Ректифікаційна колона (стр. 4 из 5)
Продуктивність колони по живленню:
G = 3 т/год = 3000 кг/год = 3000 / 3600 = 0,833 кг/с.
Позначимо кількість одержуваного дистиляту через D (в кг/с) і кількість одержуваного залишку через R (у кг/с), запишемо рівняння матеріальних балансів процесу:
а) по речовині:
D + R = G, (1)
б) по спирту:
G ∙ xM = D ∙ xD + R ∙ xR, (2)
де xМ, xD, xR – вміст спирту в ректифікаційці, дистиляті і барді відповідно, % мас.
Вирішимо рівняння (1) і (2) відносно D і R.
З рівняння (1):
R = G – D.
Підставляючи у рівняння (2), отримаємо:
кг/с.R = 0,833 – 0,068 = 0,765 кг/с.
Виразимо масові концентрації спирту в ректифікаційці, дистиляті й барді в мольних частках:
у спиртовій суміші:
xмол. =
мол. д.у дистиляті:
xD =
мол. д.у барді:
xR =
мол. д.Визначимо відносну мольну витрату живлення по формулі:
, (3)де xМ, xD, xR – вміст спирту в суміші, дистиляті і барді відповідно, мол. д.
.Визначимо флегмове число. Мінімальне флегмове число визначається по формулі [3, с. 516]:
, (4)де yM – вміст спирту в парі, рівноважному з рідиною зі складом xM. Визначимо по табл. [4, с. 195] при xM = 2,8 % мол., yM = 23,9 % мол.
.Робоче флегмове число приймаємо:
v = 1,4 ∙ vmin = 1,4 × 1,99 = 2,79.
Запишемо рівняння робочих ліній [3, с. 516]:
а) верхньої (концентруючої) частини колони:
; (5)б) нижньої частини колони (виснаження):
. (6)Підставляючи отримані дані визначимо:
. 
.Визначимо середні концентрації рідини в мольних частках у колоні:
а) у верхній частині:
= 0,5 ∙ (xM + xD) = 0,5 × (0,028 + 0,659) = 0,344;б) у нижній частині:
= 0,5 ∙ (xM + xR) = 0,5 × (0,028 + 0,000047) = 0,014.Визначимо середні концентрації пари в мольних частках по рівняннях робочих ліній:
а) у верхній частині:
;б) в нижній частині:
.Визначимо середні температури пари в колоні по [3]:
а) при
= 0,427 = 42,7% мол.; 
= 87,5°C.б) при
= 0,097 = 9,7 % мол.; 
= 97,3°C.Середня температура по колоні:
°C.Визначимо середні молярні маси й густину пари:
а) у нижній частині колони:
кг/моль; 
. (7) 
кг/м3.б) у верхній частині колони:
г/моль. 
кг/м3.Середня молярна маса у колоні:
г/моль.Середня густина пари в колоні:
кг/м3.Об'єм пари, що рухається в колоні, визначимо по формулі:
, (8)Таким чином, отримаємо:
м3/с.Швидкість пари (м/с) в колоні знаходимо по формулі Стабнікова:
, (9)де h – відстань між тарілками, мм; z – глибина барботажного шару, мм.
Приймаючи h =170 мм; z = 35, отримаємо:
м/с.Діаметр колони визначають по формулі:
, (10)Підставляючи отримані дані, знаходимо:
м.Приймаємо 1,0 м.
Витрати пари на колону визначимо по формулі:
(13)де М – кількість вихідної суміші, що надходить на колону, кг/с; cM і tM – її теплоємність [у Дж/(кг × K)] і температура (у °C); Р – витрата пари на колону, кг/с; i, iD і if – ентальпії пари, що гріє, пари дистиляту й флегми, Дж/кг; F – кількість флегми, що надходить у колону, кг/с (F = v × D); v – робоче флегмове число; сf і tf – теплоємність і температура флегми; D – кількість одержуваного дистиляту, кг/c; R – кількість одержуваного залишку, кг/c; cR і tR – теплоємність і температура залишку; Qвт – втрати теплоти від стінок ізольованої колони в навколишнє середовище, Дж/с.
Згідно таблиць [2], [3], знаходимо iD =1350 кДж/кг; i = 2706 кДж/кг; cf » cD = 3,55 кДж/(кг×K); cR = 4,19 кДж/(кг × K); tбр = 75°C; tб = 103°С; tf = 87° С й tк = 119°С.
При прийнятих втратах теплоти Qвт = 10 кДж/с витрати пари складуть:
= 0,174 кг/с.Величина парового потоку в колоні:
кг/с.Рідкий потік у колоні складається з потоку вихідної спирто-водної суміші, потоку флегми:
F = v × D = 2,79 × 0,068 = 0,19 кг/с;
а також конденсату пари Gк на догрів суміші від tп = 75°С до tк = 93°С:
де cбр – середня питома теплоємність водно-спиртової суміші, Дж/(кг × К).
кг/с.Таким чином, величина всього рідкого потоку складе:
L = Gбр + F + Gк = 0,833 + 0,19 + 0,025 = 1,048 кг/с.
Відношення парового потоку до рідкого:
G / L = 0,176 / 1,048 = 0,168.
Число теоретичних тарілок у вичерпній частині колони для концентрацій від 0,2 до 0,0047 % мол. визначимо по формулі Сореля-Харіна:
, (14)де xn – вміст спирту в рідині на n-тарілці, % мол; K – коефіцієнт випару.
Таким чином, при K = 13, отримаємо:
.Для концентрацій 0,2 – 65,9 мол. % число теоретичних тарілок визначимо графічним шляхом. Для цього у масштабі 1 % мол. – 5 мм, будуємо лінію рівноваги, наносимо робочі лінії й будуємо ступені процесу.
Рис. 7а. До розрахунку числа теоретичних тарілок
Рис. 7б. До розрахунку числа теоретичних тарілок
З виконаної побудови видно, що в укріпній частині (рис. 7а) число теоретичних тарілок nу = 4 і у вичерпній частині (рис. 7б) nв = 6.
Середня концентрація спирту в рідині в колоні (33,4 + 1,4) / 2 = 17,4 % мол. = 35,55 % мас. Середня температура рідини tсер = 92 °С, в’язкість μ = 0,4 мПа × с. Тоді відносна летючість компонентів складе:
, (15)де pсп і pв – пружність парів етилового спирту і води, кПа
З [2] визначаємо pсп = 172 кПа і pв = 85,6 кПа. Таким чином:
.Згідно рис. значенню α × μ = 2 × 0,4 = 0,8 відповідає середній ККД тарілок η = 0,5. Тоді дійсне число тарілок у колоні буде:
- в укріпній частині nу = 4 / 0,5 = 8;
- у вичерпній частині nв = (4 + 6) / 0,5 = 20.
Загальне число тарілок у колоні n = 8 + 20 = 28.
Висоту колони можна визначити по формулі:
H = (n – 1) × h + 2 · h + 3 · h, (16)
де 2 h – висота від верхньої тарілки до кришки колони, мм; 3 h – висота виварної камери колони, мм.
При відстані між тарілками h = 170 мм в укріпній частині й h = 280 мм у нижній частині колони загальна висота колони складе:
H = (8 – 1) × 170 + (20 – 1) × 280 + 2 × 170 + 3 × 280 = 7690 мм.
Розрахунок конденсатора
Теплове навантаження на дефлегматор і конденсатор складе:
Qд.к. = D × (1 + v) × rD × xвт, (17)
де D – кількість дистиляту, кг/с; v – робоче флегмове число; rD – питома теплота пароутворення, Дж/кг; xвт – коефіцієнт, що враховує втрати тепла.
По табл. [2] знаходимо rD = 1101000 Дж/кг. Таким чином, отримаємо:
Qд.к. = 0,068 × (1 + 2,79) × 1101000 × 0,97 = 275237,23 Вт.
Із цієї кількості теплоти охолодною водою віднімається в дефлегматорі:
Qд. = F × rf = v × D × rf = 2,79 × 0,068 × 1101000 = 208881,72 Вт,
а теплове навантаження на конденсатор складе:
Qк. = Qд.к. – Qд. = 275237,23 – 208881,72 = 66355,51 Вт.
Витрати води на конденсатор визначимо по формулі:
