ПиАЗ гидросферы

цесса, а также потери теплоты при периодической разгрузке и загрузке куба. Этих недостатков лишены ректификационные установки непрерывного действия.

Колонны непрерывного действия состоят из нижней (исчерпывающей) части, в которой происходит удаление легколетучего компонента из стекающей вниз жидкости, и верхней (укрепляющей) части, назначение которой - обогащение поднимающихся вверх паров легколетучим компонентом. Ректификационные установки непрерывного действия отличаются от установок периодического действия тем, что питание колонны исходной смесью определенного состава происходит непрерывно с постоянной скоростью, готовый продукт стабильного качества отводится также непрерывно.

Вректификационной установке непрерывного действия исходную смесь подают на нижнюю тарелку укрепляющей части колонны, которая одновременно является и верхней тарелкой исчерпывающей части колонны. Эта тарелка называется тарелкой питания и характеризуется таким же составом жидкости, как и исходная смесь.

При ректификации смесей, состоящих более чем из двух компонентов, схема установки значительно усложняется. При этом для отделения каждого добавочного компонента в общем случае требуется отдельная колонна с дефлегматором.

Размеры и конструкции перегонного куба, дефлегматора и концевого холодильника зависят от производительности установки, физических свойств разделяемой смеси и режима процесса (периодический или непрерывный).

Степень разделения смесей жидкостей на компоненты и чистота получаемых дистиллята и кубового остатка зависят от того, насколько развита поверхность фазового контакта, а также от количества орошающей жидкости (флегмы) и устройства ректификационной колонны.

Впромышленности наибольшее распространение получили насадочные (рис. 3.28), тарельчатые с колпачковыми (рис. 3.29), ситчатыми, клапанными, решетчатыми и другими типами тарелок, а также роторно-пленочные ректификационные колонны.

Задачей расчета ректификационных колонн является определение основных размеров колонны (диаметр, высота), характеристик и размеров элементов внутреннего устройства (тарелки, колпачки, насадки и др.), материальных потоков и затрат теплоты.

Основные размеры колонны и элементов внутреннего устройства определяются характером контактных устройств и величиной материальных и тепловых потоков, методика расчета которых не зависит от конструкции колонны и может быть принята единой.

Исходными данными для расчета являются производительность колонны по ис-

ходному сырью GF, концентрация легколетучего компонента в исходной смеси (питании) хF, дистилляте хр и кубовом остатке хw, давление в верхней части колонны, температуры исходной смеси, флегмы. Кроме того, для расчета необходимо знать физические свойства компонентов в жидком и парообразном состоянии, а также данные о фазовом равновесии.

Врасчете используют уравнения материального и теплового балансов, уравнения рабочей линии процесса и ряд зависимостей, полученных аналитически и эмпирически.

122

Рис. 3.28. Насадочная колонна.

123

Рис. 3.29. Колонна с колпачковыми тарелками.

124

Материальный баланс ректификационной колонны.

Для расчета числа теоретических ступеней изменения концентраций, необходимых для разделения данной смеси, графическим методом необходимо на диаграмму равновесия х - у нанести рабочие линии верхней и нижней частей колонны.

Уравнения рабочих линий ректификационной колонны получают из уравнений материальных балансов. Для верхней (укрепляющей) части колонны непрерывного действия и для колонны периодического действия материальный баланс по низкокипящему компоненту (НК) в соответствии с рис. 3.30 будет:

Рис. 3.30. Схема материальных потоков в ректификационной колонне:

1 - дефлегматор; 2, 3 - соответственно укрепляющая и исчерпывающая части колонны; 4 - куб.

Аналогично материальный баланс по низкокипящему компоненту для нижней (исчерпывающей) части колонны непрерывного действия будет:

G

Эти уравнения являются уравнениями рабочих линий.

Количество поднимающегося вверх пара G стабильно по всей высоте колонны. Это количество пара образуется в кубе и поступает в дефлегматор, откуда часть его возвращается в колонну в виде флегмы Ф, а остальное количество отводится в виде дистиллята Р. Таким образом, G = Ф + Р.

125

В укрепляющей части колонны количество стекающей жидкости равно количеству флегмы L = Ф = PR, а состав пара на выходе из колонны соответствует составу подаваемой на орошение флегмы (y2 = х2 = хP). Подставляя значения L, G, y2 и x2 в уравнение (3.5), получим:

где R = Φ/ P - флегмовое число.

На диаграмме х - у рабочая линия верхней части колонны непрерывного действия и колонны периодического действия представляет собой прямую, проходящую через точку, лежащую на диагонали (ее координаты х = у = хP), с тангенсом угла наклона tgα = R(R +1); отрезок, отсекаемый рабочей линией на оси ординат, b = xP (R +1)

(рис. 3.31).

*

Рис. 3.31. Построение рабочих линий ректификационной колонны на диаграмме х - у.

В исчерпывающей части колонны количество стекающей жидкости L превышает количество флегмы Ф на количество исходной жидкости F. Если обозначить F/P = f, то для исчерпывающей части колонны получим:

L = Ф+ F = P(R + f ).

Составы поступающего в колонну пара и вытекающей из нее жидкости соответствует составу остатка:

y1 = x1 = xW .

Подставляя значения L, G, y1 и х1 в уравнение (3.6), получим:

126

Из этого уравнения следует, что на диаграмме х - у рабочая линия нижней части колонны - прямая, пересекающая диагональ в точке с абсциссой хW (х1 = y1 = хW). Точка пересечения ее с рабочей линией верхней части колонны определяется совместным решением уравнений (3.7) и (3.8):

откуда xP = f x −(f −1)xW .Rx+P 1 + RR+1 x = RR++1f x − Rf +−11 xW ,

Учитывая, что f = F/P, и решая последнее уравнение относительно х, получим х = хF, т. е. абсцисса точки пересечения рабочих линий В' (см. рис. 3.31) соответствует составу исходной смеси хF.

По мере приближения рабочей линии к диагонали возрастает флегмовое число R, но уменьшается требуемое число теоретических ступеней для получения дистиллята заданного состава хP. При прохождении рабочей линии через точку В' флегмовое число минимальное Rmin. На практике ректификационные колонны работают в интервале Rmin < R < ∞. поэтому важно определить Rmin .

Реальное флегмовое число R > Rmin, причем отношение R/Rmin = σ , называемое коэффициентом избытка флегмы, колеблется на практике в довольно широких пределах (от 1,1 до 10) в зависимости от свойств разделяемой смеси, рабочих параметров и экономических факторов.

Поскольку пределы изменения о достаточно широки, необходимо определить оптимальное флегмовое число и соответствующий коэффициент избытка флегмы.

Приближенно Rопт можно рассчитать следующим образом. По уравнению (3.9) определяют минимальное флегмовое число Rmin. Затем, задав несколько значений коэффициента избытка флегмы в пределах примерно 1,1...5,0, графически (рис. 3.32) определяют соответствующие им числа теоретических ступеней.

127

грязняющего вещества) в свободном сечении колонны wG = 0,9 м/с, флегмовое число R = 2, средняя плотность паров в колонне ρG = 2,8 кг/м3.

Решение. Количество сточной воды подаваемой в ректификационную колонну можно получить из уравнения материального баланса для количества входящих и выходящих потоков

F = P +W ,

где P – количество дистиллята (загрязняющего вещества), выводимого из колонны Количество паров низкокипящего компонента, проходящее через колонну, по-

Тогда искомая величина составит

F = 2374 + 3000 = 5374 кг/ч.

Расчет числа реальных ступеней изменения концентрации (числа реальных тарелок).

В процессе ректификации состояние полного равновесия на тарелках не достигается, как это предполагается при графическом построении ступеней изменения концентрации

Определенное таким образом число ступеней является лишь теоретическим. Расчет числа реальных ступеней изменения концентрации производится методом последовательных приближений. С этой целью для ряда сечений по высоте колонны определяют средние составы паровой и жидкой фаз, а затем рассчитывают величины внутренних материальных потоков и эффективность.

Расчеты продолжают до тех пор, пока будет достигнута требуемая сходимость числа реальных тарелок. Разница в числе реальных тарелок не должна превышать долей тарелки.

Расчет диаметра и высоты ректификационных колонн.

Рабочую скорость пара wp ,. по которой рассчитывают диаметр колонны, определяют через скорость захлебывания колонны wз :

wp = k wз ,

где k - коэффициент, зависящий от типа контактного устройства.

Скорость захлебывания колонны также рассчитывают с учетом характера массообменного процесса и типа контактного устройства.

Расстояние между тарелками ректификационных колонн следует выбирать таким, чтобы обеспечить минимальный механический унос парами частиц жидкости. Величина уноса зависит от многих факторов и не поддается точному теоретическому расчету. Поэтому расстояние между тарелками h выбирают на основе опытных данных. Для предварительного выбора h в зависимости от диаметра колонны Dк можно использо-

129

Пример 3.9. В ректификационную колонну непрерывного действия подается для разделения смесь сточной воды с загрязняющим метанолом составом xF = 40 % масс. метанола. Состав дистиллята xP = 90 % масс. метанола. Определить состав xW очищенной сточной воды по метанолу, если расходы исходной смеси и очищенной воды соответственно F = 1000 кг/ч и W = 600 кг/ч. Сколько пара поднимается по колонне при флегмовом числе R = 2? Какой диаметр D имеет ректификационная колонна, если сред-

няя приведенная скорость поднимающихся паров wG = 1 м/с и плотность паров ρG = 1,7 кг/м3?

Решение. Состав очищенной в колонне воды можно определить из уравнения материального баланса для низкокипящего компонента (метанола) F xF = P xP +W xW :

где количество выводимого метанола P определим из уравнения материального баланса по общему количеству внешних потоков колонны

Глава 4. Аппараты для химической очистки сточных вод

Основными методами химической очистки производственных сточных вод являются нейтрализация и окисление. К окислительным методам относится также электрохимическая обработка.

Химическая очистка может применяться как самостоятельный метод перед подачей производственных сточных вод в систему оборотного водоснабжения, а также перед спуском их в водоем или в городскую канализационную сеть. Применение химической очистки в ряде случаев целесообразно (в качестве предварительной) перед биологической или физико-химической очисткой. Химическая обработка находит применение также и как метод глубокой очистки производственных сточных вод с целью их дезинфекции, обесцвечивания или извлечения из них различных компонентов. При локальной очистке производственных сточных вод в большинстве случаев предпочтение отдается химическим методам.

4.1. Установки для нейтрализации.

Производственные сточные воды от технологических процессов многих отраслей промышленности содержат щелочи и кислоты. В большинстве кислых сточных вод содержатся соли тяжелых металлов, которые необходимо выделять из этих вод. С целью предупреждения коррозии материалов канализационных очистных сооружений, нару-

130