logo
КАСАТКИН

4. Ректификация

501

уравнение (Х,63), в случае ситчатых (переточных) и провальных тарелок справедливы соответственно уравнения (XI,65) и (XI,66) *.

В расчетной практике рабочую высоту ректификационных барботаж- ных колонн иногда находят по числу теоретических ступеней (тарелок). Расчет числа этих ступеней, как было описано ранее (см. стр. 429), сво- дится к построению «ступенек» между линией равновесия и рабочей линией. По диаграмме у—х определяют число теоретических ступеней для укрепляющей (/гт) и исчерпывающей частей колонны. Разделив величину th th — /гт на среднее значение эффективности (к. п. д.) колонны Е, в соответствии с выражением (Х,88) находят число дей- ствительных тарелок пл. Рабочая высота колонны Яр = (/гд—1) Лд, где /ц. — расстояние между тарелками.

Такой расчет отличается простотой. Однако до сих пор не получены надежные уравнения для вычисления Е, что обусловлено сложной зави- симостью к. п. д. от многих факторов, в том числе от конструкции таре-

лок и взаимного направления дви- жения фаз на них, физических свойств пара и жидкости, скорос- тей фаз, уноса жидкости паром и т. д.

На рис. XII-25 показана графи- чески зависимость величины Е от произведения относительной летуче- сти а на вязкость питания ц. (в спз).

Для расчета средней общей эф- фективности колонны с колпачко- выми или ситчатыми (с переливными устройствами) тарелками рекомен- дуется также формула:

Е = О.Шб/^'Х^РГж-143 (XI 1,25)

где FCB — свободное сечение тарелки, л2/лг; /гп — высота перелнчной планки на тарелке, м\ Ргж = v!D — критерий Прандтли для жидкости; v — кинематическая вязкость жидко­сти, м2/н; D — коэффициент диффузии в жидкости, мг/ч.

Значение Е рассчитывают отдельно для верхней и нижней частей колонны **.

Периодическая ректификация бинарных смесей

Особенность расчета периодически действующих ректификационных колонн, работающих при R = const, состоит в том, что флегмовое число и число единиц переноса (или число теоретических ступеней) определяют для начального или конечного момента процесса. Расчет выполняют обычно графическим способом (см. главу X) применительно к изменению концентраций в пределах от (хР)я до хР (для начального момента) или от (хР)к до xw (для конечного момента), причем соответствующие две граничные концентрации должны быть заданы. Принимая произвольно промежуточные значения концентраций х'Р, хР и т. д., проводят парал­

* В литературе приводятся формулы для расчета $х §у (или пх пу), отнесенных к единице площади тарелки. См., например: КасаткинА.Г.,ПлановскийА. Н., Чехов О. С., Расчеты тарельчатых ректификационных и абсорбиционных аппара­тов. М., Стандартгиз, 1961. 81 с.

** Опытные данные по эффективности тарелок различных типов для некоторых жидких смесей см.: Перри Д ж. Справочник инженера-химика. Т. 2. Л., «Химия», 1969. См. с. 29. То же по работе насадочных колонн (диаметром от 0,3 до 0,9 м), см.: Henste- beck R. J.. Distillation. N. Y., Reinhold Publ. Corp., 1961. 365 p.

Рис. XII-25. График для определения средней эффективности колонны Е в за­висимости от произведения летучести компонентов а на среднемолярную вяз­кость жидкости питания ц (в спз).

502

Гл. XII. Перегонка жидкостей

лельно друг другу соответствующие им рабочие линии (см. рис. XII-21, а). Для каждого положения рабочей линии между ней и линией равновесия строят постоянное число ступеней, определенное ранее (например, для начального момента процесса) и таким образом находят концентрации кубовой жидкости, отвечающие Хр, хР и т. д.

Количество кубовой жидкости Gw, остающейся в кубе к концу про­цесса, рассчитывают по уравнению, идентичному уравнению (XII.8) для простой перегонки, в котором у равно хР •— текущей концентрации дистиллята. При этом входящий в уравнение интеграл определяют гра­фически (см. стр. 415). При известном Gw для нахождения среднего состава дистиллята можно воспользоваться уравнением (XII,9).

Периодически действующие барботажные колонны, работающие при R = const, рассчитывают аналогично, строя кинетические кривые и определяя число действительных ступеней (тарелок) для начального или конечного момента процесса.

Расчет колонн периодического действия, работающих с получением дистиллята постоянного состава (хР = const), начинают с нахождения флегмового числа и числа единиц переноса для конечного момента про­цесса. Затем, принимая произвольно ряд меньших значений R, строят для каждого из них рабочую линию и вписывают между ней и линией равновесия число единиц переноса, определенное для конца процесса, так как это число в реальной колонне остается неизменным во времени. Далее по диаграмме у—х находят составы кубовой жидкости, соответ­ствующие принятым значениям R.

Среднее флегмовое число для всего процесса определяют методом графического интегрирования по уравнению, которое аналогично выра­жению для расчета среднего состава дистиллята (см. стр. 480):

Для барботажных колонн, работающих периодически при паconst, расчет начинают с построения кинетической кривой и определения числа действительных ступеней (тарелок) лд для конечного момента процесса. Затем строят кинетические кривые, задаваясь меньшими значениями R, и из условия /гд = const находят составы жидкости в кубе.

В рассмотренном выше (стр. 485 сл.) расчете числа теоретических ступеней с помощью у—^-диаграммы допускалось равенство мольных теплот испарения компонентов и вытека­ющее отсюда постоянство количеств пара и жидкости по высоте ректификационной колонны. Для того чтобы это допущение соблюдалось, материальные расчеты надо проводить, выра­жая все величины в киломолях или в мольных процентах, что связано с необходимостью пересчета весовых единиц в мольные. Кроме того, при расчете по диаграмме у—х не учиты­ваются количества тепла, подводимого или отнимаемого при ректификации.

Расчет ректификационных аппаратов с помощью диаграммы Iх—у (энтальпия—состав) свободен от этих недостатков. По указанной диаграмме можно установить картину изменения составов и количеств фаз, а также количеств передаваемого тепла для отдельных ступеней и колонны в целом. Пользуясь энтальпийной диаграммой, определяют число требуемых для осуществления процесса теоретических ступеней, действительных ступеней (при известном к. п. д. ступени), расход тепла в кипятильнике, количество тепла, отводимого из дефлег­матора, и т. д.

Расчет удобно проводить, применяя совместно диаграммы энтальпия—состав (/—ху) н температура—состав (tху). На рис. XII-26 показаны диаграмма Iх—у (сверху) и диаграмма t—x—y (снизу), построенные для бинарной смеси компонентов А и В. На осн абсцисс диаграмм отложены составы фаз (по НК), на оси ординат Iх—г/-диаграммы — энтальпии (при р — const), на оси ординат tх—г/-диаграммы — температуры t жидкой и паровой фаз.

Ординаты нижней пограничной кривой аЬ энтальпийной диаграммы (линии кипения) выражают энтальпии кипящей жидкости смесн, а ординаты верхней пограничной кривой cd

(XI 1,26)

Расчет ректификиции бинарных смесей при помощи энтальпийной диаграммы

4. Ректификация

503

(линии конденсации) — энтальпии насыщенного пара. Между линиями аЬ и cd находится двухфазная область влажного пара. Разности ординат точек на линиях ab и ей, отвечающих жидкой смеси данного состава х, равны ее теплоте испарения. Например, для смеси состава xt теплота испарения г выражается отрезком eLv Отрезки ас и bd равны соответственно теплотам испарения чистых компонентов г а и г в-

Из диаграммы tх—у видно, что с жидкой смесью состава хг, кипящей при темпера- туре tt, находится в равновесии пар состава уг. Проводя вертикали до пересечения с соот-

ветствующими граничными линиями диа- граммы Iху, найдем, что энтальпия жидкой смеси определяется ординатой точки Llt а энтальпия равновесного пара — ординатой точки Vt. Прямая LiYi, соединяющая точки, которые ха- рактеризуют составы и энтальпии равно- весных фаз при t = const, представляет собой изотерму, называемую к о н о д о й.

Любая точка на коноде, например точка Af, делит ее в соответствии с правилом рычага (см. стр. 525) на отрезки, про- порциональные долям пара <р и жидкости (1 — ф). Соответственно доля пара <р опре- деляется из соотношения

<р =

Ч

ЦУі Уіхі

Рис. ХП-26. Расчет ректификации бинарных смесей с помощью диаграмм /—х—у (сверху) н х—у (снизу).

Изображение процесса ректи- фикации на диаграмме I—ху основывается на уравнениях ма- териального и теплового балан- сов. Так, при выражении вели-

чин б, Р и Ф в весовых количествах для любого сечения укрепляющей

части колонны количество поднимающегося пара в = вР + в,

Согласно общему уравнению материального баланса

О

  • Оф = Gp = const

(А)

и материальному балансу по НК Для каждого сечения колонны

GyG0x = GpXp = const (Б)

Разделив уравнение (Б) на (А), найдем состав дистиллята по НК (в вес. %):

Gy G^x

(XII,27)

G—G

ф

■■ х

р = const

Уравнение теплового баланса для той же части колонны:

GIG і = G 0і п— <

Ф Ф Р Р

(В)

где /, и іф — энтальпии паров, дистиллята и флегмы соответственно; С}л — тепло, отво­димое в дефлегматоре.

Разделив уравнение (В) на (А), получим

GI-

  • GA.

ф ф

-G„

‘р + ‘?д

= /Л= const

(XII,28)

где <Зд/<2р — тепло, отводимое в дефлегматоре на 1 кг дистиллята.

Из уравнений (XII,27) и (Х1Г,28) следует, что на диаграмме (см. рис. ХІІ-26) имеется определенная точка П с координатами хР и 1П =

  • 1Р + (7Д. Эта точка называется верхним полюсом. При соеди­нении полюса П с точкой, отвечающей некоторому составу смеси на линии кипения (например, с точкой полученная прямая пересекает кривую конденсации в сопряженной точке Vі, выражающей состав равновес­ного пара для того же сечения колонны.


Г 04

Гл. XII. Перегонка жидкостей

Отношение отрезков ПУ1/ПЬ1 выражает отношение количества сте­кающей жидкости (флегмы) к количеству пара, поднимающегося в любом сечении колонны. Действительно, из уравнения (ХП,27)

Gy-

откуда

Gx = Gx0 Ф г

°фхр

ХРУ

Вместе с тем из подобия треугольников IJVXV и ЯL1L следует:

пуг _ УтУ

nL\ LXL

-Уг

Gc

Соответственно отношение отрезков nV-jViLi выражает отношение количества флегмы к количеству дистиллята, т. е. флегмовое число R.

Аналогично из материального и теплового балансов для исчерпывающей части колонны можно показать, что для нее также имеется на диаграмме некоторая постоянная точка Ли (нижний полю с) с координатами xw и iwqw, где iw— энтальпия остатка, a q^ — тепло, подводимое в кипятильнике на 1 кг дистиллята. Этот полюс обладает такими же свой- ствами, как и верхний полюс. Любой

/7у| луч, проведенный из него, пересекает

линии кипения и конденсапин в точ- ках, соответствующих сопряженным составам жидкости и пара в некотором сечении исчерпывающей части колон- ны, а отношение отрезков луча от точки П' до линий кипения и кон- денсации равно отношению количеств флегмы и паров.

Графический расчет числа ступе- ней с помощью /—х—{/-диаграммы показан на рис. XII-27. Принимая, что исходная смесь вводится в колонну нагретой до температуры кипения и имеет состав xf, строят изотерму l0v0 на tх— {/-диаграмме. Восстанавливая перпендикуляры, переносят точки /0 и «о на диаграмму /—ху, где полу- чают коноду LtV0. Продолжая прямую LiV0 до пересечения с вертикалью, отвечающей заданному составу дистил- лята Хп— const, находят положение по- люса Я0, соответствующего минималь- ному'- флегмовому числу, и следова- тельно бесконечно большому числу ступеней (V^njLiVo — отношение ми- нимального количества флегмы к коли- честву дистиллята). Принимая коэффи- циент избытка флегмы Рд и определяя действительное флегмовое число, пере- мещают полюс соответственно по вер- тикали вверх в точку Я у. Проводя луч nyLlt продолжают его до пересечения с вертикалью, отвечающей заданному составу остатка xw = const. Точка пересечения Я„ является полюсом ис- черпывающей части колонны.

Прямая ЯИЯУ, соединяющая по- люсы и называемая главной

пересекает линию конденсации в точке Vi- Эту точку сносят на tху-диа-

Рис. ХП-27. К расчету ректификационной ко­лонны с помощью энтальпийной диаграммы.

прямой,

грамму, где получают точку о1. Проводят изотерму V111 и из точки 1г восстанавливают вертикаль до линии кипения для определения положения точки Ьг. Проводя луч ПИ

и

V.

продолжая его до линии конденсации, получают точку Vг и находят по ней точку

Затем наносят изотерму v2l^, получают точку Ь3, проводят луч Яи£-3 и т. д.

Подобное построение ведут до тех пор, пока не получат изотерму 13х>3, соответствующую самой нижней ступени (над кипятильником). Следующая изотерма /4и4 отражает процесс исчерпывания в кипятильнике, эквивалентный одной ступени. Таким образом, в исчерпы­вающей части колонны (с учетом кипятильника) число необходимых теоретических ступеней равно четырем.

4. Ректификация

505

Аналогично находят число ступеней в укрепляющей части колонны, начав построение сточки К0 и проводя изотерму затем определяют положения точек и У[ и т. д. Самая верхняя ступень колонны соответствует изотерме /3и3, а процесс укрепления в дефлегма­торе—изотерме Следовательно, в укрепляющей части колонны надо иметь три теорети­ческие ступени.

Отображение на диаграмме процесса, происходящего на любой ступени колонны, рас­смотрим на примере ступени, соответствующей йзотерме 12о'2. Взаимодействие пара, подни­мающегося с нижележащей ступени (точка 1/х), с жидкостью, стекающей с вышерасположен- ной ступени (точка 13), приводит к частичной конденсации пара, изображаемой на диаграмме £—х—у вертикальным отрезком и частичному испарению жидкости (отрезок 1'3а). В ре­зультате получается пар состава, соответствующего точке о2, и жидкость состава, отвечаю­щего 12. Отношение количеств пара и жидкости, получаемых при частичной конденсации, характеризуется отношением отрезков 12Ь, а при частичном испарении жидкости — отноше­нием отрезков I а и аУ}. Количество пара, поднимающегося с нижележащей ступени (точка У{), пропорционально длине луча ПуЬ2, а количество получаемого дистиллята — отрезку Количество жидкости, стекающей с вышерасположенной тарелкн (точка у, пропорционально длине луча ПуЬ3, количество флегмы —отрезку ПуУ2, количество дистил­лята — отрезку У2Ь3.

На диаграмме отображаются также весовые потоки для кипятильника и дефлегматора. Отрезок v^n пропорционален количеству остатка, а 1гп — количеству пара, поднимающегося из кипятильника. Соответственно отрезок пропорционален количеству флегмы, а отре­зок /4т — количеству дистиллята.

Расход тепла в кипятильнике равен где — удельный расход тепла в нем,

определяемый отрезком /7ИП, а количество тепла, отводимого в дефлегматоре, равно йрдр> где — соответствует отрезку Пу1.

Точка на главной прямой характеризует состав жидкой смеси, поступающей на пи­тающую тарелку, а точка Уг — состав поднимающихся с нее паров.

При построении числа действительных ступеней необходимо учитывать к. п. д. ступени. Так, для укрепляющей части колонны при т] = 0,5 делят изотерму 10аа на равные отрезки и получают точку о01 (см. рис. XI1-27). Она показывает действительный состав пара, полу­чаемый на ступени, укрепляющее действие которой составляет лишь половину от макси­мально возможного.

Далее аналогично расчету числа теоретических ступеней переносят на диаграмму Iх—у точки /0 и о01. Продолжая таким же образом построение с учетом к. п. д. ступени, находят действительное число ступеней разделения.

Ректификация многокомпонентных смесей

Большинство разделяемых в промышленности смесей содержит более двух компонентов. Однако в ряде случаев смеси состоят в основном из двух компонентов, концентрации же остальных компонентов очень малы по сравнению с содержанием двух основных'. Учитывая это, подобные смеси можно рассматривать как бинарные. Если же такое допущение невозможно, задача расчета многокомпонентных смесей значительно усложняется. При этом следует отметить, что методы расчета ректифика­ции указанных смесей еще не так разработаны, как теория и расчет раз­деления бинарных смесей.

При расчете процесса ректификации многокомпонентной смеси тре­буется определить диаметр аппарата, число единиц переноса (ступеней разделения), необходимое для осуществления заданного разделения, флегмовое число, распределение температур, потоков и концентраций компонентов по высоте колонны, тепловые нагрузки дефлегматора и кипятильника, а также установить место оптимального ввода питания в колонну.

Все существующие методы расчета ректификации многокомпонентных смесей можно разделить на точные и приближенные. Ввиду недостаточности данных о кинетике процесса массообмена при много­компонентной ректификации расчет проводят обычно по числу теоретиче­

506

Гл. XII. Перегонка жидкостей

ских ступеней разделения, или теоретических тарелок. Точные методы предусматривают расчет от ступени к ступени исходя из допу­щения, что разделяемая смесь является идеальной. Приближен­ные методы основаны на сведении многокомпонентной смеси к би­нарной.

Точные методы заключаются в решении различными способами системы уравнений материального и теплового балансов, а также уравнений тер­модинамического равновесия для каждой ступени, причем расчет выпол­няется последовательно от ступени к ступени. Решение получаемой системы нелинейных алгебраических уравнений высокого порядка (число их пропорционально числу компонентов разделяемой смеси и числу сту­пеней) является весьма трудоемкой задачей и поэтому требует примене­ния электронно-вычислительных машин (ЭВМ).

Решение таких задач проводят методом последовательных приближе­ний (итераций). В связи с этим очень важное значение имеет выбор неза­висимых переменных и исходных данных для начального приближения, а также критерия сходимости, определяющего направление итераций.

Известны два способа расчета от ступени к ступени, отличающихся выбираемыми независимыми переменными: Льюиса и Матисона (незави­симые переменные — составы продуктов разделения) и Тиле и Геддеса (независимые переменные — температуры на каждой теоретической сту­пени).

Остальные величины, которые должны быть заданы для решения системы, например количество и состав питания, флегмовое число и т. д., являются уже зависимыми переменными. Только в этом случае обеспечи­вается однозначное решение системы нелинейных алгебраических урав­нений, описывающих процесс разделения. Чем сложнее процесс ректифи­кации многокомпонентной смеси (несколько вводов питания в колонну и выводов продуктов разделения), тем больше число зависимых пере­менных.

Разнообразие предложенных методов расчета ректификации (а также абсорбции) многокомпонентных смесей от ступени к ступени связано в основном со вторым условием решения уравнений методом последова­тельных приближений — выбором начальных данных и критерия сходи­мости задачи. Однако ввиду многообразия разделяемых смесей и боль­шого различия их свойств ни один из методов решения нельзя считать универсальным.

Точные методы расчета многокомпонентной ректификации описаны в специальной литературе *.

Прн использовании приближенных методов расчета разделяемая многокомпонентная смесь рассматривается условно как бинарная, составляющая из легкого и тяже» лого ключевых компонентов (ЛКК и ТКК).

Если принять сумму количеств ключевых компонентов за 100%, то содержание каж­дого из них в эквивалентной бинарной смеси характеризуется эффективной концентрацией ключевого компонента. При расчете эффективных концентраций все другие компоненты исходной смеси, имеющие летучести, близкие к летучестям ключевых компонентов, объеди-

хр,

няются с последними. В ЛКК включают все компоненты, для которых 1 <3 =-<3100,

хХР1

а в ТКК — все компоненты с соотношением 1 Г> хр{ >> 0,01, где хр1 и хш1 —содержание

хчп

1-го компонента соответственно в дистилляте и в остатке, кмоль/сек. Два компонента, полу­чаемых в результате такой группировки, носят название эффективных ключевых компо­нентов.

Сравнительный анализ различных методов расчета многокомпонентной ректификации, показал **, что, кроме трудоемких точных методов «от ступени к_ступени», наиболее точные

* См., например: Багатуров С. А. Теория и расчет перегонки и ректификации. М., Гостоптехиздат, 1961. 436 с.; Холланд Ч. Д. Многокомпонентная ректификация. Пер. с англ. М., «Химия», 1969. 348 с.

** Платонов В. М., Б е р г о Б. Г. Разделение многокомпонентных смесей. М., «Химия», 1965. 368 с.

4. Ректификация

507

результаты дает графоаналитический метод Хенстебека *, который может быть рекомендо­ван для практических расчетов.

Ниже приводится приближенный вариант расчета по Хенстебеку. Этот метод в большинстве случаев дает результаты, мало отличающиеся от получаемых по точному методу, разработанному тем же автором.

Материальный баланс. Если опытные данные о составе дистиллята при заданном составе исходной смеси (питания) отсутствуют, то в основу материальных расчетов при работе колонны с флегмовым числом, суще­ственно отличающимся от минимального, может быть положена прибли­женная зависимость

где хр1 и х\Р1 — содержание данного (ё-го) компонента соответственно в дистилляте и в ос­татке, кмоль/сек; <Я[ — относительная летучесть того же компонента при средней температуре между верхом и низом колонны; С — константа.

Учитывая, что для практических целей распределение двух ключевых компонентов определяет протекание процесса в целом, выбирают легкий (ЛКК) и тяжелый (ТКК) ключевые компоненты разделяемой смеси. Для удобства расчета относительную летучесть считают по отношению

На основании уравнения (XII,29) принимая соотношение содержаний ЛКК и ТКК в дистилляте и остатке хр^хуц проводят на графике зависимости хрс1х\ц/с'ог ац (рнс. ХП-28) через точки, соответствующие этим компонентам, прямую лннню. Пользуясь полученной линейной зависимостью, по известным величинам а,- для остальных (неключевых) компонен­тов находят отношения их содержаний в дистилляте и остатке. Зная эти отношения, по урав­нению материального баланса для каждого компонента вычисляют его содержание в дистил­ляте и остатке:

Отсюда при заданных величинах Р, хр1, Р и й7 и определенном отношении хр^хуус нахо­дят гц7(, а затем хРс-

Определение флегмового числа. Минимальное флегмовое число при многокомпонентной ректификации может быть рассчитано по методу Андервуда. Исходя из допущения, что флег­мовое число и относительные летучести компонентов не изменяются по высоте колонны, Ятщ определяют с помошью системы уравнений

где а/ — относительная летучесть данного компонента при температуре питания (рассчиты­вается по отношению к наименее летучему компоненту питания); хр(, хр{ —содержание того же компонента соответственно в питании и дистилляте, мол. доли; ор — доля питания, поступающего в парообразном состоянии (если все питание подается в виде жидкой смеси, то о^=0); со — условная относительная летучесть, имеющая промежуточное значение между относительными летучестями ключевых компонентов и определяемая подбором.

Вычислив /?шт и задаваясь коэффициентом избытка флегмы [Зд, находят действитель­ное флегмовое ЧИСЛО /?д.

* Подробно см.: Hengstebeck R. J. Distillation. N. Y. Reinhold Publ. Corp., 1961. 365 s.; Рейхсфельд В. О. Ep ков а Л. Н. Оборудование производств основного органического синтеза и синтетических каучуков. М.—Л., «Химия», 1965, См. с. 526 сл.

Ig = Сщ -J- const

(XI 1,29)

к ТКК.

?ХР1 — Pxpi "Ь

или

х~. хв>

F-£L = р -EL + W

XWi XWi

(XII,ЗО)

(XII,ЗІ)

и

(XI 1,32)

508

Гл. XII. Перегонка жидкостей

Расчет числа теоретических ступеней разделения. Принимается, что разделяемая смесь состоит из легкого и тяжелого ключевых компонентов.

Относительные летучести аэф эффективных ключевых компонентов определяют по отно- шению их концентраций в дистилляте и остатке хр$!х\у/, эф'(см. рис. ХН-28). На рисунке это отношение для тяжелого компонента обозначено индексом «т», а для легкого — индек- сом «л».

Число теоретических ступеней разделения находят, как для бинарных смесей, построе- нием на диаграмме ух. На оси абсцисс откладывают величины (хэф)л эффективной 'концен- трации ЛКК в жидкости, а на оси ординат — величины эф)л эффективной концентрации того же компонента в паре.

Для определения числа теоретических ступеней обычным графическим методом (см. стр. 429) предварительно проводят построение линии равновесия и эффективных рабочих линий для укрепляющей и исчерпывающей частей колонны.

Построение линии равновесия. В том случае, если относительная летучесть эффек- тивного ЛКК (по эффективному ТКК) изменяется по высоте колонны не более чем на 10%, то с достаточной для технических расчетов точностью линию равновесия можно построить

по средней относительной летучести а, пользуясь уравнением (XII,3) для бинарных смесей, в ко- тором у = г/эф и х — *эф, т. е. концентрации соответствуют эффективным концентрациям фаз.

П+Ш

Ш

в

Рис. ХП-28. К составлению мате­риального баланса процесса мно­гокомпонентной ректификации.

Рис. XI1-29. Действительное (а) и прибли­женное (б, в) распределение концентраций компонентов I—IV по высоте колонны.

Переменные значения а должны учитываться при изменении относительной летучести более чем на 10% от верха до низа колонны. В этом случае для достаточно точного построе­ния кривой равновесия необходимо определить равновесные составы фаз по всем компонен­там или полные составы пара и жидкости для двух—трех точек у краев равновесной линии (где она ближе к диагонали диаграммы ух) и одной точки, лежащей вблизи ввода питания. Расчет составов фаз в этих точках проводят отдельно для укрепляющей и исчерпывающей частей колонны.

При определении полных составов пара и жидкости в указанных выше точках исполь­зуют следующие, установленные опытом (рис. XII-29, а) важные закономерности распределе­ния компонентов по высоте колонны:

  1. Выше точки ввода питания, т. е. в укрепляющей части колонны, содержание компо­нентов, более летучих, чем ЛКК, примерно постоянно и изменяется только у верхнего конца колонны (компонент /, рис. XII-29, а). Вместе с тем, содержание компонентов, менее летучих, чем ТКК, настолько быстро уменьшается выше точки ввода питания (компонент /К, рис. XI1-29, а), что их концентрацией в укрепляющей части колонны можно прене­бречь.

  2. Ниже точки ввода питания (в исчерпывающей части колонны) содержание компонен­тов, менее летучих, чем ТКК, практически постоянно и заметно изменяется только у нижнего конца колонны. В этой же части колонны концентрация компонентов более легких, чем ЛКК, ниже точки ввода питания быстро стремится к нулю, и ею можно пренебречь.

Приближенно распределение компонентов по высоте колонны представлено на рис. XII-29, б ив.

Определение точек линии равновесия у верха колонны. Допускается, что компо­ненты более легкие, чем ключевые, движутся с предельными скоростями* а компоненты более тяжелые, чем ключевые, отсутствуют. Нумерацию ступеней разделения ведут сверху вниз, считая от первой ступени сверху колонны.

Пусть количество данного компонента в жидкости, покидающей п-ую тарелку в укреп­ляющей части колонны, равио 1п, а количество того же компонента в парах, поднимающихся с этой ступени, составляет vn. Если обозначить общее количество жидкости в укрепляющей части колонны через L, а общее количество пара в той же части колонны через V, т. е. счи­тать их постоянными, то концентрация жидкой фазы по данному компоненту хаln/L, а концентрация паровой фазы уп ~ vn/V.

Для теоретической ступени эти концентрации связаны равновесной зависимостью

УпКпхп

4. Ректификация

509

или

2л. = Кп1п. (ХП.ЗЗ)

где Кп — константа фазового равновесия для данного компонента (при температуре на п-ой ступени и давлении процесса ректификации).

Если принять, что в дистилляте данный компонент содержится в количестве й и с выше- расположенной п — 1-ой ступени на п-ую ступень поступает с потоком жидкости данный компонент в количестве 1п-х, то согласно материальному балансу

°п = ^Л-1 + Л

Учитывая, что I = РЯ и V — Р (Я + 1), где Р — количество дистиллята, подстав- лян» значения ип, Ь » V в уравнение (XII,33) и решают его относительно 1п. Тогда

I __ 1п+1 + Л I _ (1п + <1) Я

п Кп V Кп(Я + 1) (XI 1,34)

Температуру на ступени от которой зависит величина Кп, определяют подбором.

У о

Правильно выбранной температуре соответствует равенство: 2 =

Кп

Расчет ведут, начиная от первой теоретической ступени (для которой количество дан­ного компонента, поступающее с флегмой, 1а= йЯ), последовательно для всех ступеней укрепляющей части колонны. При этом, учитывая только эффективные ключевые компо­ненты, находят эффективные концентрации ЛКК (обозначенные ниже верхним индексом «л») в парах и в жидкости. Эти концентрации для га-ой тарелки: в жидкой фазе

в паровой фазе

(Х11,35)

1п * 1п

где величины с верхним индексом «т» относятся К ТКК.

Определение точек линии равновесия у ииза колонны. В нижней (исчерпывающей) части компоненты более тяжелые, чем ключевые,' движутся с предельными скоростями, а компоненты более легкие, чем ЛКК, можно считать отсутствующими.

Обозначая все величины для этой части колонны верхним индексом «штрих» и нумеруя ступени снизу вверх, аналогично предыдущему составим материальный баланс для произ­вольно выбранной от-ой ступени.

Пусть количество данного компонента в остатке равно ш и 17 — мольная доля жидкости в питании (если на питание подается жидкая смесь, то 17 = 1). На т-ую ступень с нижерас­положенной — 1)-ой ступени поступает с потоком пара данный компонент в количестве о'т_1. Тогда количество / данного компонента в жидкости, покидающей т-ую тарелку, составляет:

4 = "т-1 + и>

Общее количество пара в исчерпывающей части колонны

Г = Р(Я+ 1) + А(1-?)

и общее количество жидкости в ней

и = Ря + рч

Равновесная зависимость между составами фаз по аналогии с уравнением (XII,33) имеет вид:

с (хп,37)

где Кт — константа фазового равновесия данного компонента (при температуре на /л-ой тарелке н давлении процесса ректификации).

Подставляя в уравнение (XII,37) значения V', V и 1т, получим

0ст = Кт .т±р^ -п}- й (0;_г+Ю) (XII. 38)

Температура на от-ой ступени , также определяется подбором исходя из условия соблюдения равенства: ^ 1т = ^ К„Лт. Расчет ведут последовательно, начиная от кипя­

510

Гл. XII. Перегонка жидкостей

тильника, причем количество паров, поднимающихся из него на первую (нижнюю) ступень исчерпывающей части колонны, равно:

*0 = У'уа = [Р (Я + 1) - (1 - ?)] уи

Мольная доля данного компонента в парах, поднимающихся из кипятильника, ут =

' = КтХт, где хт — его мольная доля в жидкости, находяшейся в кипятильнике, и Кш — константа фазового равновесия, соответствующая температуре кипения жидкости в кипя- тильнике.

Эффективные концентрации ЛКК для т-ой тарелки: в жидкой фазе

1Л о'л , 4-

т т—1 '

^ л 4. ; т цл _!_ _1_ у т , 4-ш" т ~ ‘и т—1 | ш ит—1 ~

х'= , т , = (XII,39)

Эф 1 л • « т — Л Л I 'т . и \ /

где wT — количество ТКК в жидкости в кипятильнике;

в паровой фазе

(ХП40)

тит

Определение точек линии равновесия вблизи ввода питания. Эти точки находят ниже и выше точки ввода питания для зоны постоянных концентраций в каждой части ко­лонны.

Укрепляющая часть колонны. В соответствии с принятыми выше допущениями для всех компонентов, более легких, чем ЛКК, In-1 = = I = const. Содержанием компонентов, менее летучих, чем ТКК, можно пренебречь. Подставляя это значение в уравнение (XII,34), определяют количество в жидкости любого компонента с постоянной концентрацией

/ -f- d L Кп ' V

. откуда, полагая Кп — К, находят

  1. = —£ (ХП.41)

1

Константы фазового равновесия К компонентов следует брать для температуры, прн которой соответствующая константа для тяжелого ключевого компонента К? «=* Ь/У.

Если обозначить суммарное количество в жидкости более легких компонентов, чем ЛКК, в этой части колонны через 2 к, а константу равновесия каждого такого компонента — через К.1, то количества ключевых компонентов находят с помощью уравнений:

+ Ь + 2 к — 1пКл + /т + 2 (XI 1,42)

и

гл + /т = ^-2> (XII,43)

где Кл — константа фазового равновесия ЛКК.

Эффективные концентрации ЛКК выражаются зависимостями: в жидкой фазе

^=ТТГ <ХП,44)

*л *т* *т

в паровой фазе

^“ттгхттг (ХП-45)

*T*VP

Связь между эффективными концентрациями определяется уравнением равновесия (XII,4), в котором а — относительная летучесть ЛКК по отношению к ТКК.

Исчерпывающая часть колонны. По аналогии с выводом для укрепляющей части колонны находят количество в парах каждого из компонентов с постоянной концентрацией:

= (X 11,46)

... 1

УК'

Константы фазового равновесия должны определяться для температуры, при которой соответствующая константа для легкого ключевого компонента Ка = Ь IV ,

4. Ректификация

Количества ключевых компонентов в парах определяют из уравнений:

< + = + (XII,47)

л % К(

я

г’л+',т=^-Е^ (XII,48)

где V’ — общее количество паров; V. — суммарное количество в парах компонентов более тяжелых, чем ТКК.

Эффективные концентрации ЛКК выражаются следующими отношениями:

в жидкой фазе

в паровой фазе

V /к'

Хэф= (XII,49)

°л/^л ит/^®

УэФ = -Д-7- (XII,50)

По эффективным концентрациям ЛКК, рассчитанным для всех выбранных точек в обеих частях колонны, строят линию равновесия на диаграмме ух.

Построение эффективных рабочих линий. Чтобы построить рабочие линии, опре­деляют скорости потоков жидкости и пара для эффективных ключевых компонентов в каж­дой из частей колонны.

Для укрепляющей части можно записать:

^-эф = £ и

Эффективная концентрация ЛКК в дистилляте:

«Р.*-ЯТX (ХП'51)

Рабочая линия представляет собой прямую, которая проходит через точку пересечения вертикали, проведенной из точки (хр, эф) на оси абсцисс у—^-диаграммы, с ее диагональю; тангенс угла наклона прямой равен ^эф/Кэф.

Для исчерпывающей части можно записать:

^эф ~ ^ ~ 2 = ^ ~

Эффективная концентрация ЛКК в остатке:

*ю.эф = (XI 1,52)

** в»л + шТ 4

Таким образом, рабочая линия исчерпывающей части колонны проходит через точку на диагонали диаграммы у—х, имеющую абсциссу ха>1 Эф; тангенс угла наклона прямой равен ^ф/^ф.

Построение числа теоретических ступеней. Число необходимых теоретических ступеней определяют обычным графическим способом, вписывая «ступеньки» между равно­весной и рабочими линиями в пределах известных эффективных концентраций дистиллята и остатка.

Расчет многокомпонентной ректификации иа электронных вычислительных маши­нах. Как указывалось, расчет ректификации многокомпонентных смесей наиболее точными методами значительно облегчается при использовании ЭВМ, все шире применяемых для расчета, анализа и оптимизации процессов разделения. Использование машин позволяет достигнуть большой скорости вычислений при высокой их точности. Для расчетов приме­няют как цифровые, так и аналоговые вычислительные машины. Последние более просты н обычно работают как электрическая модель, в которой изменению того или иного параметра ректификации соответствует изменение напряжения тока. Машинный расчет складывается из подготовки исходных данных и составления системы уравнений, необходимых для рас­чета (эта часть задачи обычно выполняется химиками-технологами) й перевода намеченной схемы расчета на язык машины, т. е. собственно программирования. Методы расчета много­компонентной ректификации на вычислительных машинах рассмотрены в специальной литературе *.

* См., например: Кафаров В. В. Основы массопередачи. Изд. 2-е. М., «Высшая школа», 1972, 494 с.; П л а т о н о в В. М., Б е р г о Б. Г. Разделение многокомпонентных смесей. М., «Химия», 1965. 368 с.; Машинный расчет парожидкостного равновесия многоком­понентных смесей. Пер. 9 англ. М., «Химия», 1971, 215 с.

512

Гл. XII. Перегонка жидкостей

  1. Yandex.RTB R-A-252273-3
    Yandex.RTB R-A-252273-4