Материальный и тепловой балансы ректификационной колонны

5.1.3. Материальный и тепловой балансы ректификационной колонны

Пусть, согласно схеме на рис. (1.5.), в колонну поступает F кмоль исходной смеси, состав которой х_F мол. долей НК. Сверху из колонны удаляется G кмоль паров, образующих после конденсации флегму и ди­стиллят. Количество получаемого дистил­лята Р кмоль, его состав х_P мол. долей НК. На орошение колонны возвращается флегма в количестве Ф кмоль, причем ее состав равен составу дистиллята (х_ф= x_P мол. долей). Снизу из колонны удаля­ется W кмоль остатка состава x_w мол. до­лей НК.

Тогда уравнение материального баланса колоны будет:

Ф+F = G+W. (1.14)

Поскольку G=P+Ф, то

F = P+W. (1.15.)

Соответственно по НК материальный баланс:

Fx_F = Px_P+Wx_W (1.16.)

Рис. 1.5. К составлению материального баланса ректи­фикационной колонны:

/ — колонна; 2 — куб; 3 — дефлег­матор.

Для колонны непрерывного действия с учетом потерь тепла в окружающую среду имеем:

Приход тепла Расход тепла

С теплоносителем в кипя- С парами, поступающими из

тальнике .……… Q_КИП.. колонны в дефлегматор Q_G = GI

С исходной смесью……….Q_F=Fi_F С остатком………………… Q_W =Wi_w

С флегмой ................. . Q_Ф = Фi_Ф Потери в окружающую среду Q_П

Кроме известных величин, в выражения для количеств тепла входят: I, i_F, i_ф и i_w — энтальпии соответственно паров, выходящих из колон­ны, исходной смеси, флегмы и остатка.

Таким образом, уравнение теплового баланса:

Qкип + Q_F + Q_Ф = Q_G + Q_W + Q_{П .} (1.17.)

Подставляя вместо Q их значения и учитывая, что F=Р + W, G = P(R+ 1) и Ф = PR, получим

Qкип + (Р + W)i_F + РRi_Ф = P(R+\)I + Wi_W + Q_П(1.18.)

Решая уравнение (5.18.) относительно Qкип, находим расход тепла в кипятильнике

Qкип = Р(I – i_F) + PR( I -i_Ф) + W(i_W - i_F) + Q_П ( 1.18а. )

Из уравнения теплового баланса (5.18а.) видно, что тепло, подво­димое в кипятильник, затрачивается на испарение дистиллята [Р(I—i_F)],испарение флегмы [PR(I — i_ф)], нагревание остатка до температуры ки­пения [W(i_w — i_F)], а также на компенсацию потерь тепла в окружаю­щую среду.

Флегма из дефлегматора поступает в колонну при температуре ее ки­пения. Поэтому энтальпия выходящих из колонны паров I == i_Ф + r_ф, где r_ф — теплота испарения флегмы.

Потери тепла в окружающую среду обычно выражают в долях тепла, подводимого в кипятильник, т. е. принимают Q_П = a_ПQ_кип, где при нали­чии хорошей тепловой изоляции коэффи­циент а_П = 0,03—0,05.

Делая соответствующие подстановки в уравнение (1.18а.), окончательно получим

Q_КИП=[P(I – i_F) + PRr_Ф + W(i_W - i_F)] / (1-a_П) (1.19.)

Энтальпии жидкостей, входящих в урав­нение (1.18.) и (1.19.), равны произве­дениям их мольных теплоемкостей с на тем­пературы t (в °С). Теплоемкости с и теплоты испарения для бинарных смесей вычисляют по правилу аддитивности исходя из свойств чистых компонентов А и В:

с = с_Ах+с_В(1—х)

r = r_Ах+r_В(1—х)

где х — мольная доля компонента А в смеси.

Количество тепла Q_ДЕФ, отнимаемого ох­лаждающей водой в дефлегматоре, зависит от количества конденсирующихся в нем паров. При полной конденсации паров, выходящих из колонны, находим

Q_ДЕФ = P(R+1)r_Ф = P(R+1)(I-i_Ф) (1.20.)

Уравнения рабочих линий. Для получе­ния уравнений рабочих линий воспользуем­ся общим для всех массообменных про­цессов уравнением ():

y=, (1.21)

где L и G — расходы жидкой и паровой фаз; у, х, у_а и х_к —соответственно текущие концентрации паровой и жидкой фаз и их концентрации на верхнем конце колонны .

Применяя это уравнение к процессу ректификации, выразим все вхо­дящие в него величины в мольных единицах.

Укрепляющая часть колонны. Количество жидкости (флегмы), стекаю­щей по этой части колонны

L = Ф = PR, (1.22)

где R= -флегмовое число, представляющее собой отношение количества флегмы к количеству дистиллята.

Количество паров, поднимающихся по колонне

G=P+Ф=P+PR=P(R+1), (1.23)

Для верхнего конца укрепляющей части колонны состав паров y_G=y_P и, согласно принятому выше допущению, у_р = х_р. Следовательно, в данном случае у_н = х_р.

В том же сечении колонны состав жидкости (флегмы), поступающей из дефлегматора, x_ф = х_р, т. е. х_к = х_р. Учитывая значения L, G, y_k и х_k получаем уравнение (1.24), получим

y= (1.24)

откуда

y= (1.25)

Зависимость (1.24) является уравнением рабочей ли­нии укреплящей части колонны. В этом уравнении = tg а = А — тангенс угла наклона рабочей линии к оси абсцисс, а =В — отрезок, отсекаемый рабочей линией на оси ординат диаграммы у — х (рис. 1.6).

Исчерпывающая часть колонны. Количество орошающей жидкости L' в этом части колонны больше количества флегмы Ф, стекающей по укреп­ляющей части на количество исходной смеси, поступающей на питаю­щую тарелку. Если обозначить количество питания, приходящегося на 1 кмоль дистиллята через f= F/P, то F = Pf и количество жидкости, стекающей по исчерпывающей части колонны, составит:

L = Ф + F = PR + Pf = P (R + I) (1.26)

Количество пара, проходящего через нижнюю часть колонны, равно количеству пара, поднимающегося по верхней (укрепляющей) ее части. Следовательно

G’=G=P(R+1)

Для низа колонны состав удаляющейся жидкости (остатка) х'_к = x_wи, согласно допущению, состав поступающего сюда из кипятильника пара у’_н=y_w =x_w .Подставив значения L', G', х’_к и у’_н в общее уравнение , получим

(1.27)

После приведения к общему знаменателю и сокращения подобных чле­нов находим:

(1.28)

Зависимость (1.25) представляет собой уравнение рабо­чей линии исчерпывающей части колонны. В этом уравнении = tg a' = А' —тангенс угла наклона рабочей линии к оси ординат, а = В' — отрезок, отсекаемый рабочей линией на оси абсцисс (см. рис.1.6).

Умножив числитель и знаменатель выражений для А' и А (для укре­пляющей части колонны) на количество дистиллята Р, можно заметить, что они представляют собой отношения количеств жидкой и паровой фаз, или удельный расход жидкости, орошающей данную часть колонны.

Построение рабочих линий на диаграмме у — х. Для построения рабочих линиоткладывают на оси абсцисс диаграммы (см. рис. 1.6) за­данные составы жидкостей x_w, x_f и х_р. Учитывая принятые допущения о равенстве составов пара и жидкости на концах колонны, из точки х восстанавливают вертикаль до пересечения с диагональю диаграммы в точке а с координатами у_р = х_р.

Величину R считаем известной. Откладывая на оси ординат отрезок

В= , соединяют прямой конец отрезка (точку d) с точкой а. Из точки, отвечающей заданному составу х_f, прово­дят вертикаль до пересечения с линией ad в точке b. Прямая аb — рабо­чая линия укрепляющей части колонны. Согласно допущению y_w = x_w ,из точки, соответствующей составу x_w , восстанавливают вертикаль до пересечения с диагональю диаграммы и получают точку с — конечную точку рабочей линии исчерпывающей части колонны. Соединяют точку с прямой с точкой b, принадлежащей одновременно рабочим линиям укреп­ляющей и исчерпывающей частей колонны. Прямая bc представляет собой рабочую линию исчерпывающей части колонны.

Рис. 1.6 Построение рабочих линий ректификационной колонны на у—x диаграмме.

Рабочие линии ab и bc в отличие от рабочих линий процесса абсорбции располагаются под линией равновесия. В данном случае, как уже отме­чалось, НК переходит в паровую фазу, стремящуюся к равновесию с жидкой фазой, т. е. по существу десорбируется из жидкости.

Похожие работы

Ректификация формалина-сырца

Скачать

121377

21

38

... Процесс получения формалина для одной технологической нитки состоит из следующих стадий: - получение метаноло – воздушной смеси, - синтез формальдегида -абсорбция формальдегида с получением "формалина-сырца", - ректификация "формалина-сырца". Общими для всех ниток узлами являются: -сбор и переработка некондиционных и дренируемых продуктов, -очистка газовых выбросов, -сжигание абгазов на ...

Разделение смеси бензол – циклогексан – этилбензол – н-пропилбензол экстрактивной ректификацией

Скачать

71401

16

22

... резкое изменение температуры, обусловленное скачкообразным изменением концентрации РА. [12] Постановка задачи Целью данной работы является поиск оптимальной схемы экстрактивной ректификации смеси бензол-циклогексан-этилбензол-н-пропилбензол, содержащей один бинарный азеотроп. Для этого необходимо выполнить: ·  параметрическую оптимизацию традиционных схем экстрактивной ректификации; ·  ...

Определение оптимальных рабочих параметров процесса экстрактивной ректификации смеси ацетон-хлороформ в сложной колонне с боковой секцией

Скачать

68030

11

11

... смеси на четыре продукта [17]. I – IV — продукты. 2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Целью настоящей работы является определение оптимальных рабочих параметров процесса экстрактивной ректификации смеси ацетон-хлороформ азеотропного состава в сложной колонне с боковой укрепляющей секцией. К таким параметрам относятся температура и расход разделяющего агента, тарелки подачи исходной смеси и ...

Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол

Скачать

75524

5

25

... применяют, главным образом, при ректификации спирта и жидкого воздуха (кислородные установки). Для повышения к.п.д. в ситчатых тарелках (как и в колпачковых) создают более длительный контакт между жидкостью и паром. 2. Теоретические основы расчета тарельчатых ректификационных колонн Известно два основных метода анализа работы и расчета ректификационных колонн: графоаналитический ( ...