Математические модели ректификационных колонн

Математическое моделирование ректификационных колонн позволяет определять концентрации и количест­ва получаемых компонентов в аппаратах различного аппаратурного оформления и переменных режимах экс­плуатации. При составлении математической модели ко­лонны необходимо учитывать внутренние и внешние условия процесса ректификации.

В качестве внешних условий обычно принимаются: питание колонны с учетом количественных и качествен­ных характеристик; количество теплоты, подводимой к кипятильнику и отводимой от дефлегматора. Внешние условия могут быть связаны между собой или внутрен­ними параметрами процесса, или дополнительными соотношениями, которые также включаются в систему в виде уравнений модели. Основными являются уравне­ния, описывающие внутреннюю задачу, т. е. отражаю­щие процесс межфазного переноса компонентов разде­ляемой смеси. С помощью этих уравнений можно опре­делять состав паровой фазы над тарелкой, жидкости на ней и состав поступающего на нее пара и уходящей жидкости.

В качестве гидродинамических моделей тарелок рек­тификационных колонн используются: для жидкости— модель идеального перемешивания и ячеистая модель, для пара — модели идеального вытеснения и идеального перемешивания.

Математические модели ректификационных колонн, основанные на замене реальных тарелок теоретически­ми ступенями разделения (метод теоретических тарелок), позволяют вести расчет колонн без учета гидродинамической обстановки на тарелках. Эти модели представляют ректификационную колонну как аппарат с полной конденсацией пара на ступенях разделения с незначительным влиянием межфазного массообмена.

Напротив, представление межфазного массообмена как результат передачи вещества без учета процессов конденсации и испарения в качестве основы для разде­ления смесей является фундаментом для другой груп­пы моделей (метод числа единиц переноса). Здесь учи­тываются гидродинамические условия процесса на та­релках.

Математическая задача расчета ректификационных колонн при заданных совокупностях внутренних и внеш­них условий процесса ректификации состоит в решении системы нелинейных уравнений, когда учитывают тепло­вые балансы на ступенях разделения, и линейных урав­нений, когда тепловые потоки на каждой ступени раз­деления принимают одинаковыми.

Методика расчета ректификационных колонн приве­дена ниже.

Расчет элементов и узлов ректификационных колонн

В зависимости от принципа образования контакта фаз все массообменные аппараты можно разделить на три группы:

1) тарельчатые и большинство насадочных аппаратов, в которых поверхность контакта создается в процессе движения потоков;

2) пленочные аппараты с фиксированной поверхностью фазового контакта;

3) роторные и центробежные аппараты, в которых по­верхность фазового контакта создается путем подвода механической энергии извне.

Наибольшее распространение в промышленности нашли насадочные и барботажные ректификационные колонны.

Насадочные ректификационные колон­ны заполняются обычно кольцами Рашига. Конструк­тивно они не отличаются от скрубберов и других смеси­тельных теплообменных аппаратов с насадкой. Методика теплового, гидравлического и конструктивного рас­чета таких аппаратов также сходна с методикой расче­та насадочных скрубберов.

Барботажные ректификационные ко­лонны выполняются с колпачковыми, ситчатыми или решетчатыми (провальными) тарелками. Разрезы рек­тификационных колонн с колпачковыми и ситчатыми та­релками приведены на рис. 3.12.

Рис. 3.12. Разрезы ректификационных колонн.

А – с колпачковыми тарелками; б – с ситчатыми тарелками; 1 – тарелка; 2 - патрубок; 3 – колпачок; 4 – переливная труба; 5 – отверстия.

Все барботажные аппараты отличаются большим ги­дравлическим сопротивлением парового тракта, и поэто­му целесообразно применять их преимущественно в тех случаях, когда ректификация ведется при повышенных давлениях, т. е. когда высокое сопротивление сущест­венного влияния на расход энергии не оказывает.

Ранее были изложены методы определения числа та­релок ректификационной колонны. Рассмотрим расчет некоторых параметров и конструктивных элементов ко­лонны.