15.1.3.5. Особенности расчета

Основными особенностями расчета колонн для проведения процесса непрерывной бинарной ректификации в отличие от абсорбции, являются существенные кривизна линии равновесия и изменение теплофизических свойств фаз по высоте колонны, а также наличие двух рабочих линий, обусловленное вводом исходной смеси (рис. 15.23). Это не позволяет даже для аппаратов с непрерывным контактом фаз, например, насадочных использовать основное уравнение массопередачи (13.207) так как коэффициент массопередачи может значительно изменяться по высоте колонны, а также находить среднюю движущую силу, как среднелогарифмическую по (13.105). Для определения высоты колонн с непрерывным контактом фаз удобнее всего использовать соотношение (13.212), применяя его отдельно для нахождения высоты нижней и верхней частей колонны.

Для аппаратов со ступенчатым контактом фаз, например, тарельчатых можно применить методику расчета их высоты, изложенную в разделе 13.7.3, определяя при этом теплофизические и равновесные характеристики, коэффициент массопередачи и эффективность по Мэрфри на каждой тарелке. Высота нижней и верхней частей ректификационной колонны также находится отдельно. Алгоритм потарелочного расчета приведен на рисунке 15.25.

Рис. 15.25. Блок-схема потарелочного расчета ректификационной колонны не-прерывного действия

Критерием оптимальности при проектировании ректификационной установки обычно служат суммарные затраты на ее изготовление и функционирование, представленные в первом приближении в виде (15.54). 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.

Влияние флегмового числа и схемы использования тепла на величину экономических затрат подробно рассмотрены в разделах 15.1.3.4 и 15.1.3.3. Зависимость гидродинамических режимов насадочных и тарельчатых аппаратов и их объема от скорости паровой фазы и конструктивных характеристик контактных устройств анализируется в разделах 14.3.2 и 14.3.3.

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.

15.1.4 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 требует количества 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 x_D=const.

Периодическая ректификация при постоянном флегмовом числе может осуществляться в установке, изображенной на рис. 15.27.

Рис. 15.27. 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.

Исходная смесь в количестве F состава x_F 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 дефлегматоре 3. Полученный конденсат разделяется в делителе 4 на флегму с расходом и дистиллят с расходом . Флегма поступает на орошение колонны, а дистиллят, охлаждаясь 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 легколетучим компонентом, т.е. - уменьшается. Соответственно со временем будет уменьшаться доля легколетучего компонента в поднимающихся парах, а при постоянном флегмовом числе и в дистилляте ( - уменьшается). Обычно, дистиллят собирают в несколько сборников в виде фракций со средними составами . Процесс заканчивается при достижении заданного состава куба , кубовый остаток в количестве , 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. 15.28. Поскольку ввод питания в колонну отсутствует, то расходы жидкости и пара по высоте колонны не изменяются, что обуславливает единственную рабочую линию, соответствующую рабочей линии верхней части колонны непрерывного действия (15.37). Отличие будет заключаться в уменьшении состава дистиллята с течением времени , что приведет к параллельному переносу рабочей линии вниз для каждого последующего момента времени. В случае периодической ректификации с использованием встроенного кипятильника можно считать состав пара, поднимающегося из куба на нижнюю тарелку, равновесным с составом кубовой жидкости , т.е. куб-испаритель будет соответствовать одной 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 . Если пренебречь количеством смеси, находящейся в самой колонне 2, то для начального момента времени, при котором отбирается первая порция дистиллята, состав куба соответствует составу исходной смеси , а состав дистиллята . Задавшись значением рабочего флегмового числа (15.57) из точки с координатами проводится рабочая линия, описываемая уравнением (15.37), до пересечения с горизонталью, соответствующей теоретической ступени обеспечиваемой кубом, вертикаль для которой восстанавливается из точки . Между рабочей и равновесной линиями вписываются прямоугольные треугольники, определяющие количество теоретических ступеней N_тк, которые должна обеспечить колонна для осуществления заданной степени разделения (от до ). Общее количество теоретических ступеней ректификационной установки (колонна + куб) будет равно . Построение рабочих линий для последующих моментов времени удобнее начинать с верха колонны, проводя рабочие линии из точек , заканчивающихся после вписывания N_тк ступеней. Концентрация кубовой жидкости определяется вписыванием еще одной теоретической ступени, соответствующей кубу колонны. Так графическим способом получают зависимость .

Рис. 15.28. Изображение процесса периодической ректификации при постоянном флегмовом числе на x-y диаграмме (N_тк = 3, N_ту = 4).

Периодическая ректификация при постоянном составе дистиллята осуществляется при увеличивающимся с течением времени флегмовом числе . Установка для ее проведения аналогична изображенной на рис. 13.36. Отличия заключаются в следующем: отпадает необходимость в нескольких сборниках дистиллята, так как состав дистиллята не меняется со временем; и не являются функциями времени; расходы дистиллята и флегмы меняются со временем , , следовательно, необходима автоматика, регулирующая изменение флегмового числа со временем .

Изображение процесса периодической ректификации при постоянном составе дистиллята на x-y диаграмме приведено на рис. 15.30. 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 чисел можно найти графическим способом зависимость или .

Рис. 15.30. Изображение процесса периодической ректификации при постоянном составе дистиллята на x-y диаграмме (N_тк = 3, N_ту = 4).