konspect_lectsiy-ln_lm

важеля відрізок 2-с визначає частку НКК, що перейшла у парову фазу, а відрізок 2-D визначає частку НКК, що залишилась у паровій фазі. Процеси конденсації та випаровування на тарілках, що знаходяться вище, відбуваються за подібною схемою.

Положення точок (b, c, d ...) на лініях кипіння – конденсації не є фіксованим і визначається швидкістю руху потоків (пари і рідини), швидкістю випаровування (конденсації), температурою і концентрацією компонентів у фазах, а також конструкцією тарілки.

На реальних тарілках практично ніколи не досягаються значення рівноважних концентрацій НКК у фазах. На теоретичній тарілці концентрація НКК у паровій фазі могла б досягти величини рівноважної концентрації, що визначається положенням кривої конденсації BCDEFHA.

Звичайно, описана схема роботи ректифікаційної колони є певною мірою умовною, тому що температури на сусідніх тарілках відрізняються незначною величиною, а частки випарюваної та конденсованої фаз на тарілках залежать як від властивостей компонентів суміші, масової витрати потоків і тиску в колоні, так і від конструкції та ефективності роботи контактних пристроїв.

Якщо знехтувати втратами теплоти, то можна вважати, що при конденсації n молей пари з концентрацією Y1 утворюється n молей пари –Y2 (Y2>Y1). Можливо також вважати, що мольна кількість пари, яка піднімається в колоні, постійна G = const.

Згідно правилу Трутона, для всіх рідин:

де r і Т – відповідна мольна теплота випаровування (конденсації) і абсолютна температура кипіння.

Позначимо кількість вихідної суміші, яка надходить на ректифікацію, F, кмоль, кількість утвореного дистиляту – Р, кмоль, кількість утвореного залишку – W, кмоль, відповідно хF, хP, хW – вміст легколетючого компонента у вихідній суміші, дистиляті та кубовому залишку, мольні частки.

Тоді матеріальний баланс для всієї колони запишеться:

Періодична ректифікація

Сама проста схема періодичної ректифікації наведена на (рис. 19.17).

Рис. 19.17. Схема установки для проведення періодичної ректифікації.

1 – куб-кип’ятильник, 2 – підігрівач, 3 ректифікаційна колона, 4 – дефлегматор, 5 розподільник флегми, 6 – холодильник, 7 – ємності.

Вихідну суміш періодично завантажують до куба-кип’ятильника 1, спорядженого підігрівачем 2, до якого подається насичена водяна пара. Вихідну суміш підігрівають до кипіння. Утворена парова фаза з кип’ятильника піднімається вверх по ректифікаційній колоні 3, в якій здійснюється протитечійна взаємодія цих парів з флегмою, що подається на зрошення колони 3 з

дефлегматора 4. Частина конденсату після розподільника 5 повертається в колону 3 у вигляді флегми, друга частина дистилят Р – через холодильник 6 надходить до ємності 7 у вигляді окремих фракцій. Процес ректифікації закінчується після того, як буде досягнуто задану середню концентрацію дистиляту.

Згідно схемі (рис. 19.17), в колону надходить F кмоль вихідної суміші, що містить YF кмолей леткого компонента.

Зверху з колони відводиться G кмоль парів, які після конденсації утворюють флегму і конденсат. Кількість дистилята Р, кмоль, з концентрацією xР. Флегма в кількості Ф кмолей і концентрації однакової з дистилятом xФ=xР, повертається до колони. Знизу з колони відводиться W кмоль кубового залишку з концентрацією xW.

Рівняння матеріального балансу по потокам:

F + Ф = G + W, або F = P + W, тому що G = Р + Ф. Рівняння матеріального балансу для низькокиплячого компоненту:

FxF = PxP +WxW

Якщо співвідношення рідкого потоку Ф флегми і дистиляту Р виразити як флегмове число

R = Ф/Р.

Тобто кількість рідини, яка стікає вниз по колоні:

Ф = RP.

Тоді кількість парів, які підіймаються по колоні:

G = Р + Ф = Р (R + 1).

Для частини колони, обмеженої верхнім та довільним перетином, матеріальний баланс по леткому компоненту запишеться:

PRxP + P(R+1)Y=PRx + P(R+1)Yp.

Рис. 19.18. Побудова робочої лінії процесу періодичної ректифікації

Для побудови робочої на діаграмі Y-X на вісі абсцис відкладають концентрації рідин xF, xP і xW. Враховуючи припущення, що xP=yP, з точки xP встановлюють перпендикуляр до перетину з

прямою з точкою Е. Відрізок АЕ, розташований між абсцисами хР та xW, є робочою лінією процесу. Процес періодичної ректифікації проводять двома способами:

1)при постійній концентрації дистиляту;

2)при постійному флегмовому числі.

При хР = const для збереження постійної концентрації дистиляту необхідно поступово збільшувати флегмове число R.

Збільшення флегмового числа відповідає збільшенню нахилу робочої лінії, яка послідовно займає положення АЕ, АЕ1, АЕ2, (рис. 19.19а), тому що із збільшенням R відрізок, що відтинає робочу

При R=const концентрація низькокиплячого компонента в кубі поступово зменшується від хF

до хW, (рис. 19.19б).

Рис. 19.19 Зображення робочих ліній процесу періодичної ректифікації

апри хр = const, б при R=const

Врезультаті робоча лінія переміщується паралельно своєму початковому положенню. Але при всіх положеннях робочої лінії число одиниць переносу залишається незмінним. У зв’язку з цим відповідно змінюється концентрація дистиляту.

При R=const концентрація дистиляту в будь-який момент часу може бути визначена з рівняння робочої лінії

хр(х) = y (R+1)–Rx.

Середня концентрація отриманого дистиляту з урахуванням складу рідини в кубі (х) і дистиляту хр, хр = f(x)

Кількість отриманого дистиляту відповідно з матеріальним балансом

Р = F – W,

де кількість кубового залишку W розраховується за виразом:

При цьому зв’язок між хр та х утворюється таким чином:

R

На діаграму рівноваги Y-x наноситься множина ліній з однаковим нахилом R 1 , що

відповідає постійному значенню флегмового числа, (рис. 19.20).

Потім, починаючи з точок перетину з діагоналлю діаграми, традиційним методом визначають число теоретичних ступеней, що відповідає числу теоретичних тарілок в колоні.

Точка перетину робочої лінії з діагоналлю визначає концентрацію дистиляту у відповідний момент часу, а сама нижня ступінь – склад рідини в кубі.

Визначивши декілька суміжних пар Х–Хр, Х'–Х'р, Х''–Х''р і далі для різних робочих ліній будують криву, (рис. 19.21), за якою визначають концентрації дистиляту хр, які відповідають повним концентраціям х в кубовій рідині в будь-який момент часу перегонки.

Для практичних розрахунків доцільно побудувати функціональну залежність F W f (x) ,

F

як показано на (рис. 19.22). Користуючись цією залежністю, можна знайти концентрацію Н.К. в кубовій рідині при будь-якій кількості відігнаного дистиляту.

Безперервна ректифікація

Установка безперервної ректифікації має додатково, в порівнянні з попередньою схемою, нагрівач вихідної суміші, в якому вона підігрівається до температури кипіння. Вихідна суміш подається в середню частину колони на тарілку живлення, де змішується зі стікаючою зверху флегмою. Тобто колона складається з двох частин: верхньої і нижньої.

На (рис.19.23) показано схему ректифікаційної установки безперервної дії для розділення бінарної суміші. Вихідна суміш з ємності 1 подається насосом 2 у підігрівач 3, після якого вона потрапляє на живильну тарілку колони 4. Живильна тарілка поділяє колону на дві частини – верхню (укріплювальну) і нижню (вичерпну). В укріплювальній частині висхідні пари збагачуються низькокиплячим компонентом, а у вичерпній він виділяється з рідини, що кипить (тобто по всій висоті колони пара збагачується НКК). Потік пари підтримується випаровуванням частини кубової рідини в кип’ятильнику 5, а потік низхідної рідини – поверненням частини конденсату, одержаного в дефлегматорі 6, у вигляді флегми. Конденсат після подільника конденсату 7 надходить у холодильник 10, а після нього – у збірник дистиляту (готового продукту) 9. Частина кубової рідини у вигляді кубового залишку безперервно через холодильник 8 відводиться у збірник кубового залишку 11.

В нижній частині відбувається майже повне видалення Н.К. Ця частина колони отримала назву вичерпної. Верхня частина колони називається зміцнюючою.

Куб колони може бути виносним або розміщатися під колоною. Пара, яка утворилась в кип’ятильнику, рухаючись вверх, збагачується Н.К. компонентом.

Тобто в ідеалі, чим більша концентрація В.К. в кубі колони, тим більша концентрація Н.К. в дистиляті.

У верхній частині колони пара взаємодіє зі флегмою, що стікає. Флегма містить майже чистий Н.К. таким чином, верхня частина збагачує пару летким компонентом, зміцнює її.

В нижній частині колони відбувається взаємодія пари з рідиною, яка складається із вихідної суміші і флегми, яка стікає зверху. Леткий компонент безперервно видаляється з рідини, доки не буде повністю вичерпаним. В кубі збирається рідина, яка практично містить тільки В.К.

З колони безперервної дії постійно відводяться дистилят і кубовий залишок. Живлення вихідною сумішшю здійснюється безперервно. Коливання щільності і складу дистиляту в цьому випадку можуть бути мінімальними.

Рис.19.23. Схема ректифікаційної установки безперервної дії для розділення бінарних сумішей:

1 – ємність вихідної суміші; 2 – насос; 3 – підігрівач; 4 – колона; 5 – кип’ятильник; 6 – дефлегматор; 7 – подільник конденсату; 8, 10 – холодильник; 9 – збірник дистиляту; 11 – збірник кубового залишку; І – нагрівальна пара; ІІ – конденсат нагрівальної пари; ІІІ – вихідна суміш; ІV – кубовий залишок; V – дистилят; VI

– охолоджувальна вода

Робоча лінія процесу ректифікації

Для визначення числа ступенів концентрації (числа теоретичних тарілок) необхідно побудувати робочу лінію на основі рівняння матеріального балансу.

Для побудови робочої лінії приймаємо такі припущення:

Молярні витрати парової фази по всій висоті колони є сталими G=const. Мольні теплоти випаровування компонентів є однаковими;

Склад пари, яка відводиться з верхньої тарілки до дефлегматора, дорівнює складу утвореного дистиляту yP=xP;

Склад пари, яка утворюється в кубі колони, дорівнює складу рідини, яка стікає в куб з нижньої тарілки колони, yW=xW;

Вихідна суміш надходить в колону нагрітою до температури кипіння.

Позначимо кількість дистиляту, вихідної суміші та кубового залишку через P, F i W.

Концентрацію НКК в рідині через хР, хF, хW.

Кількість кіломолей, що повертається на зрошення колони в якості флегми, позначимо Ф, кількість дистиляту Р.

Розрахунок проводимо на 1 кмоль дистиляту Р=1 тоді Ф=RP=R

FxF = WxW + xP

визначимо хР, якщо W=F – 1

хР = FxF – (F – 1)xW

Підставляючи до рівняння (19.13), одержимо

x FxF FxW xW FxW xW xF , F

Робочі лінії перетнуться в точці, яка розташована на перпендикулярі, поставленому в точці xF з робочою лінією у верхній частині колони в т. Е.

Через точки С і Е проводимо робочу лінію для нижньої частини ректифікаційної колони. Робочі лінії для всієї колони виражаються лінією АЕС. Після побудови будуємо теоретичні тарілки, розташовані між робочою лінією та кривою рівноваги.

В наведеному прикладі число теоретичних тарілок для верхньої частини колони Nв = 3. Для нижньої – Nн = 2 цілих плюс сb/ac = 0,5 дробова частина. Тобто загальне число теоретичних тарілок:

МакКеба і Тіля.

Аналіз роботи ректифікаційної колони

Визначення мінімального флегмового числа

Рис. 19.28. До визначення впливу флегмового числа на положення робочих ліній процесу

Як видно з графіка, число теоретичних тарілок суттєво залежить від положення т. Е, яке визначається флегмовим числом R. Розглянемо крайні положення точки Е в Е1 і Е2.

число теоретичних тарілок буде мінімальним Nт Nmin.

Коли Е Е2, витрати флегми є мінімальними R2 = Rmin. Вище лінії рівноваги робоча лінія не може проходити, тому що концентрація НКК в парі не може бути більшою рівноважної.

З (рис. 19.30) знаходимо мінімальне флегмове число tgα = AD/ED. З рівняння робочої лінії для верхньої частини ректифікаційної колони (19.10) tgα = R/(R+1), тобто R/(R+1)=AD/ED, визначимо відповідно відрізок AD i ED через концентрації:

AD yp yFp ; ED xp xF ; yp xp

Звідки

y y p

Rmin p F yFp xF

Але при мінімальному флегмовому числі працювати неможливо, тому що максимально збільшується число теоретичних тарілок. Для практичної реалізації процесу, дійсне флегмове число є більшим від Rmin.

Визначення дійсного флегмового числа

Дійсне флегмове число залежить від різних факторів, які вливають на експлуатаційні та реальні витрати. Із збільшенням кількості флегми збільшується об’єм пари, тобто збільшується винос рідини

і знижується продуктивність.

Розрахунок оптимального флегмового числа достатньо складний. Приблизно приймають, що дійсне флегмове число становить:

Оптимальне флегмове число можна знайти виходячи з мінімального об’єму колони, який пропорційний виразу (R+1)N. Для цього графічно знаходять число теоретичних тарілок при різних значеннях флегмового числа. Потім графічно будується залежність (R+1)N = f (R/Rmin), мінімальний екстремум якої визначає величину оптимального коефіцієнту надлишку флегми αопт.

З цієї залежності знаходять оптимальну кількість теоретичних тарілок.