам и каждому компоненту смеси. Для бинарной (двухкомпонентной) смеси обычно составляют баланс по низкокипящему компоненту (НКК). Основные потоки представлены на рис. 6.3.1 (1). При установившемся режиме работы колонны массы потоков остаются неизменными и можно составить следующие уравнения материального баланса для всей колонны:
где F, D и W — соответственно количества сырья, дистиллята и остатка (кг).
Потоки колонны и соответствующие концентрации НКК в продуктах колонны взаимосвязаны и не могут устанавливаться произвольно.
Работа ректификационной колонны связана с обменом энергией (теплом) между контактирующими фазами. При этом все подведенное в колонну тепло (с сырьем QF и в нижнюю часть колонны QВ) должно быть отведено (без учета теплопотерь в окружающую среду) из колонны парами ректификата QD, жидким остатком QW и потоком хладоагента на верху колонны Qd.
Тепловой баланс колонны запишется следующим образом:
При прочих постоянных тепловых потоках, изменение количества тепла, вносимого сырьём, требует соответствующего изменения количества тепла вводимого в нижнюю часть колонны QВ: при увеличении QF необходимо уменьшить QВ, и наоборот.
Тепловые потоки колонны должны быть увязаны с материальными потоками и качеством получаемых продуктов.
Флегмовое (паровое) число.
Для анализа ректификационных процессов принято использовать приведённые фазовые потоки (рис. 6.3.1). Обозначим:
где g и D – количество жидкости в любом произвольном сечении колонны и количество дистиллята.
Это отношение является флегмовым числом; оно представляет собой количество кмоль флегмы, возвращаемой в колонну в расчёте на один кмоль отводимого дистиллята.
Число теоретических тарелок зависит от флегмового числа. В колонне заданные составы продуктов могут быть получены при варьировании флегмового числа в определённых пределах и, как следствие, изменении числа тарелок в колонне.
При бесконечном орошении число тарелок будет минимальным Nmin. При уменьшении флегмового числа число тарелок в колонне увеличивается и при некотором минимальном флегмовом числе Rmin число тарелок, обеспечивающих заданное разделение смеси, возрастает до бесконечно большого.
Если рассмотреть данный вопрос в практической плоскости, то при снижении количества жидкости по колонне (орошения) наблюдается увеличение количества дистиллята (пара) и, как следствие:
т.е.
стремится к снижению Rmin
При этом будет наблюдаться насыщение потока пара высококипящими компонентами, что подтверждает теорию о снижении числа теоретических тарелок.
Обычно выбирают такое флегмовое число, которое обеспечивает оптимальные эксплуатационные показатели. В общем случае флегмовое число определяют экономическими расчётами, т.к. с ростом R увеличиваются потоки (затраты) теплоты в кубе колонны и конденсаторе колонны: рост R при постоянном потоке дистиллята D означает увеличение потока флегмы. Поэтому с повышением R возрастают расходы теплоносителя (нагрузка на теплообменники, трубчатые печи и т.д.)