Файл: Стабников, В. Н. Процессы и аппараты пищевых производств учебник.pdf

что и аппарат непрерывного действия: колонны 1, дефлегматора 2, холодильника 3. Кроме того, в этом аппарате имеется еще

куб 4.

Поступающая на перегонку смесь, содержащая компоненты А и Б, направляется в куб 4, который обогревается паром. Пары, выделяемые кипящей бинарной смесью, поднимаются в колонну и проходят последовательно через все ее контактные устройства (тарелки). Навстречу парам из дефлегматора по тарелкам сли­ вается флегма, поступающая из дефлегматора.

Таким образом, этот аппарат не имеет колонны истощения. Ко­ лонна, которой он снабжен, яв­ ляется укрепляющей колонной. Ее назначение — повысить кон­ центрацию компонента А в паро­ вой фазе. Это достигается тем, что на каждой тарелке пары всту­ пают в тесный контакт со сте­ кающей флегмой и обменивают­ ся с ней компонентами. Компо­ нент А переходит в пары из жид­ кой флегмы, а компонент В пере­ ходит в жидкую фазу из паров.

В результате пары, поступаю­ щие в дефлегматор, обогащены компонентом А. В процессе рек­ тификации в жидкости, находя­ щейся. в кубе, концентрация нижекипящего компонента умень­ шается. Когда концентрация нижекипящего становится достаточ­ но малой, процесс ректификации

заканчивается, остаток спускается и цикл ректификации начи­ нается снова. Такая установка позволяет разделить на фракции и многокомпонентную смесь.

Как видно из изложенного, основным элементом рабочего процесса ректификации является массообмен между жидкой и паровой фазами, происходящий на контактных устройствах ап­ парата.

Рассмотрим этот процесс более подробно. Пусть имеется та­ релочное контактное устройство, изображенное на рис. 196. Жид­ кость, содержащая компоненты А и Б, поступает по сливной тру­ бе с вышележащей тарелки п—1. Концентрация компонентов в ней %а ,п—1 и х Б, п- 1. Эта жидкость встречается на тарелке с па­ рами, пришедшими с тарелки п-\-1. Концентрация компонентов в них уА,71+1 и Ув , 77+1.

315

Пар, проходя через горловину тарелки, поступает под колпак и барботирует в проходящую жидкость. Образуется сложная по­ верхность контакта как в зоне барботажа, так и в зоне пены и брызг, возникающих при прохождении пара через жидкость. На этой поверхности контакта происходит процесс массообмена. Движущей силой этого процесса является разность между кон-

центрациями переходящих компонентов в паровой и жидкой фа­ зах. В результате процесса массообмена компонент А из жидкой фазы переходит в паровую, а компонент Б из паровой в жидкую.

Б: х Б , П > Х Б, п-1.

Графически этот процесс массообмена для укрепляющей ча­ сти колонны непрерывного действия представлен на рис. 197. На этом рисунке показан поднимающийся паровой поток и опуска­ ющийся жидкий поток. Оба потока состоят из двух компонентов: нижекипящего и вышекипящего. На каждой тарелке (показаны пунктирными линиями) происходит обмен компонентами. Нижекипящий компонент переходит из жидкой фазы в паровую, вышекипящий компонент — из паровой в жидкую.

Этот процесс происходит таким образом. Переходя из паро­ вой фазы в жидкую, вышекипящий компонент конденсируется. При этом выделяется некоторое количество тепла. За счет этого тепла происходит испарение нижекипящего компонента. Для

,взаимно растворимых жидкостей молекулярные теплоты испаре­ ния обоих компонентов близки. Поэтому, если из паровой фазы перейдет в жидкую 1 кмоль/с вышекипящего компонента, то ис­ парится 1 кмоль/с нижекипящего компонента.

На рис. 197 потоки пара и флегмы представлены в некотором масштабе. Ширина а и b дает в этом масштабе количество кило­ молей, поднимающихся за секунду.

216

Обмен компонентами на тарелках в паровой и жидкой фазах происходит следующим образом. На каждой тарелке содержание нижекипящего компонента в парах возрастает; на ту же вели­ чину убывает содержание вышекипящего компонента. Обратное явление происходит в жидкой фазе, т. е. в флегме, стекающей по тарелкам.

При построении графика на рис. 197 принято, что дефлегма­ тор не изменяет состава паров, а только делит пар на две части. Это, как известно, не вполне соответствует действительности, но принимается для упрощения дальнейших построений. При помо­ щи данного графика можно выяснить, как происходит обогаще­ ние паров нижекипящим компонентом. Выясняется также роль, флегмы как источника нижекипящего компонента для обогаще­ ния паров.

4. АНАЛИЗ РАБОТЫ РЕКТИФИКАЦИОННОГО АППАРАТА

а) Колонна укрепления

Рассмотрим колонну укрепления аппарата непрерывного дей­ ствия. Выведем зависимость между составом пара и составом жидкости для любого сечения колонны между ее тарелками. Сделаем при этом следующие допущения:

1) молекулярные теплоты испарения обоих компонентов равны;

2)колонна хорошо изолирована и потерь тепла в окружаю­ щее пространство нет;

3)смесь, поступающая в колонну, нагрета до температуры кипения;

4)обогрев производится глухим паром.

Из графика (см. рис. 197) видно, что молярное количество паров, поднимающихся в колонне, G и количество флегмы, сте­ кающей в колонне, / остаются постоянными, т. е. G= const и f =

=const.

Втаком случае G—/ = const. Из рис. 197 видно, что

Рассмотрим сечение / —/ между двумя произвольно выбран­ ными тарелками. Для этого сечения можно написать

где D — количество дистиллята, кмоль/с;

xD — содержание н. к. к. в дистилляте, % мол.

Рассматривая график, нетрудно убедиться, что это уравне­ ние справедливо для любого сечения колонны. Из уравнений (359) и (360) можно определить:

317

Обозначим отношение f/D через v. Величина v — называется ф л е г м о в ы м ч и с л о м , или п о г о н н ы м о т н о ш е н и е м . Флегмовое число показывает, в каком отношении паровой поток, поступающий в дефлегматор, делится на флегму и дистиллят.

•Заменяя в уравнении (361) f через vD, получим

Уравнение (362) является уравнением прямой линии, так как при установившейся работе v = const и xd = const.

Эта прямая будет построена в координатах у—х, т. е. в тех же координатах, что и кривая равновесия. Эта линия называется

р а б о ч е й или о п е р а т и в н о й линией колонны. Постро­ ение этой линии показано на рис. 198. На вертикальной оси от­

кладывается отрезок В — ; при полученной точке N строит­ о+1

318

Можно упростить построение, исходя из того положения, что дистиллят, флегма и пар, поступающий в дефлегматор, имеют одинаковые составы. Отсюда следует, что перпендикуляр, вос­ становленный из точки xD к точке пересечения с диагональю, да­ ет одну из точек рабочей линии. В таком случае нет необходимо­ сти строить угол а. Можно, найдя точки N и L, провести через них рабочую линию. Рабочая линия и линия равновесия позволя­ ют найти число контактов (тарелок), необходимых для укрепле­ ния паров, поступающих в укрепляющую колонну, до заданной концентрации нижекипящего компонента.

Построение показано на рис. 199. Оно начинается с точки L. Точка L, как указывалось выше, определяет состав дистиллята, флегмы и пара, поступающего в дефлегматор (xd= #i).

Перпендикуляр, опущенный из точки 1 на горизонтальную ось, дает состав жидкости, кипящей на первой тарелке. Содер­ жание нижекипящего компонента в паре, поднимающемся со второй тарелки на первую, у2 может быть найдено при помощи оперативной линии. Для нахождения у2 нужно из точки М на оперативной линии провести горизонталь до оси ординат.'Если из точки 2 на кривой равновесия опустить перпендикуляр на ось абсцисс, то найдем х2 — состав жидкости на второй тарелке. Точ­ ка Р на оперативной линии даст состав пара уз, поднимающегося с третьей тарелки на вторую.

Каждая ступень на графике соответствует одной тарелке ко­ лонны. При построении допущено, что на тарелке достигается равновесие между паром и жидкостью. Следовательно, получае­ мое число тарелок является числом т е о р е т и ч е с к и х т а р е ­ лок, или числом с т у п е н е й к о н ц е н т р а ц и и .

Таким способом определяют число ступеней концентрации, которое требуется для увеличения концентрации н. к. к. от конеч­ ной хк до xD■В данном случае хк= х3, следовательно, требуются три ступени концентрации.

б) Колонна истощения

Колонна истощения аппарата непрерывного действия пред­ назначена для выделения из смеси, поступающей на ректифика­ цию, нижекипящего компонента. Концентрация этого компонен­ та в остатке, уходящем из колонны, должна быть меньше некото­ рого заданного минимума. На рис. 200 приведены схема колонны

играфик движения пара и жидкости в колонне истощения.

Вэтой колонне стекает флегма / (в кмоль/с), поступившая из колонны укрепления, и свежая смесь, поступающая на ректифи­ кацию в количестве М (в кмоль/с). Пар, поднимающийся в этой колонне, образуется в нижней части колонны за счет теплоты конденсации греющего пара. Его количество Р (в кмоль/с).

При этих условиях для истощающей колонны можно напи­ сать следующие равенства:

319