Расчетная часть

1. Материальный баланс и рабочее флегмовое число.

Обозначим массовый расход дистиллята через P [кг/с], кубового остатка W [кг/с], исходной F [кг/с].

Из уравнений материального баланса ректификационной колонны непрерывного действия (см. стр. 228 (6.1) [1]):

где F,P,W – массовые расходы питания, дистиллята и кубового остатка;

x_F, x_D, x_W – содержание легколетучего компонента в питании, дистилляте и кубовом остатке, мол. доли, с чертой наверху – масс. доли.

Определим производительность колонны по кубовому остатку из уравнения материального баланса:

Производительность по дистилляту:

Для расчетов выразим концентрации питания, дистиллята и кубового остатка в мольных долях (кмоль / кмоль смеси):

Определяем минимальное число флегмы по уравнению (см. (6,2) [1]):

где = 0,395 – мольная доля низкокипящего компонента в паре (этанола).

Флегмовые числа определим по формуле:

где коэффициент избытка флегмы.

Задавшись различными значениями коэффициентов избытка флегмы β, определим соответствующие флегмовые числа. Графическим построением ступеней изменения концентраций между равновесной и рабочей линиям на диаграмме состав пара Y – состав жидкости X, находим N – число ступеней изменения концентрации и R+1 – расход паров, сечение колонны. Найдем B – отрезок, который отсекает прямая рабочих концентраций, на оси y.

β	1,05	1,2	1,4	2,1
R	0,89	1,02	1,19	1,785
B	0,353	0,330	0,305	0,273
N	11	9	7,5	7,5
N(R+1)	20,79	18,18	16,425	21

Минимальное произведение соответствует флегмовому числу R = 1,24.

Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости для верхней и нижней частей колонны определим по формулам (см. стр. 229 (6.4, 6.5), [1]):

,

где M_P и M_F – мольные массы дистиллята и исходной смеси; M_B и M_Н - средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны.

Мольную массу дистиллята в данном случае можно принять равной мольной массе легколетучего компонента.

Определим средний мольный состав жидкости в верхней и нижней частях колонны (кмоль / кмоль смеси):

Средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равны :

Мольная масса исходной смеси:

Тогда средние массовые расходы равны :

Определим средние мольные массы паров (см. стр. 230, (6.8), [1]) :

,

где

Средние массовые потоки пара равны (см. стр. 230, (6.7), [1]) :

2. Скорость пара и диаметр колонны.

Для ректификационных колонн, работающих в пленочном режиме при атмосферном давлении, рабочую скорость можно принять на 20 – 30% ниже скорости захлебывания.

Найдем плотности жидкости ρ_{x в}, ρ_{x н} и пара ρ_{y в}, ρ_{y н} в верхней и нижней частях колонны при средних температурах в них t_в и t_н.

Средние температуры определим по t – x-y диаграмме по средним составам фаз: t_в = 84,5 ⁰C, t_н = 83,5 ⁰C: Тогда (см. стр. 231, (6.10), [1]):

Плотность физических смесей подчиняется закону аддитивности:

Вязкость жидких смесей (см. стр. 231, (6.11), [1]):

=-3,415

=-3,44

Откуда , .

Предельную фиктивную скорость пара при которой происходит захлебывание насадочных колонн, определим по формуле (см. стр. 230, (6.9), [1]):

Предельная скорость пара в верхней части колонны :

→

Предельная скорость пара в нижней части колонны :

→

Примем рабочую скорость на 20% ниже предельной :

Диаметр ректификационной колонны определим из уравнения расхода (см. стр. 231, (6.12), [1]):

Рационально принять стандартный диаметр обечайки d = 0,4 м (см. разд. 5.1.4) одинаковым для обеих частей колонны. При этом действительные рабочие скорости паров в колонне равны:

,

что составляет соответственно 60,4% и 79,6% от предельных скоростей.