Анализ работы секций ректификационной колонны

При расчете процесса ректификации вводится понятие теоретической ступени изменения концентраций или теоретической тарелки (ТТ), то есть идеального устройства, на котором достигается равновесие между взаимодействующими паровой и жидкой фазами. Таким образом, потоки, покидающие ТТ, равновесны и составы их можно определить по уравнению равновесия (уравнение Рауля-Дальтона).

Анализ работы секций ректификационной колонны сводится к выводу уравнений, связывающих составы неравновесных потоков в соответствующей секции. При этом вводятся допущения, существенно упрощающие анализ и расчет ректификации:

- количество поднимающихся паров (в киломолях) в любом сечении колонны одинаково;

- в дефлегматоре не происходит изменения состава пара. Следовательно, состав пара, уходящего из ректификационной колонны равен составу дистиллята. Если весь пар конденсируется в дефлегматоре, то это положение полностью соответствует реальным условиям;

- при испарении жидкости в кипятильнике не происходит изменения ее состава. Следовательно, состав пара, образующегося в кипятильнике, соответствует составу кубового остатка;

- теплоты смешения компонентов разделяемой смеси равны 0.

Поскольку условия работы укрепляющей и исчерпывающей секции ректификационной колонны различны, то рассмотрим их отдельно.

В укрепляющей секции колонны возьмем произвольное сечение А-А, включающее верхнюю часть колонны (рисунок 6.14). В сечение А-А с тарелки i+1 входит паровой поток G_i+1 состава y_i+1 по НКК. Из выделенного сечения А-А уходит поток жидкости g_i состава x_i и поток дистиллята D состава y_D.

Запишем уравнения материального баланса для сечения А-А

, (6.60)

откуда получим выражение

.

Разделив числитель и знаменатель слагаемых правой части на величину D и обозначив комплекс g_i/D=R, получаем уравнение, связывающее составы неравновесных потоков укрепляющей секции колонны

. (6.61)

В уравнении (6.61) R – флегмовое число (отношение возвращаемого на орошение колонны потока флегмы к потоку дистиллята). Предполагая, что флегмовое число по высоте укрепляющей секции колонны остается неизменным, в координатах у-х уравнение (6.61) отображается прямой линией, которая называется рабочей линией укрепляющей части колонны. При этом R/(R+1), есть тангенс угла наклона β рабочей линии к оси абсцисс, а комплекс y_D/(R+1) – отрезок, отсекаемый рабочей линией от оси ординат. Кроме того, при x =y , y=y , то есть рабочая линия укрепляющей части колонны пересекает диагональ с ординатой y . (рисунок 6.15 а).

Рисунок 6.15 – К выводу уравнений рабочих линий верхней (а) и нижней (б) секций ректификационной колонны

При выводе уравнений рабочей линии исчерпывающей секции колонны записываем уравнение материального баланса для произвольно выбранного сечения В-В, включающего низ колонны (рисунок 6.16).

В сечении В-В входит стекающая с тарелки n жидкость g_n с концентрацией НКК x_n.

Выделенное сечение покидают поток пара G_n+1, поднимающийся с тарелки (n+1) состава y_n+1 и кубовый остаток W состава x_w по НКК.

Тогда

(6.62)

откуда

,

Разделив числитель и знаменатель вычитаемых правой части на величину W и обозначив комплекс G_n+1/W=П, получим уравнение, связывающее составы неравновесных потоков исчерпывающей секции колонны

. (6.63)

В уравнении (6.63) П – паровое число. Принимая, что паровое число по высоте исчерпывающей секции колонны остается неизменным, в координатах у-х уравнение (6.62) отображается прямой линией, которая проходит через точку W, лежащую на диагонали с абсциссой х при x_n=x_w, y_n+1=x_w, и отсекает на верхней стороне диаграммы у-х (при у_n+1=1) отрезок (П+x_w)/(П+1) (рисунок 6.15 б).