Определение минимального и рабочего флегмовых чисел

РАСЧЕТ ТАРЕЛЬЧАТОЙ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ

Принципиальная схема установки.

В зависимости от состава исходной смеси возможны различные способы обогрева колонны насыщенным водяным паром. В данной установке высококипящим компонентом смеси является вода, чаще всего водяной пар, с помощью которого подводится теплота в процесс, подается непосредственно в колонну под нижнюю тарелку и называется острым паром.

Принципиальная схема ректификационной установки непрерывного действия для разделения бинарной смеси

1 - ёмкость исходной смеси;

2,9 - насосы;

3 - теплообменник – подогреватель;

4 - ректификационная колонна тарельчатого типа;

5 - дефлегматор;

6 - делитель;

7 - холодильник дистиллята;

8 - ёмкость для сбора дистиллята;

10 - холодильник кубовой жидкости;

11 - ёмкость для сбора кубовой жидкости.

Определение минимального и рабочего флегмовых чисел.

В табл.№1 применены следующие обозначения: х и у – содержание низкокипящего компонента соответственно в жидкости и паровой фазе в мольных процентах; t – температура кипения смеси данного состава, ̊С; -коэффиценты активности компонентов, являющиеся мерой отклонения от идеальных смесей, поведение которых описывается законом Рауля; α – коэффициент относительной летучести компонентов смеси.

По приведенным в табл.1 данным необходимо построить t – х, у диаграмму, по которой в дальнейшем будет определяться температура кипения исходной смеси и температура пара. Линии конденсации и кипения проводятся плавно между экспериментальными точками из точки с координатами: x=0; t=100 ̊C.

Таблица 1. Равновесие между жидкостью и паром в системе этиловый спирт – вода при давлении 760 мм рт.ст.

Х,мол.%	У,мол.%	t, ̊C			lg(	α
1,55	14,4	96,0	4,818	1,003	0,6815	10,68
2,92	22,4	92,8	4,456	1,036	0,6336	9,60
4,40	30,0	90,9	4,194	1,019	0,6144	9,31
5,70	34,8	89,7	3,952	1,006	0,5942	8,83
7,54	38,0	87,9	3,502	1,045	0,5251	7,51
8,20	40,5	87,5	3,468	1,025	0,5293	7,62
9,70	42,2	86,6	3,167	1,047	0,4803	6,80
11,20	45,0	85,8	3,002	1,044	0,4586	6,49
12,70	47,6	85,3	2,833	1,031	0,4390	6,24
14,80	49,1	84,6	2,604	1,055	0,3924	5,60
17,20	51,2	84,0	2,377	1,066	0,3483	5,05
20,30	52,4	83,3	2,121	1,111	0,2808	4,32
21,50	53,6	83,2	2,048	1,104	0,2683	4,22
24,10	54,6	82,8	1,893	1,134	0,2224	3,79
29,70	57,3	81,9	1,661	1,196	0,1427	3,18
32,00	57,7	81,8	1,566	1,229	0,1052	2,90
38,10	60,0	81,0	1,411	1,319	0,0294	2,44
39,10	60,8	81,0	1,393	1,315	0,0249	2,42
42,50	62,3	80,6	1,337	1,358	-0,0070	2,24
49,70	65,3	80,0	1,221	1,463	-0,0783	1,90
50,70	65,6	80,1	1,203	1,474	-0,0883	1,85
56,70	68,4	79,5	1,148	1,578	-0,1382	1,65
68,50	74,3	78,9	1,053	1,808	-0,2348	1,33
76,70	79,6	78,4	1,022	1,981	-0,2875	1,185
83,80	84,6	78,3	0,999	2,156	-0,3340	1,062
88,10	88,4	78,2	0,995	2,231	-0,3507	1,029
92,10	91,8	78,2	0,989	2,365	-0,3786	0,960
99,30	99,2	78,3	0,989	2,592	-0,4062	0,874

На миллиметровой бумаге форматом А3 строим квадратную диаграмму у-х, на которую наносим все точки табл.№2 и, соединяя их плавной кривой, получаем линию равновесия , пересекающую диагональ квадрата при х= 0,895 (точка азеотропа).

Таблица 2. Утонченные значения равновесных составов жидкости и пара

В системе этиловый спирт – вода при давлении 760 мм рт.ст.

(значения х и у приведены в мольных долях)

х	у	х	у	х	у	х	у
0.0001	0.00119	0.01	0.100	0.20	0.525	0.81	0.826
0.0002	0.00237	0.02	0.174	0.30	0.569	0.82	0.834
0.0003	0.00355	0.03	0.231	0.40	0.610	0.83	0.841
0.0004	0.00472	0.04	0.277	0.50	0.652	0.84	0.848
0.0005	0.00589	0.05	0.315	0.55	0.675	0.85	0.856
0.001	0.0117	0.06	0.346	0.60	0.698	0.86	0.865
0.002	0.0229	0.07	0.373	0.65	0.724	0.87	0.873
0.003	0.0337	0.08	0.396	0.70	0.752	0.88	0.882
0.004	0.0441	0.09	0.416	0.75	0.785	0.89	0.8905
0.005	0.0542	0.10	0.434	0.80	0.819	0.90	0.8987

Для расчета минимального флегмового числа R_min заданные массовые концентрации исходной смеси _F, дистиллята _D и кубового остатка _W необходимо перевести в мольные доли x_F x_D и x_W в соответствии с формулами табл.6.2[3].

- мольная масса этилового спирта

- мольная масса воды.

• Мольная масса исходной смеси:

• Мольная масса дистиллята:

• Мольная масса кубового остатка:

По значению _D на диагонали диаграммы у-х находим точку А, а по значению _F на линии равновесия точку В. Прямая линия, соединяющая точки А и В, не пересекает линию равновесия. Определяем значение отрезка S, отсекаемого продолжением этой прямой на оси ординат. В интервале между и определяем положение рабочей линии укрепляющей части колонны при , что дает возможность рассчитать значение минимального флегмового числа, так как в соответствии с уравнением рабочей линии укрепляющей части колонны

. Откуда .

Для расчета рабочего флегмового числа воспользуемся упрощенным методом оптимизации, который основан на допущении, что минимальным затратам соответствует минимальный объем колонны. Так как рабочий объем колонны пропорционален произведению , где - число теоретических тарелок, то, задаваясь значениями R > и рассчитав и при различных R, можно найти минимальное значение , которому и будет отвечать оптимальное рабочее флегмовое число.

Указанные расчеты проводят на ЭВМ по программе, разработанной на кафедре. Состояние равновесия в системе между жидкой и паровой фазами определяется уравнением Доджа. Программой учитывается эффективность верхней и нижней частей колонны у тарелки питания и у верхней тарелки, а также эффективность куба.

В распечатке при десяти различных значениях R даются: общее число теоретических тарелок в колонне , в ее нижней и верхней частях и произведение . Полученные результаты дают возможность построить график + f (R). Минимальная точка этого графика отвечает оптимальному значению рабочего флегмового числа, при котором проводятся дальнейшие расчеты.