5. Расчет ректификационной колонны непрерывного действия

Расчет ректификационной колоны сводится к определению ее основных геометрических размеров - диаметра и высоты. Оба параметра в значительной мере определяются гидродинамическим режимом работы колоны, который, в свою очередь, зависит от скоростей и физических свойств фаз, а также от типа и размера насадки.

При расчете ректификационной установки приняты следующие допущения:

1. молярные теплоты испарения компонентов при одной и той же температуре приблизительно одинаковы (правило Трутона), поэтому каждый кмоль пара при конденсации испаряет 1 кмоль жидкости. Поэтому мольные потоки пара в любом сечении колонны постоянны;

2. в дефлегматоре не происходит изменения состава пара;

3. при испарении жидкости в кипятильнике не происходит изменения ее состава;

4. теплоты смешения компонентов разделяемой смеси равны нулю.

1. Материальный баланс колонны и расчет рабочего флегмового числа

Производительность колонны по дистилляту Р и кубовому остатку W определим из уравнений материального баланса [1]:

где F – массовый расход исходной смеси, кг/с;

W – массовый расход кубового остатка, кг/с;

P – массовый расход дистиллята, кг/с;

X_F – массовая концентрация легколетучего компонента в исходной смеси, кг нк/кг смеси;

X_W – массовая концентрация легколетучего компонента в кубовом остатке, кг нк/кг смеси;

X_P – массовая концентрация легколетучего компонента в дистилляте,

кг нк/кг смеси.

По условиям задания:

F = 19 т/ч = 17  1000/3600 = 5,278 кг/с;

Х_F = 0,200 масс. доли;

Х_W = 0,011 масс. доли;

Х_P = 0,950 масс. доли.

Подставив данные значения, находим:

Пересчитываем содержание легколетучего компонента из массовых долей в мольные:

• Содержание легколетучего компонента в исходной смеси

• Содержание легколетучего компонента в дистилляте

• Содержание легколетучего компонента в кубовом остатке

где М_НК – молярная масса этилацетата;

М_ВК – молярная масса толуола.

Минимальное флегмовое число равно [1]:

,

где х_F, х_р – мольные доли легколетучего компонента в исходной смеси и дистилляте, соответственно, кмоль нк/кмоль смеси;

- концентрация легколетучего компонента в паре, находящемся в равновесии с исходной смесью, кмоль нк/кмоль смеси.

Равновесные данные по смеси ацетон – этанол возьмем из [3] при Р = 760 мм рт. ст.:

Таблица 1 – Равновесные данные смеси

x, % мольн.	y, % мольн.	t, оС
0	0	110,6
2,1	6,4	108,82
3,2	9,7	107,87
4,8	13,7	106,94
10,7	26,5	103,46
17,5	39,1	99,8
27	52,8	95,51
28,3	54,5	95,02
36,5	62,9	92,09
45,2	70,3	89,22
59,8	80	85,16
65,6	83,7	83,55
71,5	86,7	82,25
77,3	89,9	81,14
83,5	92,8	79,91
89,1	95,3	78,8
92,2	96,7	78,39
95,4	98	77,81
97	98,7	77,6
100	100	77,1

Строим диаграммы равновесия между жидкостью и паром при постоянном давлении в координатах t-х,у (рисунок 1) и у-х (рисунок 2).

Рисунок 1 – t-x,y диаграмма

Рисунок 2 – у-х диаграмма

Методом линейной интерполяции находим:

при x_F = 0,207 кмоль нк/кмоль смеси, содержание пара равно y_F^*=0,437 кмоль нк/кмоль смеси.

Минимальное флегмовое число равно:

Задавшись различными значениями коэффициентов избытка флегмы , находим соответствующие флегмовые числа. Графическим построением ступеней изменения концентраций между равновесной и рабочими линиями на диаграмме у – х найдем необходимое количество при каждом значении избытка флегмы (рисунок 3-8). Результаты расчета сведем в таблицу [1]:

	1,2	1,4	1,5	1,6	1,8
R	2,6844	3,1318	3,3555	3,5792	4,0266
N	17	14	13	12	11
N(R + 1)	66,3	62,0	60,8	59,6	60,3

Рисунок 3 – Графическое построение ступеней разделения при =1,2

Рисунок 4 – Графическое построение ступеней разделения при =1,4

Рисунок 5 – Графическое построение ступеней разделения при =1,5

Рисунок 6 – Графическое построение ступеней разделения при =1,6

Рисунок 7 – Графическое построение ступеней разделения при =1,8

Строим график зависимости N(R + 1) = f() (рисунок 8). Оптимальное флегмовое число соответствует минимальному произведению N(R + 1), поэтому оптимальное флегмовое число равно R = 3,579.

Рисунок 8 – график зависимости коэффициента эффективности от коэффициента избытка флегмы

Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости для верхней и нижней части колонны определяют из соотношений [1]:

,

где M_P и M_F – мольные массы дистиллята и исходной смеси, соответственно;

M_В и M_Н – средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны, соответственно.