1 Описание схемы установки

Схема ректификационной установки представлена на рисунке 1.

1 – ёмкость для исходной смеси; 2,9,12 – насосы; 3 – теплообменник-подогреватель (пластинчатый подогреватель (конденсатор)); 4 – кипятильник (кожухотрубчатый испаритель); 5 – ректификационная колонна; 6 – дефлегматор (кожухотрубчатый конденсатор (дефлегматор)); 7 – холодильник дистиллята (кожухотрубчатый конденсатор (дефлегматор)); 8 – ёмкость для сбора дистиллята; 10 – холодильник кубовой жидкости (Кожухотрубчатый конденсатор (дефлегматор)); 11 – ёмкость для кубовой жидкости

Рисунок 1 – Схема ректификационной установки

Исходную смесь (вода – уксусная кислота) из промежуточной ёмкости для исходной смеси Е-1 центробежным насосом подают в теплообменник-подогреватель П, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну КР на тарелку питаний, где состав жидкости равен составу исходной смеси.

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике И. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка, то есть обеднён труднолетучим компонентом (уксусная кислота). В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой), получаемой в дефлегматоре Д путём конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора Д в виде готового продукта разделения дистиллята, который охлаждается в теплообменнике (холодильнике дистиллята) К-1 и направляется в промежуточную ёмкость для сбора дистиллята Е-3.

Из кубовой части колонны насосом непрерывно выводится кубовая жидкость – продукт, обогащённый легкоолетучим компонентом (вода), который охлаждается в теплообменнике (холодильник кубовой жидкости) К-2 и направляется в ёмкость для кубовой жидкости Е-2.

В ректификационной колонне КР осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента) и кубовой остаток (обогащённый труднолетучим компонентом).

2 Расчёт тарельчатой ректификационной колонны непрерывного действия

Исходные данные:

• Тип ректификационной колонный – тарельчатая;

• Разделяемая смесь Вода – Уксусная кислота;

• Производительность установки по исходной смеси 7500 кг/ч (2,083 кг/с);

• Концентрация низкокипящего компонента в исходной смеси 58% массовых (0,58 мольные);

• Концентрация низкокипящего компонента в дистилляте 97,0% массовых (0,97 мольные);

• Концентрация низкокипящего компонента в кубовом остатке 3,0% массовых (0,03 мольные);

• Давление греющего пара – принять (0,3 МПа);

• Рабочее давление – атмосферное (0,1 МПа);

• Температура исходной смеси – 18˚С.

2.1 Материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число

Производительность колонны по дистилляту P и кубовому остатку W из уравнений материального баланса колонны:

Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются рабочим флегмовым числом R; его оптимальное значение найти путём технико-экономического расчёта. Ввиду отсутствия надёжной методики оценки используют приближённые вычисления, основанные на определении коэффициента избытка флегмы (орошения) . Здесь – минимальное флегмовое число:

, где и – мольные доли легколетучего компонента соответственно в исходной смеси и дистилляте, кмоль/кмоль смеси; – концентрация легколетучего компонента в паре, находящийся в равновесии с исходной смесью, кмоль/кмоль смеси.

Обычно коэффициент избытка флегмы, при котором достигается оптимальное флегмовое число, не превышает 1,3. Один из возможных приближённых методов расчёта R заключается в нахождении такого флегмового числа, которому соответствует минимальное произведении N(R+1), пропорциональное объёму ректификационной колонны (N – число ступеней изменения концентраций или теоретических тарелок, определяющее высоту колонны, а R+1 – расход паров, и сечение колонны).

Определение R. Пересчёт составов фаз из массовых долей в мольные:

где и – молекулярные массы соответственно воды и уксусной кислоты, кг/кмоль [5], – массовая доля вещества.

Задавшись различными значениями коэффициентов избытка флегмы , определить соответствующие флегмовые числа. Графическим построением ступеней изменения концентраций между равновесной и рабочими линиями на диаграмме состав пара y – состав жидкости x найти N. Равновесные данные для различных систем приведены в справочнике. Результаты расчётов рабочего флегмового числа:

	1,05	1,75	2,05	2,75	3,05	3,75
R	2,01	3,3425	3,9155	5,2525	5,8255	7,1625
N	39	22	20	18	17	16
N(R+1)	117,39	95,535	98,31	112,545	116,0335	130,6

Минимальное произведение N(R+1) соответствует флегмовому числу R=3,5. При этом коэффициент избытка флегмы . Рабочие линии и ступени изменения концентраций для верхней (укрепляющей) и нижней (исчерпывающей) части колонны изображены в соответствии с найденным значением R. .

Рисунок 1 – Диаграмма У-Х №1

Рисунок 2 – Диаграмма У-Х №2

Рисунок 3 – Диагармма У-Х №3

Рисунок 4 – Диагарамма У-Х №4

Рисунок 5 - Диаграмма У-Х №5

Рисунок 6 – Диаграмма У-Х №6

Рисунок 7 – График определения рабочего флегмового числа

Рисунок 8 – Диаграмма У-Х с изображением рабочих линий при действительном флегмовом числе

Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости для верхней и нижней частей колонны:

где и – мольные массы дистиллята и исходной смеси; и – средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны.

Мольную массу дистиллята можно принять равной мольной массе легколетучего компонента – воды. Средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны:

где и – мольные массы воды и уксусной кислоты; и – средний мольный состав жидкости в верхней и нижней частях колонны:

Мольная масса исходной смеси:

=

Средние массовые потоки пара в верхней и нижней частях колонны:

Средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны:

Рисунок 9 – Диаграмма Т-Х,У (температура – состав пара и жидкости)