На основании материального баланса составим тепловой ба ланс.
б) Тепловой баланс
П р и х о д т е п л а , (в кДж/ч): 1) тепло, вводимое со смесью,
Q — Мссы tCK,
где ссм— теплоемкость смеси, кДж/(кг-К); t m — температура смеси, °С;
2) тепло, вводимое с греющим паром,
Qn = Pin,
где (п— энтальпия пара, кДж/кг;
3) тепло, вносимое жидкой флегмой,
Qfm. — vDCf tf,
где Cf и tf — теплоемкость и температура флегмы.
Р а с х о д т е п л а (в кДж/ч):
1) тепло, уносимое дистиллятом,
С?д = DiD ,
где in — энтальпия паров дистиллята;
2) тепло, уносимое парами флегмы,
Q fn = v D iD ’
3) тепло, уносимое остатком,
Qr = RcR *R '
где R = M — D кг/ч;
CR и ^R — теплоемкость и температура остатка;
4) тепло, уносимое конденсатом,
Qk = Рск ®к>
где ск и 0к — теплоемкость и температура конденсата;
5) тепло, теряемое за счет лучеиспускания и конвекции в о ружающее пространство, <Зпот-
Составим уравнение теплового баланса на основании закона сохранения энергии:
М сш ' с м + « П + |
vDcf ' / = |
D ( ' o + vD iD + |
RcR (R + |
Рск 9к + «пот‘ ( 3 7 6 ) |
Расход греющего пара |
(в кг/ч) |
|
|
m D + |
vp ( j D- |
C f t f ) + Rcr t R |
+ Qn0T - |
MccH t e |
p = |
|
in— 0K |
|
(377) |
|
|
|
|
Из уравнения (377) можно сделать такие выводы:
ззо
1)с увеличением флегмового числа увеличивается расход теп
ла на ректификацию, что отмечалось и ранее;
• 2) с повышением температуры поступающей смеси уменьша ется расход тепла на ректификацию.
|
П р и м е р . |
Для условий примера |
1 |
определить расход глу |
хого пара. |
|
|
|
|
|
бар (19,6-Ю4 Па), |
давле |
|
Давление греющего пара равно 2 |
ние в нижней части колонны составляет 1,2 |
бар (11,76-104 П а). |
Потери тепла равны 5% от полезно затраченного тепла. |
|
Р е ш е н и е . |
Расчет ведем на 100 |
кг поступающей |
смеси. |
Определим количество дистиллята D и остатка R. |
|
|
Баланс н. к. к. запишется в таком виде |
|
|
|
|
100-10 |
0 -95 |
, |
|
Я- 0,5 |
|
(а) |
|
|
------------------------л |
. ------------ , |
|
|
100 |
100 |
^ 1 0 0 |
|
|
|
Можно написать также, |
что |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Д = 1 0 0 — D. |
|
|
(б) |
|
Решая совместно |
уравнения |
(а) |
и |
(б), |
получим |
|
|
|
D = |
10,53 |
кг и |
R = 89,47 |
кг. |
|
|
Составим материальный баланс. |
|
|
|
|
|
|
|
Материальный баланс |
|
|
|
Приход |
|
|
|
|
|
|
|
Расход |
|
продукт |
количество, кг |
|
|
|
продукт |
количество, кг |
Исходная |
смесь |
|
100 |
|
Пары дистиллята |
10,53 |
Пар |
|
|
р |
|
Конденсат |
пара |
р |
Флегма |
00=4-10,53=42,12 |
Остаток |
|
Я = 89,47 |
|
|
|
|
|
Пары, |
образую |
42,12 |
|
|
|
|
|
щие флегму |
|
|
Для определения расхода пара Р составим тепловой баланс. Теплоемкости водно-спиртовых смесей и энтальпии водно-спир товых паров берем из справочников или из специальных ру ководств.
Тепловой баланс
|
Статьи прихода и расхода |
Определение количества тепла |
|
по формулам |
|
|
П р и х о д
Тепло, |
вносимое |
исходной |
Q c m = M c cJ |
c m = 100-4,32-91,3=39442 |
кДж, |
смесью |
|
|
где 4,32 — теплоемкость 10%-го раствора |
|
|
|
этилового |
спирта, кДж/(кг-град); |
91,3 — |
Тепло, |
вносимое паром |
температура кипения поступающей смеси, °С |
Q n=P£n=*P-2714,4 кДж, |
|
Тепло, |
вносимое |
жидкой |
где гп = 2714,5 |
кДж/кг при р = 11,76-104 Па |
QM =vdcftf =:A. 10,53-3,36-78,2= |
|
флегмой |
|
|
= 11080 кДж, |
где cf—3,36 кДж/(кг-град) |
|
|
|
и 78,2° С, tf — температура флегмы при кре |
|
|
|
пости 95% |
|
|
|
Тепло, уносимое с дистилля
том Тепло, уносимое парами
флегмы Тепло, уносимое остатком
Тепло, уносимое конденсатом Тепло, теряемое в окружаю
щее пространство
Р а с х о д
Di D = 10,53• 1150,8= 12110 кДж
Qfn = vDin — i -12110= 48440 кДж
QR=RcRt R =89,47-4,2-104 = 39200 кДж
QK= P cK0 = Р-4,2-119,6=502 Р кДж
5% от полезно затраченного, i' d — 1150,8
энтальпия дистиллята;
cR = 4,2 кДж/(кг-град) — теплоемкость ос
татка;
t R = 104° С — температура остатка;
с =4,2 к Д ж / ( к г -град)— теплоемкость кон- .
денсата; 0К = 119,6° С — температура конденсата
Приравнивая сумму прихода и расхода и решая уравнения относительно Р, получим расход пара:
12110 + |
48440 + 39200 |
— 39442 — 11080 = 21 2 кг |
Р = |
2714,5— |
502 |
7. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ РЕКТИФИКАЦИИ* МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЕЙ
Выше были рассмотрены процессы ректификации бинарных смесей. На практике часто приходится иметь дело с многокомпо нентными смесями, которые требуется разделить на чистые ком поненты. Так, например, на спиртовом производстве бражку, ко торая содержит более 40 летучих компонентов, требуется разде лить на четыре фракции; этиловый спирт (ректификат); эфиро альдегидную фракцию; сивушные масла, остаток, содержащий воду и твердые частицы.
Чтобы сложную смесь разделить на компоненты (или группы компонентов), применяют многоколонные аппараты. Рассмотрим аппараты для разделения трехкомпонентных систем.
На рис. 210, А и Б представлены две схемы аппаратов для ректификации смеси, состоящей из трех компонентов; а, б, в. Из этих компонентов а — н. к. к.; в — в. к. к. и б — промежуточ ный.
На первой схеме приведен случай, когда н. к. к. а отбирается в первой колонне. Остаток из первой колонны, содержащий два других компонента, поступает в следующую колонну, где разде ляется.
На второй схеме показан второй метод разделения тройной смеси, когда в первой колонне в остаток удаляется в. к. к. Два
Рис. 210. Схемы аппаратов для разделения многокомпонентных смесей:
А, Б — для последовательной разгонки трехкомпоиентных систем, В — для
разгонки с промежуточным отбором фракций.
других компонента поступают во вторую колонну, где они разде ляются.
По этому же принципу может быть создана схема аппарата для разделения смеси, состоящей из большего числа компонен тов. Когда система состоит из п летучих компонентов, то потре буется п—1 колонн в аппарате. Однако на практике ректифика цию сложных смесей удается произвести при меньшем числе ко лонн. Объясняется это тем, что при ректификации сложных смесей в определенных зонах колонн устанавливается максималь ная концентрация того или иного компонента или группы компо нентов. Из этой зоны они и отбираются.
Такая схема для разделения четырехкомпонентой системы представлена на рис. 210,5. В этой схеме н. к. к. выделяется в ос новном в первой колонне. Некоторая часть его переходит во вто рую колонну вместе с другими компонентами. Остатки его выде ляются в этой колонне. Компоненты б и в концентрируются в оп ределенных зонах колонны и отводятся из этих зон в виде пара или жидкости. Остаток после ректификации, содержащий компо нент г, отводится из второй колонны.
8. УСТРОЙСТВО И ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕКТИФИКАЦИОННЫХ КОЛОНН
Колонна ректификационной установки, как и колонна абсор бера, предназначена для приведения в тесный контакт пара и жидкости. Поэтому устройство ректификационных колонн не от личается от устройства колонн для абсорбции. Широкое приме нение для этой цели получили колонны барботажного типа, в ко-
