Тепловой баланс ректификационной колонны

Составим тепловой баланс колонны непрерывного действия, изображенной на рис. 3.17.

Рис. 3.17. Схема теплового баланса ректификационной колонны.

(3.24)

приход теплоты с теплоносителем в кипятильнике,

расход теплоты с уходящим из колонны паром,

приход теплоты с исходной смесью,

расход теплоты с уходящим из колонны кубовым остатком,

приход теплоты флегмой

потери тепла в окружающую среду.

C учетом того, что

, имеем

(3.25)

Решив (3.25) относительно получим:

(3.26)

Здесь: - теплота испарения флегмы,

- теплота на испарение дистиллята,

- теплота на обогрев кубового остатка от температуры исходной смеси, до температуры остатка.

Расход греющего пара в кипятильнике определяется по формуле:

, (3.27)

где r- теплота парообразования греющего пара.

Потери тепла в окружающую среду при наличии тепловой изоляции, обычно, невелики и составляют 3-5% от полезной нагрузки кипятильника.

Расход теплоты на ректификацию велик. Поэтому необходимо предусмотреть рекуперацию части тепла.

3.5 Периодическая ректификация

Ректификационные установки периодического действия используются преимущественно в малотоннажных производствах.

Исходную смесь загружают в куб и подогревают до кипения. Образующиеся в кубе пар, поднимаясь по колонне, обогащается НК в результате контакта со стекающей вниз флегмой, которая по мере движения к кубу обогащается ВК. Пары из колонны отводится в дефлегматор, где они конденсируются (полностью или частично). Жидкость в кубе постепенно обогащается ВК, теряя НК, который уносится паром. После достижения заданного состава кубовый жидкости, что можно установить по температуре кипения, ее сливают, а в куб загружают новую порцию исходной смеси (рис.3.18)

Таким образом, колонна работает в режиме укрепляющей части, роль исчерпывающей части играет куб.

Рис.3.18. Схема установки периодической ректификации:

1 – куб – испаритель, 2 – ректификационная колонна, 3 – дефлегматор, 4 – делитель флегмы, 5 – холодильник дистиллята, 6 – сборник дистиллята, 7 – холодильник кубового остатка, 8 – сборник кубового остатка.

Периодическую ректификацию можно провести двумя способами:

- при постоянном флегмовом числе (R=const)

- при постоянном составе дистиллята (=const)

Случай R=const. Поскольку ввод питания в колонну отсутствует,то расходы жидкости и пара по высоте колонны не изменяются, что обуславливает единственную рабочую линию, соответствующую рабочей линии верхней части колонны непрерывного действия. Отличие будет заключаться в уменьшении состава дистиллята с течением времени , что приводит к параллельному переносу рабочей линии вниз для каждого последующего момента времени (рис.3.19 и рис.3.20).

Рис.3.19. Рабочие линии и линия Рис.3.20. Зависимость состава

равновесия для периодической дистиллята от состава кубовой

ректификации при R=const. жидкости.

Между рабочими линиями и линией равновесия вписываются прямоугольные треугольники, определяющие количество теоретических ступеней (тарелок).

Случай х _D = const. Количество флегмы по мере уменьшения содержания НК в кубе должно постепенно возрастать. Поэтому для проведения этого процесса требуется управляющие автоматизированные системы.

Рис.3.21. Рабочие линии и линия равно- Рис.3.22. Определение рабочего

весия для периодической ректификации флегмового числа в зависимости

при х_D = const. от состава кубовой жидкости.

На рис.3.21 рабочие линии построены для различных значений R. По этим данным строится зависимость (рис.3.22).

Установка для проведения процесса аналогична изображенной на рис.3.18. Только отпадает необходимости в нескольких сборниках дистиллята.

Зависимости и строятся на основе уравнений материального баланса.

3.6. Ректификация многокомпонентных смесей.

Если в составе многокомпонентной смеси k компонентов, то количество аппаратов для их разделения N=k-1. (с последнего аппарата снимается дистиллят и кубовый остаток). При этом каждая колонна простая (рис.3.23).

Рис.3.23. Схема установок для ректификации 3-х компонентных смесей.

Если не требуется четкого разделения исходной смеси на составляющие компоненты, а достаточно получать фракции определенного состава, то процесс можно осуществлять в одной колонне, отбирая по ее высоте нужные фракции компонентов. Такая колонна называется сложной.

Организация материальных и тепловых потоков в сложных колоннах для многокомпонентной ректификации не отличается от организации потоков для бинарных смесей. Однако летучесть компонентов составляющих смесь разная. Поэтому расчет аппаратов для разделения инокомпонентных смесей сложнее, чем для бинарных смесей.

Материальный баланс колонны по потоку:

(3.28)

по i-му компоненту:

(3.29)

Заменим из (3.28) получим:

(3.30)

Здесь ε- относительный отбор дистиллята аналогично для смеси нескольких компонентов:

(3.31)

Относительный отбор кубового остатка.

(3.32)

При этом соблюдается условие:

(3.33)

Для укрепляющей части колонны уравнение рабочей линии:

(3.34).

Для исчерпывающей части колонны

(3.35).

Уравнение теплового баланса имеет вид (3.26).

Основа расчета:

· система уравнений материального баланса;

· теплового баланса;

· уравнение равновесия.

3.7. Экстрактивная и азеотропная ректификация.

Разделение компонентов с близкими температурами кипения, относительные летучести α которых близки к 1, сопряжено со значительными трудностями. Как известно, что предельный случай. Если α невелика, то такую смесь можно разделить под вакуумом, чем меньше Р, тем больше . Экономически целесообразно использование разделяющего компонента избирательного действия.

Разделяющий компонент (РК) обладает избирательным свойством – повышает давление пара НК, в большей степени, чем давление пара ВК(рис.3.23).

Резкое увеличение облегчает разделение смеси, но влечет за собой последующий процесс разделения смеси, которые удаляются с остатком. Описанный метод называется экстрактивной ректификацией.

При экстрактивной ректификации РК должен обладать значительно меньшей летучестью, чем компоненты исходной смеси. При экстрактивной ректификации получаем чистый дистиллят.

При азеотропной ректификации РК образует азеотропную смесь с одним или несколькими компонентами исходной смеси, в виде которой он отгоняется из ректификационной колонны в качестве дистиллята. Такие РК должны быть летучими веществами. При этом ВК. (почти чистый) получают в виде кубового остатка.

Дата добавления: 2014-01-07