Lektsii_15

Рис.5. Расположение рабочих линий при различных значениях флегмово-го числа и определение числа теоретических тарелок в нижней Nтн и верхней Nтв частях колонны

Проанализируем влияние флегмового числа на число теоретических тарелок Nт, необходимых для требуемой степени разделения исходной смеси. Воспользуемся для определения Nт графическим способом, заключающимся в вписывании прямоугольных ступеней между рабочими и равновесной линиями. Вписывание ступеней можно начинать как из точки С (нижнее сечение колонны), так и из точки А (верхнее сечение). Количество ступеней, расположенных между точками А и Е соответствуют числу теоретических тарелок в верхней части колонны Nтв, а между точками СЕ - в нижней части Nтн. Число теоретических тарелок обычно округляют до целого значения в большую сторону. Общее число теоретических тарелок в колонне

Nт Nтв Nтн . Как видно из рисунка 5 Nт , R R min и Nт Nт min , R . Итак, число теоретических тарелок, а пропорциональное им и число действительных тарелок N, стремится к бесконечности при стремлении флегмового числа к минимальному значению, а это значит, что к бесконечности будет стремиться и высота колонны. С другой стороны, при стремлении флегмового числа к бесконечности число теоретических тарелок и высота колонны будут минимальными, но зато к бесконечности будет стремиться расход пара в колонне, а это приведет к бесконечно большим диаметру колонны и затратам на испарение жидкости в кипятильнике. Таким образом, предельные случаи явно нереализуемы и должна решаться задача выбора оптимального значения флегмового числа. В качестве критерия оптимальности обычно используют суммарные затраты на изготовление и функционирование ректификационной установки, которые в первом приближении можно разделить на два слагаемых. Одно из них пропорционально объему колонны (З1), а другое - количеству испаряемой жидкости в

колонны, ее монтажа и обслуживания, срока эксплуатации; в - от стоимости энергии (обычно греющего пара), используемой для испарения жидкости, удельной теплоты испарения, а также стоимости кипятильника и дефлегматора. Объем колонны V равен произведению высоты колонны Н на площадь поперечного сечения S. Первый из этих сомножителей пропорционален количеству

предварительных расчетов находят рабочее флегмовое число из эмпирических соотношений или

З

З

З1

З2

Рис. 6. Зависимость затрат от величины флегмового числа: З - суммарные затраты; З1 - затраты, пропорциональные объему колонны; З2 - затраты, пропорциональные количеству испаряемой в кипятильнике жидкости.

37

Особенности расчета

Основной особенностью расчета колонн для проведения процесса непрерывной бинарной ректификации является, в отличии от абсорбции, существенные кривизна линии равновесия и изменение теплофизических свойств фаз по высоте колонны, а также наличие двух рабочих линий, обусловленное вводом исходной смеси. Это не позволяет даже для аппаратов с непрерывным контактом фаз, например, насадочных использовать основное уравнение массопередачи, так как коэффициент массопередачи может значительно изменяться по высоте колонны, а также находить среднюю движущую силу, как среднелогарифмическую. Для определения высоты колонн с непрерывным контактом фаз удобнее находить высоты нижней и верхней частей колонны по тодельности, а потом определять общую высоту.

Для аппаратов со ступенчатым контактом фаз, например, тарельчатых можно применить методику расчета их высоты, определяя теплофизические и равновесные характеристики, коэффициент массопередачи и эффективность по Мэрфри на каждой тарелке. Высота нижней и верхней частей ректификационной колонны также находится отдельно.

Критерием оптимальности при проектировании ректификационной установки обычно служат суммарные затраты на ее изготовление и функционирование. Параметрами оптимизации могут являться: флегмовое число, скорость пара или однозначно связанный с ней диаметр колонны, давление в колонне, конструктивные характеристики контактных устройств (размер и тип насадки, конструкция и характеристики тарелки), межтарельчатое расстояние, состояние вводимой в колонну исходной смеси, схема использования тепла.

Повышение рабочего давления в колонне приводит к росту температуры, уменьшению объемного расхода пара и относительной летучести компонентов смеси. Последнее вызывает уменьшение движущей силы массопередачи и, следовательно, к увеличению высоты колонны. Снижение же объемного расхода пара приводит к уменьшению диаметра колонны. Повышение давления требует увеличения толщины стенок аппарата. От температуры в колонне зависит выбор нагревающего и охлаждающего агентов, используемых в ректификационной установке. Вся эта совокупность факторов обуславливает необходимость выбора оптимального давления в колонне.

Состояние исходной смеси (температура, соотношение долей жидкой и паровой фаз) также может являться одним из параметров оптимизации. Ранее предполагалось, что исходная смесь, поступающая в колонну в жидком виде, нагрета до температуры кипения. Однако она может подаваться либо недогретой, а также частично либо полностью испаренной.

При ввод недогретой исходной смеси при температуре ниже температуры кипения при контакте с паром на тарелке питания жидкая исходная смесь будет нагреваться до температуры кипения за счет тепла, выделившегося при конденсации пара. Это приведет к различным расходам пара в нижней и в верхней частях колонны (в нижней части расход пара будет больше чем в верхней), а также дополнительному увеличению расхода жидкости в нижней части колонны.

Рис. 7. Расположение рабочих линий, состав жидкости хп и пара yп на та-релке питания при различных состояниях вводимой в колонну ис-ходной смеси: 1 - жидкость при температуре питания; 2 - недогретая жидкость; 3 - парожидкостная смесь; 4 - насыщенный пар.

38

В данном случае рабочая линия нижней части колонны будет проходить ниже, чем при вводе смеси, нагретой до температуры кипения. Вид уравнения рабочей линии верхней части колонны останется без изменения. Средняя движущая сила процесса массопередачи при вводе недогретой исходной смеси больше, чем при вводе смеси, нагретой до температуры кипения и, следовательно, высота колонны будет ниже. Однако, поскольку расход жидкости и пара в нижней части колонны в этом случае будет больше, то следует увеличить ее диаметр. Кроме того при вводе недогретой исходной смеси возрастет тепловая нагрузка кипятильника. Однако это компенсируется сокращением расхода тепла на нагрев исходной смеси.

Рассмотрим теперь случай, когда питание в колонну вводится в виде парожидкостной смеси. В нижней части колонны при этом расход пара будет меньше чем в верхней, а расход жидкости в нижней части меньше чем при вводе жидкой исходной смеси, рабочая линия нижней части колонны пойдет выше, чем при вводе жидкой исходной смеси, а состав жидкости на тарелке

увеличится высота колонны, а поскольку в нижней части колонны уменьшится расход жидкости и пара, то можно будет уменьшить ее диаметр. Если же вся исходная смесь будет подаваться в виде насыщенного пара, то состав пара на тарелке питания будет равен составу исходной смеси

(рис.7).

Периодическая ректификация

Основной отличительной особенностью периодической ректификации по сравнению с непрерывной является нестационарность данного процесса и периодический способ его проведения. Это вызывает дополнительные сложности расчета и эксплуатации периодических установок, а также меньшую их производительность, что обуславливает меньшую их распространенность в промышленности. Определенные преимущества периодической ректификации проявляются при разделении смесей: а) с малыми расходами - в этом случае проведение процесса имеет смысл лишь после их накопления; б) многокомпонентных - периодически действующая установка позволяет осуществлять процесс в одной колонне, в то время как для его проведения в непрерывной требуется количество колонн на единицу меньше числа компонентов; в) с изменяющимся качественным и количественным составом. Периодическую ректификацию проводят, обычно, одним из двух способов:

1.при постоянном флегмовом числе R=const;

2.при постоянном составе дистиллята xD=const.

Периодическая ректификация при постоянном флегмовом числе может осуществляться в установке, изображенной на рис. 8.

Исходная смесь в количестве F состава xF заливается в куб-испаритель 1, обогреваемый, обычно, водяным паром. В нем она нагревается до температуры кипения и закипает. Образовавшиеся пары с расходом G поднимаются по колонне 2 и конденсируются в

холодильнике 5, собирается в сборниках 6. Пары, поднимаясь по колонне и контактируя с флегмой, обогащаются легколетучим компонентом, а жидкость, стекая вниз - труднолетучим. Как уже отмечалось, основной особенностью процесса периодической ректификации является его нестационарность. При проведении процесса кубовая жидкость с течением времени обедняется

охлаждаясь в холодильнике 7, сливается в сборник 8. Затем процесс может возобновляться. Изображение процесса периодической ректификации при постоянном флегмовом числе на y-x диаграмме приведено на рис. 9. Поскольку ввод питания в колонну отсутствует, то расходы жидкости и пара по высоте колонны не изменяется, что обуславливает единственную рабочую линию, соответствующую рабочей линии верхней части колонны непрерывного действия.

Отличие будет заключаться в уменьшении состава дистиллята с течением времени xD t , что

39

приведет к параллельному переносу рабочей линии вниз для каждого последующего момента времени. В случае периодической ректификации с использованием встроенного кипятильника

теоретической ступени изменения концентрации. Количество теоретических ступеней изменения концентрации, обеспечиваемых ректификационной колонной, в течение всего процесса можно считать неизменным, что позволяет определять состав дистиллята по известному составу куба и

наоборот xD f xW . Если пренебречь количеством смеси, находящейся в самой колонне 2, то для начального момента времени, при котором отбирается первая порция дистиллята, состав

F, xF

Рис. 8. Схема установки периодической ректификации: 1 - куб-испаритель; 2 - ректификационная колонна; 3 - дефлегматор; 4 - делитель флегмы; 5 - холодильник дистиллята; 6 - сборники дистиллята; 7 - холодильник кубового остатка; 8 - сборник кубового остатка.

Между рабочей и равновесной линиями вписываются прямоугольные треугольники, определяющие количество теоретических ступеней Nк, которые должна обеспечит колонна для

осуществления заданной степени разделения (от xF до xD0 ). Общее количество теоретических ступеней ректификационной установки (колонна + куб) будет равно Nту Nтк 1. Построение рабочих линий для последующих моментов времени удобнее начинать с верха колонны, проводя

40

последующего использования в уравнениях.

Рис. 9. Изображение процесса периодической ректификации при постоянном флегмовом числе на x-y диаграмме (Nтк = 3, Nту = 4).

При отборе единственной фракции дистиллята уравнение материального баланса можно записать по аналогии с постепенной дистилляцией. Отличие будет заключаться лишь в том, что при ректификации дистиллят не находится в равновесии с кубовой жидкостью, а имеет значительно большую долю легколетучего компонента, благодаря разделительной способности ректификационной колонны

Определение высоты колонны должно учитывать кинетику массопередачи. Так, например, для тарельчатых колонн может быть найдено число действительных тарелок Nк, вписыванием ступеней между рабочей линией и кинетической кривой, для построения которой предварительно рассчитываются эффективности тарелок по Мэрфри Еу. Напомним, это при решении прямой

достаточно произвольно, что привело к произвольности и при определении числа теоретических ступеней в колонне и ее высоты.

Однако более актуальной является решение задачи в иной постановке, когда средний

флегмового числа и числа теоретических ступеней, обеспечивающих заданный состав дистиллята. Решение данной задачи предполагает использование метода последовательных приближений, связанного с большим количеством вычислений, что обуславливает целесообразность использования компьютера.

основу которого составляют потарелочный расчет колонны и численное интегрирование по времени уравнений материального баланса. Его достоинством является получение временной зависимости состава куба xW t , а также мгновенного и среднего составов дистиллята xD t ,

xD t . Количества получающегося дистиллята Dк и кубового остатка Wк находятся из уравнений

материального баланса для конечного момента времени. Для предварительного выбора флегмового числа и числа тарелок в колонне определяется средняя концентрация кубовой

жидкости xW xF xWк 2 . По x D и x W находится минимальное флегмовое число R min , а затем,

41

достигнутым, если же нет - то изменяется значение коэффициента избытка флегмы, находится новое флегмовое число и расчет повторяется заново. Может решаться и задача оптимизации, с

среднего состава xD с достаточно высоким содержанием легколетучего компонента или для его получения требуются слишком большие значения флегмового числа R и числа тарелок Nк. В этом случае, обычно, отбирают две фракции дистиллята, причем состав второй соответствует составу

для ее проведения аналогична изображенной на рис.8, отличия заключаются в следующем: отпадает необходимость в нескольких сборниках дистиллята, так как состав дистиллята не

42

Рис. 10. Изображение процесса периодической ректификации при постоянном составе дистиллята на x-y диаграмме (Nтк = 3, Nту = 4).

Поскольку рабочее флегмовое число с течением времени увеличивается, то наклон рабочей линии возрастает. При этом число теоретических ступеней, обеспечиваемых колонной, в течение процесса можно считать неизменным. Задаваясь различными значениями флегмовых

действительных тарелок с использованием ориентировочного значения к.п.д. колонны . На

Специальные виды перегонки

Специальные виды перегонки используются либо для снижения температуры процесса с целью предотвращения разложения участвующих в нем веществ, либо для разделения компонентов с близкой летучестью или азеотропных смесей.

Молекулярная дистилляция

Молекулярная дистилляция позволяет существенно снизить температуру процесса, а также увеличить его разделительную способность, Молекулярная дистилляция проводится под глубоким вакуумом при давлениях 10-2-10-1 Па, обеспечивающим превышение длины свободного пробега молекул над расстоянием между поверхностями испарения и конденсации, которое, обычно, составляет 20-30 мм. Отличительной особенностью данного вида перегонки является также его протекание при температуре ниже температуры кипения смеси.

Исходная смесь поступает в разделитель и в виде пленки стекает по стенам испарителя, обогреваемого нагревателем. При температуре ниже температуры кипения происходит испарение компонентов жидкой пленки. Поскольку длина свободного пробега молекул больше расстояния от поверхности пленки до поверхности конденсатора, то испарившиеся молекулы практически без столкновений достигают поверхности конденсатора, охлаждаемой до температуры на 40 100 К ниже температуры испарителя. Конденсат стекая отводится в виде дистиллята, а не испарившаяся жидкость в виде кубового остатка.

Образовавшиеся при испарении пары удаляются с поверхности жидкости, таким образом равновесие между паром и жидкостью не успевает устанавливаться. В связи с этим разделяющая способность при молекулярной дистилляции определяется не относительной летучестью компонентов, а скоростью их испарения.

43