- •Розділ 5. Розрахунок ректифікаційної колони.
- •5.1. Насадкова колона
- •5.1.1. Матеріальний баланс і продуктивність по дистиляту і кубовому залишку.
- •5.1.2. Визначення флегмового числа.
- •5.1.2.1. Визначають мінімальне флегмове число Rmin
- •5.1.2.2. Розраховують робоче (оптимальне) флегмове число Rопт .
- •5.1.3. Навантаження колони по рідині
- •5.1.4. Навантаження колони по парі
- •Швидкість пари і діаметр колони.
- •5.1.6. Перевірка доцільність використання обраної насадки за величиною густини зрошування
- •5.1.7. Висота шару насадки для укріплюючої і вичерпуючої частин колони.
- •5.1.8. Загальна висота насадки ректифікаційної колони.
- •5.1.9. Вибір тарілок для розприділення рідини
- •5.1.10. Гідравлічний опір колони
- •5.2. Тарілчаста колона
- •5.2.2. Необхідна кількість тарілок в колоні
- •5.2.3. Висота тарілчастої ректифікаційної колони:
- •5.2.4. Гідравлічний опір колони.
- •Повний гідравлічний опір колони розраховують за рівнянням
- •5.2.6. Виконують конструктивний розрахунок колони.
- •5.3. Приклад розрахунку сітчастої ректифікаційної колони
- •1. Матеріальний баланс і продуктивність по дистиляту та кубовому залишку.
- •2. Побудова ізобар температур кипіння і конденсації та рівноважної кривої
- •3. Визначення мінімального флегмового числа
- •4. Визначення оптимального флегмового числа
- •5. Середні масові витрати (навантаження, кг/с) по рідині для верхньої і нижньої частини колони
- •6. Визначаємо середні масові потоки пари у верхній Gв (кг/с) і нижній Gн (кг/с) частинах колони
- •7. Визначення швидкості пари і діаметра колони
- •8. Вибір типу і виконання тарілки
- •9. Визначення необхідної кількості тарілок в колоні
- •10. Визначення висоти колони:
- •11. Гідравлічний опір колони
Розділ 5. Розрахунок ректифікаційної колони.
5.1. Насадкова колона
Розрахунок насадкової ректифікаційної колони полягає у визначенні основних її геометричних розмірів – діаметра і висоти, а також гідравлічного опору. Означені параметри у значній мірі залежать від гідродинамічного режиму колони, який, в свою чергу, залежить від швидкостей і фізичних властивостей фаз, а також від типу і розмірів насадок.
Коли вибирають розміри насадкових тіл, користуються наступними міркуваннями: чим більше розмір елементів насадки, тим більше її вільний об’єм (живе січення) і вище продуктивність; але внаслідок меншої питомої поверхні ефективність крупних насадок дещо менше. Тому насадку великого розміру використовують в тому випадку, коли вимагається висока продуктивність і порівняно невисока ступінь чистоти продуктів розділення.
В ректифікаційних колонах, які працюють під атмосферним тиском, для розділення агресивних рідин, а також у тих випадках, коли не вимагається часта чистка апарату, звичайно використовують кільцеву насадку.
Перш ніж розраховувати апарат, складають принципову технологічну схему ректифікаційної установки і вибирають тип насадки.
Для визначення швидкостей потоків розрахувують навантаження по парі і рідині. З цією метою складають матеріальний баланс колони і визначають флегмове число.
5.1.1. Матеріальний баланс і продуктивність по дистиляту і кубовому залишку.
Рівняння матеріальних балансів колони мають вигляд:
GF = GD + GW; (5.1)
, (5.2)
звідки
GW = ; (5.3)
GD = GF - GW. (5.4)
У наведених рівняннях: GF, GD, GW – відповідно продуктивність колони по вихідній суміші (задана за умови проекту), дистиляту і кубовому залишку, кг/с; , , - масові концентрації вихідної суміші, дистиляту і кубового залишку
.
5.1.2. Визначення флегмового числа.
Перед тим перераховують склад фаз з масових часток в мольні за співвідношенням
, (5.5)
де МА і МВ – молекулярні маси відповідно низько киплячого і високо киплячого компонентів суміші, кг/кмоль.
Аналогічно перераховують хD і хW.
. Для суміші, яку треба розділити, з додатку 5.2 знаходять дані по рівновазі в системі „рідина – пара”.
Будують діаграми у- х (рис. 5.1) і t – х, у (рис. 5.2.). Діаграма у – х - ізобара рівноважних складів, яка називається кривою рівноваги, дозволяє визначити склад пари у*, рівноважний даному складу рідини х. Діаграма t – х, у являє собою ізобару температур кипіння і конденсації, дозволяє визначити температури кипіння рідини і конденсації пари завданого складу.
Рис. 5.1. Графік залежності Рис. 5.2. Ізобари температур
рівноважних концентрацій кипіння (1) і конденсації (2)
Визначають величину yF* - склад пари, рівноважної складу вихідної суміші xF (Рис. 5.1).
5.1.2.1. Визначають мінімальне флегмове число Rmin
. (5.8)
5.1.2.2. Розраховують робоче (оптимальне) флегмове число Rопт .
Внаслідок відсутності надійної методики оцінки Rопт, використовують наближені розрахунки, засновані на визначенні коефіцієнта надлишку флегми β = R / Rmin.
Звичайно коефіцієнт надлишку флегми, при якому досягається оптимальне флегмове число, не перевищує 1,3. Один з наближених методів розрахунку Rопт полягає в находженні такого флегмового числа, якому відповідає мінімальний добуток n(R+1), пропорційний об’єму ректифікаційної колони. Послідовність розрахунку наступна:
-
задаються довільними значеннями коефіцєнта надлишку флегми β (більше одиниці);
-
для різних значень β визначають флегмове число R = βRmіn;
-
для кожного флегмового числа, використовуючи рівняння робочої лінії укріплюючої частини колони , будують робочі лінії і графічним методом визначають число сходинок n (кількість ступенів зміни концентрацій) між робочими лініями і рівноважною (рис. 5.3);
-
визначають ряд значень добутку n(R+1);
-
будують графік залежності n(R+1) від R і визначають флегмове число, якому відповідає мінімальне значення n(R+1) (рис. 5.4).
Рис. 5.3. Розміщення робочих ліній Рис. 5.4. Визначення
на діаграмі у – х за різних значень оптимального флегмо-
флегмового числа й визначення вого числа
числа ступенів зміни концентрацій
-
(будують робочі лінії на діаграмі у – х при оптимальному флегмовому числі і графічно визначають кількість ступенів зміни концентрацій (рис. 5.5). Остання процедура використовується як один з методів для визначення теоретичної кількості тарілок при розрахунку тарільчастих колон.)
Рис. 5.5. Зображення робочих ліній при дійсному
флегмовому числі