Допущения при ректификации.

Ректификация.

Поскольку ректификация – это процесс многократного тепломассообмена (испарения и конденсации), при этом достигается высокая степень разделения однородных жидких систем на компоненты.

Этот процесс можно проиллюстрировать с помощью t-x,y диаграммы.

Нагрев исходную смесь состава температуру кипения получим находящийся в равновесии с жидкостью пар. Конденсация этого пара дает жидкость состава , обогащенную НК (). Нагрев эту жидкость до температуры кипения получим пар, конденсация которого дает жидкость с ещё большим содержанием НК состава . Проводя таким образом последовательно ряд процессов испарения и конденсации, можно получить в итоге дистиллят- практически чистый НК.

Процессы ректификации осуществляются периодически или непрерывно при различных давлениях:

1. под вакуумом - для термонеустойчивых систем (мазут, смолы)

2. под атмосферным давлением

3.под давлением (для разделения смесей являющихся газообразными при нормальных температурах).

Далее мы будем рассматривать ректификацию только при атмосферном давлении.

 

Схема непрерывно действующей ректификационной установки.

1.бак исходной смеси

2.подогревательсмеси

3.куб (испаритель)- предназначен для создания паровой фазы (кипит смесь и флегма)

4.исчерпывающая часть колонны (отгонная)

5.укрепляющая часть колонны (концентрационная)

6.деылегматор – предназначен:

а) для частичной конденсации пара (флегмы)

б) или для полной конденсации пара (флегма + дистиллят)

7.разделительный стакан

8.воздушка

9.холодильник - дистиллята

10.холодильник кубового остатка

11,12.приемные емкости продукта

13.питающая тарелка

 

Допущения при ректификации.

Для упрощения описания и расчетов процесса ректификации сделаем ряд допущений:

1.исходная смесь поступает в колонну при температуре кипения

2. на тарелке устанавливается равновесие

3. количество пара, идущее по колонне, постоянно G=const

4. жидкостной поток, в каждой части колонны, постоянен L=const

5.состав пара и жидкости в кубе одинаков

6.состав пара и жидкости в дефлегматоре постоянен

7.в колонне действует правило Трутона:

Для смеси, состоящей из n-компонентов, отношение мольной теплоты испарения (или конденсации) к абсолютной температуре кипения приближенно величина постоянная для всех компонентов системы.

Поскольку можно заключить, что и мольные теплоты испарения приблизительно равны . Отсюда следует, что при конденсации 1 кмоль ВК выделяется такое количество тепла, которого достаточно для испарения 1 кмоль НК.

Рассмотрим, как работает ректификационная установка.

Ректификационная колонна имеет цилиндрический корпус, внутри которого установлены тарелки или насадка. Снизу вверх по колонне движутся пары, поступающие из куба испарителя 3. с его помощью создается восходящий поток пара. Пары проходят через слой жидкости на нижней, первой тарелке. Суть ректификации - на каждой тарелке происходит обмен ВК на НК из расчета 1 кмоль ВК на 1 кмоль НК компонента. Из пара конденсируется и переходит в жидкость преимущественно ВК, содержание которого в поступающем на тарелку паре выше равновесного с составом жидкости на тарелке. За счет многократного контакта и обмена кмоль на кмоль паровая фаза обогащается снизу вверх НК, а жидкостная сверху вниз ВК. Верхнюю тарелку колонны пар покидает в виде почти чистого НК.

Пары конденсируются в дефлегматоре 3, получаемая жидкость в делительном стакане 7 разделяется на дистиллят и флегму, которая направляется в верхнюю тарелку колонны. Следовательно, с помощью дефлегматора в колонне создается нисходящий поток жидкости. стекая по колонне и взаимодействуя с паром, жидкость все более обогащается ВК, конденсирующимся из пара. И когда жидкость достигает нижней тарелки, она становится практически чистым ВК.

На некотором расстоянии от верха колонны к флегме присоединяется исходная смесь, которая поступает на так называемую питающую тарелку колонны, которая как бы делит колонну на 2 части:

Нижнюю - исчерпывающую, т.к. из жидкости исчерпывается НК компонент, чтобы в куб-испаритель стекла жидкость, близкая по составу к чистому ВК.

Верхнюю - укрепляющую часть, в которой пары укрепляются НК компонентом (обогащаются НК).

В дефлегматоре могут быть сконденсированы или все пары, либо только часть, соответствующая количеству флегмы.

Согласно схеме в колонну поступает кмоль/с исходной смеси, состав которой мольных долей НК. Сверху удаляется G кмоль паров, образующих после конденсации флегму и дистиллят . Снизу удаляется кмоль остатки состава мольных долей НК.

 

Материальный баланс.

-количество смеси, кубового остатка и дистиллята, кмоль/с

G- Количество пара, которое поступает в дефлегматор, кмоль/с

- количество флегмы, кмоль/с

- это концентрация НК в смеси, кубовом остатке и дистилляте, мольные доли

 

Дано:

Найти:

1)Запишем баланс по потоку:

(1)

2) баланс по НК компоненту:

(2) или после совместного решения уравнений (1) и (2):

3)баланс по пару:

(3)

Запишем материальный баланс в относительных единицах при . Для этого разделим (1) на :

и введем обозначения

- число питания

- кубовое число

- баланс по потоку

Разделим (2) на :

- баланс по НК

Разделим (3) на :

и обозначим

- флегмовое число и получим

- баланс по пару.

Например, R=5 показывает, сколько кмоль НК надо дать на орошение колонны, чтобы получить 1 кмоль продукта.

 

Уравнение рабочей линии.

1.для укрепляющей части колонны.

Берем в укрепляющей части колонны произвольное сечение с концентрациями y и x. Запишем уравнение материального баланса для элемента поверхности

Количество паровой фазы , и при , а поскольку , а , ,то можем записать, что L=R.

Запишем .

Проинтегрируем это уравнение по ходу газа до произвольного сечения укрепляющей части колонны с концентрациями НК в фазах x и y.

Проведем преобразования

, а поскольку по допущению , следовательно .

Решим относительно y и получим:

это уравнение рабочей линии для укрепляющей части колонны и имеет вид прямой y=Ax+B, где

2. Уравнение для исчерпывающей части.

Уравнение материального баланса для элементарной поверхности имеет аналогичный вид .

Количество газовой фазы G постоянно по всей колонне и тоже равно .

Количество жидкой фазы L равно:

.

Разделим на обе части уравнения:

При , получим L=F+R.

Подставим полученные выражения для паровой и жидкой фазы в первое уравнение:

(R+1)dy=-(F+R)dx

и проинтегрируем по ходу пара до произвольного сечения с содержанием НК в фазах x и y с учетом знака

Подставим и откроем скобки:

 

Выразим y и получим:

y=Ax+B, где

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: