Периодически действующие установки.

Они используются в производствах небольшого масштаба. Смесь в кубе нагревают до кипения. Ее пары поднимаются вверх, обогащаясь НК. Флегма течет сверху вниз. По температуре кипения определяется заданный состав остатка куба. В этом случае куб играет роль исчерпывающей части колонны.

 

Рис. 5.37. Схема ректификационной установки периодического действия.

 

3.4.1. Материальный баланс непрерывной ректификации бинарных смесей.

Известно два основных метода анализа работы и расчета ректификационных колонн: графический и аналитический

Графический метод.

 

Введем основные допущения:

· Молярные теплоты испарения или конденсации компонентов при одной и той же температуре приблизительно одинаковы. Отсюда следует, что при конденсации 1кмоль ВК в колонне испаряется 1кмоль НК, т.е. количество паров (в кмолях), поднимающихся по колонне постоянно;

· При испарении жидкости в кипятильнике не происходит изменения ее состава. Следовательно, состав пара, образующегося в кипятильнике, соответствует составу кубового остатка: y_W=x_W;

· Теплоты смешения компонентов разделяемой смеси равны нулю.

Кроме того, смесь, подлежащая разделению, поступает в колонну нагретая до температуры кипения на питающей тарелке.

 

 

Рис.5.38 Схемы потоков ректификационной колонны.

 

 

, x_F - поток (кмоль/с) и концентрация (молярные доли) НК в исходной смеси;

, x_P -поток и концентрация НК дистиллята;

, x_W - поток и концентрация НК кубового остатка;

, х_Ф - поток и концентрация НК флегмы;

- количество пара (кмоль/с), выходящего из колонны;

 

Материальный баланс всей колонны:

(3.15)

но , тогда получим

(3.16)

 

Материальный баланс по НК:

(3.17)

Уравнения рабочих линий.

 

Поскольку условия работы укрепляющей и исчерпывающей частей ректификационной колоны различны, поэтому материальный баланс для них рассмотрим отдельно.

Укрепляющая часть. Возьмем сечение А-А и составим материальный баланс по НК для верха этой части колонны (рис. 5.38):

(3.18)

Здесь

(3.19)

R-флегмовое число

 

Кол-во поднимающихся паров по колонне:

 

(3.20)

 

По (3.18) находим y:

(3.21)

По условию y_Р=x_Р, и меняя получим:

 

(3.22)

 

Окончательно:

(3.23)

Рис.5.39 Рабочая линия верхней

части ректификационной колонны.

Это и есть уравнение рабочей линии укрепляющей части колонны, которая является уравнением прямой линии. A-тангенс угла наклона α раб линии к оси абсцисс, B-отрезок, отсекаемой раб линией на оси ординат. Это уравнение справедливо до сечения ввода исходной смеси, т.е. до точки b, соответствующий концентрации x_F.

Исчерпывающая часть. Рассмотрим материальный баланс для низа исчерпывающей части колонны - ниже произвольного сечения В-В, где текущие концентрации НК в фазах x и y (рис. 5.38):

(3.24)

Здесь ,

, , f>1

Находим y (y_W=x_W)

(3.25) и (3.26)

 

При х=х_W, у=у_W=x_W, т.е. рабочая линия исчерпывающей части колонны проходит через точку, лежащей на диагонали с абсциссой х_W.

Положение точек a и c определены, они лежат на диагонали. Точка в пересечении линий аВ и сВ₁. Положение точки b соответствует x_F, т.е. соответствует сечению, на уровне которого подают питание в колонну.

Для определения числа теоретических ступеней изменения концентрации между рабочей и равновесной линиями строят ступень в интервале концентраций x_P-x_W. При ректификации рабочую линию располагают ниже линии равновесия.

Если флегмовое число не задано, как найти ее опт. значение?

.

Рис. 5.40 Определение R

Рис. 5.41. Определение R_опт

Если B_max, то R_min, так как х_р = const. В точке движущая сила = 0. В точке должна быть. A=A₁ и B=B₁, что возможно только при . R_min. можно найти расчетным путем. От R зависит размеры аппарата и расход теплоносителей. Следовательно капитальные и эксплуатационные затраты. Эксплуатационные затраты (расход теплоносителей) возрастают прямо пропорционально R. С увеличением R возрастает движущая сила процесса и уменьшается необходимое число теоретических ступеней. При некотором R рабочий объем колонны станет минимальным, минимальным будет стоимость колонны. Нати R_опт достаточно сложно, поэтому выбор дествительного R_d, произ0водят приближенно:

.