Расчет ректификационной колонны

       Так как сырье поступает в колонну при температуре кипения (е=0), для нахождения температуры t_F достаточно с абсциссой х_F=0,3, соответствующей мольной доле низкокипящего компонента в сырье, восстановить перпендикуляр до пересечения с изобарной температурной кривой кипения.

       Температура в зоне питания составляет t_F = 103,65 ⁰C. Аналогично определяется температура в кубе колонны t_W = 110,31 ⁰C. Для определения температуры паров на верху колонны t_D из точки с абсциссой х_D, соответствующей мольной доле низкокипящего компонента в дистилляте, восстанавливается перпендикуляр до пересечения с изобарной температурной кривой конденсации. Температура на верху колонны составляет t_D =98,42 ⁰C . 
 

      1.4 Определение числа теоретических тарелок в колонне 
 

        Для бинарных смесей минимальное флегмовое число определяется зависимостью:

      

        Определение величины ^y*_F=0,41 показано на рисунке 1. Для определения процесса ректификации необходимо, чтобы флегмовое число R было больше минимального R . В противном случае содержание низкокипящего компонента в дистилляте х_D будет меньше определенного.

       Минимальное флегмовое число R рассчитывается по уравнению: 

        В простейших случаях значение флегмового числа определяется из соотношения:

                                            

,     

где β - коэффициент избытка флегмы.

    

       Ориентировочно оптимальное флегмовое число можно определить как минимум функции ƒ(R) (рисунок 3). Функция ƒ(R) определяется соотношением:

 

,     

        где n_Т - число теоретических тарелок в колонне.

        Для определения оптимального флегмового числа R находится минимум функции ƒ(R).

        Расчет оптимального флегмового числа показан в таблице 2. 

        Таблица 2 - Расчет оптимального флегмового числа 
 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

           Рисунок 3- Определение оптимального флегмового числа 

       По данным таблицы 3 находится значение оптимального флегмового числа R =8,2.

       На рисунке 4 оказано определение числа теоретических тарелок для оптимального флегмового числа. 
 

 
 
 

          Рисунок 4 - Определение числа теоретических тарелок в колонне 

          Уравнение рабочих линий в верхней части колонны АД для R   имеет вид:

          Уравнение рабочей линии нижней  части колонны СД имеет вид:

где  - относительный (на 1 кмоль дистиллята) мольный расход сырья; X_W- мольная концентрация НКК в кубовой жидкости. 

       Число теоретических тарелок в верхней части колонны n_В=20 (не считая ступень, огибающую точку Д). В нижней части колонны с учетом того, что роль одной тарелки выполняет кипятильник, число теоретических тарелок m_Н=10. 
 

       1.5 Определение расхода пара и флегмы в колонне 
 

       Сырье поступает в колонну с долей отгона е=0, поэтому в соответствии с уравнением:

 

 

         Массовый расход пара в верхней части колонны рассчитывается по уравнению:

                         

   

         Так как все сырье поступает в жидкой фазе, то:

                               

где: G₀-паровой поток, вносимый в колонну; G- паровой поток в верхней части колонны;      G_M – паровой  поток, поступающий в зону питания из нижней части.

       

        Массовый расход  флегмы  g_n, поступающей в зону питания, рассчитывается по уравнению:

 

       Массовый расход флегмы g, поступающей в нижнюю часть колонны,  рассчитывается в соответствии с уравнением:

      Массовая концентрация НКК во  флегме g, поступающей на последнюю тарелку нижней части колонны (счет тарелок в нижней части колонны идет снизу вверх), определяется соотношением:

      Принимаем что:

 

       Массовая концентрация НКК  в паровом потоке G_m, поднимающемся с последней тарелки нижней части колонны в зону питания, составляет:

 

       Массовая концентрация НКК  y_см в паровом потоке G, покидающем зону питания, определяется из уравнения:

 

       Концентрация НКК в паровом y₀ и жидком потоке сырья x₀ определяется  в результате расчета процесса  однократного испарения. Проверкой правильности расчета потоков пара и флегмы в колонне  служат следующие соотношения:

 

0,336>0,332>0,32  и  0,405=0,405 
 

      1.6 Тепловой баланс колонны 
 

      Принимаем температуру холодного испаряющегося орошения t =80 ⁰С.

     Теплофизические свойства толуола  и гептана представлены в таблице 1 приложении Б.

      Тепловой поток, отводимый водой в дефлегматоре, рассчитывается по уравнению:

 

при этом средние значения удельной теплоты  испарения r_D и удельной теплоемкости с_D находятся по правилу аддитивности:  

  кДж/кг

кДж/кг 

 

       Энтальпия сырья i_F дистиллята i_D, кубовой жидкости i определяются по правилу аддитивности при соответствующей температуре: 

 

        С учетом тепловых потерь, принятых равными 5% от полезно используемого расхода теплоты, тепловой поток в кипятильнике, исходя из уравнения теплового баланса, составит: 

 

 

         В качестве теплоносителя в кипятильнике колонны принимаем насыщенный водяной пар с абсолютным давлением 0,294 МПа (3 атм.) и степенью сухости =95%. Такой пар имеет температуру 132,9⁰С, энтальпию I =2730 кДж/кг; энтальпия конденсата I =558,9 кДж/кг. Расход водяного пара G_Т в кипятильнике колонны составит: 

 

     Принимаем, что вода в дефлегматоре нагревается от t = 25 ⁰С до t_к = 38 ⁰C. Тогда расход воды в дефлегматоре: 

 

       Массовый расход холодного испаряющегося орошения : 

 

где I - энтальпия пара, поступающего в дефлегматор при температуре t_D; i -энтальпия флегмы при температуре t_Х. 

       Энтальпии определяем по правилу аддитивности: 

 

       Массовый расход горячего орошения , стекающего с 1-ой тарелки верхней части колонны:

       Проверка:

 

     

      1.7 Гидравлический расчет 
 

        Гидравлический расчет ректификации колонны включает:

1. Выбор типа и конструкции контактного устройства (тарелки или насадки);
2. Определение скорости пара и диаметра колонны;
3. Определение основных размеров контактных и переливных устройств;
4. Расчет гидравлического сопротивления контактных устройств;
5. Проверку работоспособности контактных устройств;
6. Определение эффективности контактных устройств, включающее расчет числа реальных тарелок и общей высоты колонны.

 
 

      1.7.1 Определение линейной скорости паров 
 

      Средние мольная х_В и концентрации низкокипящего компонента в флегме в верхней части колонны:  

 

      Средние мольная и концентрации низкокипящего компонента в флегме нижней части колонны: 
 

 

        Средние мольные концентрации низкокипящего компонента в паре находятся по уравнениям рабочих линий колонны: 

- для  верхней части колонны:

 

- для  нижней части колонны:

 

      Средние температуры пара в концентрационной t_В и отгонной t_Н частях колонны определяются для средних концентраций пара у_В и у_Н по изобарным температурным кривым кипения и конденсации смеси гептан - толуол (рисунок2):