Кутузова М.А., Дмитриев А, В., Кутузов А.Г. (сост.) Технологический расчет ректификационной колонны

Подождите немного. Документ загружается.

дистиллят в количестве G

с концентрацией низкокипящего

компонента x

отбирается из дефлегматора, а обедненный этим

компонентом остаток в количестве G

с концентрацией x

отводится в качестве нижнего продукта из куба-испарителя (G

, G

в моль/ч, x

, x

в мольных долях). Образующиеся в

нем пары поднимаются по колонне, контактируя на тарелках со

стекающей жидкостью, и поступают в дефлегматор, откуда

часть образовавшегося конденсата, называемого флегмой,

возвращается в верхнюю часть колонны.

Рис. 2. Графическое определение числа теоретических тарелок;

ОE - равновесная кривая; АВ и ВС – рабочие линии для

укрепляющей и исчерпывающей частей колонны; 1-6 – тарелки

*=f(x)

Флегмовое число и количество тарелок в непрерывной

ректификационной колонне определяется из рисунков 2 и 3.

Рис. 3. Положение рабочих линий непрерывной ректификации

на у-х – диаграмме

При периодической ректификации (рис. 4) в куб колонны

загружают определенное количество подлежащей разделению

смеси, где она нагревается до температуры кипения и

испаряется. Образующиеся пары проходят через колонну,

взаимодействуя в противотоке с жидкостью, поступающей из

дефлегматора. В нем конденсируются выходящие из колонны

богатые ЛЛК пары, направляемые далее в делитель потоков.

Часть конденсата (флегма) поступает обратно в колонну, другая

*=f(x)

часть (дистиллят) – через холодильник в один из сборников.

Рис. 4. Ректификационная установка периодического действия:

1 – куб; 2 – колонна; 3 – дефлегматор; 4 – холодильник;

5, 6 – сборники

Для некоторых бинарных смесей кривые равновесия

у*=φ(x) при определенных условиях пересекают диагональ y-x –

диаграммы; в точке пересечения составы пара и жидкости

одинаковы (азеотропная смесь), вследствие чего подобные

смеси обычной ректификацией разделить невозможно. Поэтому

к исходной смеси добавляют растворитель, который называют

разделяющий агент, образующий с одним из компонентов

азеотропную смесь, которая при ректификации выделяется в

виде дистиллята; кубовая жидкость представляет собой

высококипящий компонент с минимальным содержанием

Вода

Пар

Исходная

смесь

Вода

5 6

разделяющего агента. Однако его выделение из азеотропной

смеси (дистиллята) затруднено.

Рис. 5. Рабочие линии периодической ректификации с

постоянным флегмовым числом

Один из методов, позволяющий осуществить рецикл

растворителя, заключается в применении таких разделяющих

агентов, которые обладают ограниченной взаимной

растворимостью в компонентах, отбираемых в виде дистиллята.

При этом благодаря его расслаиванию в разделительном сосуде

слой, обогащенный ЛЛК, поступает в среднюю часть

регенерационной колонны, откуда в результате ректификации в

виде кубового продукта отбирается ЛЛК исходной смеси, а в

виде дистиллята – азеотроп, направляемый в разделительный

сосуд (рис. 6).

Экстрактивную ректификацию используют обычно для

разделения смесей близкокипящих компонентов,

характеризующихся низкой относительной летучестью α.

*=f(x)

¢¢

Разделение таких смесей приходится проводить в колоннах с

очень большим числом ТТ и высоким расходом пара из-за

необходимости поддерживать большое R. Однако если к

исходной смеси добавить практически нелетучий разделяющий

компонент, способный повысить α основных компонентов,

разделение можно осуществить в двух ректификационных

колоннах. На одну из верхних тарелок первой колонны подается

разделяющий агент, который растворяется в потоке флегмы и

повышает α смеси, в результате чего в виде дистиллята

выделяется ЛЛК, а в виде остатка – смесь ТЛК и разделяющего

агента. Эта смесь направляется в середину второй колонны, где,

в свою очередь, разделяется на ТЛК (дистиллят) и остаток

(разделяющий агент), который возвращается в первую колонну.

Рис. 6. Установка для азеотропной ректификации:

1 –ректификационная колонна; 2 – регенерационная колонна;

3 – дефлегматор; 4 – разделительный сосуд; Р – разделяющий

агент

1 2

Исходная

смесь

Азеотроп

ЛЛК

Азеотроп

ТЛК

Методы азеотропной и экстрактивной ректификаций

находят широкое применение для разделения близкокипящих

углеводородов нефти и сжиженных природных газов, жидких

смесей в производстве жирных кислот, получения безводного

этилового спирта и др.

Молекулярная ректификация, называемая также

многоступенчатой молекулярной дистилляцией, используется

для разделения смесей малолетучих и термически нестойких

веществ. Среди различных конструкций аппаратов для такой

ректификации практический интерес представляют аппараты

лестничного типа, принцип работы которых показан на рисунке

7. Пары, испаряясь с поверхности жидкости, например на

ступени А

, конденсируются на наклонной поверхности В

, а

образующийся конденсат стекает в смежную вышестоящую

ступень А

. Избыточное количество жидкости из ступени А

переливается в ступень А

и т.д., т.е. в аппарате осуществляется

противоток жидкости и пара.

Рис.7. Установка для молекулярной ректификации

Молекулярная ректификация реализуется в условиях

высокого вакуума (неравновесного испарения), когда большая

часть испарившихся молекул без столкновения между собой

Конденсаторы

Испарители

долетает до поверхности конденсации и остается на ней. При

расчете разделения в описанном аппарате можно применить

аналитический и графический методы, используемые для

тарельчатых аппаратов.

Из-за недостаточности данных о кинетике и механизме

разделения многокомпонентных смесей для них нельзя задать

полные составы продуктов разделения и поэтому первоначально

принятые составы приходится корректировать.

Для разделения n-компонентной смеси требуется n–1

колонн, однако число возможных вариантов технологических

схем с расчетом числа продуктов и способов их получения

увеличивается экспоненциально. На рисунке 8 показано, что для

разделения смеси компонентов ABCD, расположенных в

порядке возрастания температур кипения, возможны 5

вариантов схем деления; для смеси из 10 компонентов число

возможных схем составляет 4862.

Рис. 8. Возможные варианты схем разделения компонентов

смеси ABCD

ABCD

BCD

ABCD

BCD

ABCD

ABC

ABCD

ABC

3. РАСЧЕТ НЕПРЕРЫВНОДЕЙСТВУЮЩЕЙ

ТАРЕЛЬЧАТОЙ КОЛОННЫ

3.1. Определение мольных концентраций и

молекулярных масс исходной смеси, дистиллята и

кубового остатка

Формула для пересчета массового состава в мольный:

(9)

где х,

– мольный и массовый состав смеси соответственно;

, М

– молекулярные массы легколетучего и труднолетучего

компонентов соответственно.

Молекулярная масса:

(

)

АВ

M xM 1-xM

=×+×

(10)

3.2. Материальный баланс

По уравнениям материального баланса находим G

и G

F DW

GGG

=+ (11)

FF DD WW

Gx Gx Gx

=+ (12)

где G

– массовый расход исходной смеси, подаваемой на

разделение в колонну, т/ч; G

– массовый расход кубового

остатка, отбираемого из колонны, т/ч; G

– массовый расход

дистиллята, т/ч; х

, х

– содержание легколетучего

компонента в исходной смеси, дистилляте и кубовом остатке

соответственно в мольных долях (мольных процентах).

3.3. Определение флегмового числа

На основании опытных данных в координатах у-х строится

линия равновесия для исходной смеси при заданном давлении

(рис. 9) и кривые температур кипения и конденсации (рис. 10).

На диаграмму х-у наносим точку 1 с координатами х

, у

на кривой равновесия точку 3 с абсциссой х

(рис. 11).

Из точки 2 (пересечение диагонали квадрата у-х с

абсциссой x

) проводим через точку 3 прямую до пересечения с

осью ординат диаграммы. На оси ординат получаем отрезок,

равный B

max.

По величине этого отрезка находим минимальное

флегмовое число.

max

min

max

= (13)

Рис. 9. График зависимости

равновесных концентраций

Рис. 10. Кривые температур

кипения (1) и конденсации (2)

Для ряда значений флегмового числа, больших

минимального, находим значения отрезков В

(14)

Таблица 1

Отрезки В откладываем на диаграмме у-х (рис. 11)

соединяя верхние точки отрезков В на диаграмме с точкой 2,

получаем ряд рабочих линий верхней части колонны. Соединяя

точки 3 пересечения рабочих линий верхней части колонны с

линией x

с точкой 1, получаем ряд рабочих линий нижней

части колонны.

Рис. 11. К определению минимального флегмового числа.

Для каждого выбранного флегмового числа и значений х в

пределах заданных концентраций жидкости от x

до x

по

y=f(x)

max