2.6 Материальный и тепловой баланс ректификационной колонны

На основе материального баланса процесса производится расчет и подбор оборудования. При установившемся режиме массы потоков остаются неизменными и уравнение материального баланса ректификационной колонны выглядит так

F=D+W,

где- F- сырье,

D –дистиллят,

W –остаток,

Для бинарной смеси по нкк

Fx_f=Dy_d+Wx_w ,

Где x_f - доля НКК в сырье,

y_d -доля НКК в дистилляте

x_w - доля НКК в остатке,

Преобразуем

W=F-D

Fx_f= Dy_d- (F-D)x_w

F(x_f- x_w)=D( y_d- x_w)

Потоки колонны и соответствующие концентрации взаимосвязаны и не могут устанавливаться произвольно.

Работа колонны связана с обменом энергии между фазами, В колонне тепло подводится с сырьем и нагревателем и уходит с дистиллятом, остатком и холодильником.

Тепловой баланс ректификационной колонны:

Q_f+Q_н=Q_d+Q_w+Q_х ,

где Q_f –количества тепла вносимого с сырьем,

Q_н -количество тепла, вносимого нагревателем,

Q_d -количество тепла, уходящего с дистиллятом,

Q_w – количество тепла, уносимого с остатком,

Q_х -количество тепла, снимаемого холодильником-конденсатором.

При заданных составах и отборах дистиллята и остатка величины Q_d и Q_w –постоянная величина. Преобразуем предыдущее уравнение:

Q_f+( Q_н- Q_х)= Q_d+Q_w=const

При неизменной температуре и составе сырья Q_f=const, тогда величина ( Q_н- Q_х) =const

Исходя из вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

1)Разность между Q_d и Q_w –постоянная величина

2)При увеличении количества тепла, вносимого с сырьем, необходимо уменьшать нагрев.

Тепловые потоки должны быть увязаны с материальными потоками и качеством получаемых продуктов.

2.7 Уравнения рабочих линий

2.7.1 Уравнение рабочей линии верхней части колонны

Составим систему уравнений материальных балансов для верхней секции (рисунок 2.6).

x_n+1,

g_n+1

D, y_D

n+1

n

G_n+1, y_n+1

G_n, y_n

x_n, g_n

Рис 2.6 Схема потоков в верхней части колонны

общий:

( 42 )

по низкокипящему компоненту

( 43)

Подставим одно уравнение в другое:

Поделим на D правую часть уравнения

Обозначим R=g_n+1/ D

Преобразуем уравнение

( 44 )

При этом R называется флегмовое число.

Это уравнение называется уравнением рабочей линии встречных неравновесных потоков верхней части колонны, уравнением концентраций, или уравнением оперативной линии. Оно устанавливает связь встречных потоков пара и жидкости в произвольном сечении колонны. В координатах x - y уравнение представляет собой кривую линию, т.к. в общем случае поток флегмы может изменяться по высоте верхней части колонны, что приводит к изменению тангенса угла наклона этой линии. Если поток флегмы не изменяется по высоте колонны, то рабочая линия будет прямой.

На диаграмме рабочая линия верхней части колонны имеет характерные точки (рисунок 2.7).

При x=y_D

получим, y=y_D=x

Одна из этих точек D находится на диагонали и ее положение не зависит от потока паров и флегмы. Вторая точка (B) определяется при x = 0 тогда:

( 45 )

Положение точки B зависит от величины флегмового числа R=g_n+1/ D.

При увеличении R точка B перемещается вниз, а рабочая линия приближается к диагонали. В пределе при R (или g), рабочая линия сольется с диагональю ОА. Этот режим называется режим полного орошения.

Рис. 2.7 Рабочие линии на диаграмме x—у:

I — равновесная кривая; 2 — рабочая линия верхней части колонны; 3 — то же, нижней.