Ректификация.Расчет ректификационных колон для разделения бинарных смесей.

Ректификация представляет собой разделение смеси на составля­ющие компоненты в результате многократного частичного испа­рения жидкости и конденсации паров. Проводят ректификацию в колонных аппаратах, снабженных контактными устройствами (та­релками различной конструкции) либо заполненных насадкой, изго­товленной из различных материалов (керамика, металл, дерево). Процесс взаимодействия пара с жидкостью происходит в противото­ке, и в каждом контактном устройстве пары конденсируются, а жид­кость частично испаряется за счет теплоты конденсации пара. Таким образом, пар обогащается легколетучим компонентом, а жидкость, стекающая в низ колонны» — труднолетучим компонен­том. В результате многократного взаимодействия пара и жидкости дистиллят содержит почти чистый легколетучий компонент, а кубо­вый остаток — труднолетучий.

При расчете процессов ректификации принимается, что:

1) при конденсации 1 кмоль пара испаряется 1 кмоль жидкости,

следовательно, количество пара, движущегося в ректификационной колонне, одинаково в любом ее сечении;

2)  при конденсации пара в дефлегматоре не происходит измене­ния состава пара, следовательно, состав пара, уходящего из ректи­фикационной колонны, равен составу дистиллята (yd = xd);

3)  при испарении жидкости не происходит изменения ее состава, следовательно, состав пара, образующегося при испарении, равен составу кубового остатка (yw = xw).   

В дефлегматоре конденсируются все пары, которые в дальнейшем разделяются  на дистиллят Мд и флегму Мф. При этом  флегмовое число равно:   R  = Мф / Мд ,

Тогда:     Qдеф = (Мд + Мф)·(iп – сф· tф) = Мд· (R+ 1)·(iп – сф· tф),                  

где iп – энтальпия пара, Дж/кг (находится из таблицы П4 приложения в зависимости от массовой концентрации спирта в парах yп = хф = хд);

       сф – теплоемкость флегмы, определяемая по таблице П2 в за­висимости от массового содержания спирта во флегме хд и при температуре флегмы tф.

Из уравнения теплового баланса (7.2) с учетом уравнений (7.3) и (7.4) определяют величину рабочего флегмового числа колонны, при котором произведена ректификация

R =   [Мв·св·(tвк ‑ tвн) – Мд·сд·(tф – tд)] / [ Мд·(iп – сф ·tф)] – 1.

Составляют тепловой баланс для ректификационной колонны:

N·τ + Мн·сн·tн + R·Мд·сф·tф = Мд·(1 + R)·iп + Мк·ск·tк + Qп·τ,             (7.5)

где N – мощность электрокипятильника, при которой произведена ректи­фикация, Вт;

        τ  –  длительность процесса ректификации, с;

       Qп – потери теплоты в окружающую среду, Вт.

     Потери теплоты в окружающую среду можно определить из уравнения теплового баланса (7.5), а также по уравнению:  Qп =  α·Δtср·F,

где Δtср – средняя разность температур между наружной стенкой и окружающим воздухом, равная:    Δtср = tст.ср – tокр;

        α – коэффициент теплоотдачи от наружной стенки куба-испарителя к воздуху, определяемый по формуле (7.1).

Пересчитывают концентрации исходной смеси хн и дистиллята хд из мас. % в мол. % по соотношению:   xмол = (100·xмас / 46,07 ) / [xмас/ 46,07 + (100 – xмас ) / 18,02],

где 46,07 и 18,02 – молекулярные массы соответственно этанола и воды, кг/кмоль.

 Рассчитывают удельный расход энергии на ректификацию безводного спирта (дистиллята) в кВт·ч/кг по формуле:    q = N · τ ·100 / (xд · Мд).

 Флегмовое число может быть изменено от минимального значения Rmin до бесконечности. Минимальному флегмовому числу соответствует бесконеч­но большое число теоретических тарелок и минимальный расход энергии. Оп­ределить минимальное флегмовое число можно, если восстановить перпенди­куляр из точки на оси абсцисс хн  до равновесной линии  (точка C1  на рисунке 2), и провести линию через точки A и C1 до пересечения с осью ординат, а затем найти величину отрезка Вmax  в мол. %, тогда  Rmin =  (xд – Вmax) / Вmax.

Флегмовое число Rmin также можно определить на диаграмме по рисунку 2 как отношение величин отрезков:   Rmin = C1D / C1E = (xд – yнр) / (yнр – xн).

     Следует отметить, что кривая фазового равновесия этанол – вода в верхней части имеет такой изгиб, при котором соединить точки A и C1, не пересекая кривой фазового равновесия в других местах (особенно при высоких концентрациях xд), не всегда удается. В таких случаях минимальное значение  Rmin следует определять только графическим путем по диаграмме x – y, проведя из точки A касательную к кривой фазового равновесия до пересечения с осью ординат, а затем найти величину Вmax  и  Rmin.

Отношение рабочего и минимального флегмовых чисел называют коэффициентом избытка флегмы:    К = R/ R min.