Бродянский В.М., Калинина Е.И.
Разделение газовых смесей

2. Процесс разделения в отгонной колонне (Ж → П).

На рис. 3-15 показаны схемы аппарата для непрерывного противоточного испарения (а) и отгонной ректификационной колонны (б). В обоих случаях в систему подается смесь G в виде жидкости и отводятся продукты разделения D и R. Различаются процессы тем, что поток пара П, поднимающегося навстречу стекающей жидкости Ж, в случае (а) образуется по всей длине аппарата при подводе тепла в интервале температур от T₃ до Т₂, в случае (б) - вне тепломассообменного аппарата. При этом пар обычно получают испарением жидкости, сливающейся из колонны, в специальном аппарате-испарителе I при самой высокой в процессе температуре T₂. В колонне II тепломассообмен Ж ↔ П протекает так же, как в концентрационной колонне, в адиабатных условиях. Пар в отгонную колонну может поступать как из испарителя, так и из других элементов установки (аналогично жидкости, поступающей в концентрационную колонну).

Рис. 3-15

Рассмотрим процесс в отгонной колонне на основе материальных и энергетического балансов для наиболее простого случая - колонны с испарителем. На рис. 3-15 нижняя часть колонны ограничена сверху произвольно выбранным сечением а-а.

Составим балансовые уравнения для этого участка.

1. Общий материальный баланс

  (3-17)

Пользуясь понятиями разности потоков π, можно уравнение (3-17) представить, как Ж - П = π₀; в частном случае π₀=R.

2. Материальный баланс по легкокипящему компоненту

  (3-18)

Постоянную величину Ж_x - П_y, представляющую собой разность потоков легкокипящего компонента, можно представить как постоянный поток π₀ξ_π0, который в частном случае равен R_xR,

  (3-19)

Уравнение (3-19) справедливо для любого сечения рассматриваемой отгонной колонны; из него следует, что

  (3-19)

3. Уравнение энергетического баланса

  (3-20)

Аналогично можно представить постоянную величину разности Ж_iЖ - П_iП как поток π₀ с энтальпией i_{π 0}.

  (3-21)

Отсюда

  (3-21)

В частном случае

Уравнение (3-21) так же, как и уравнение (3-19) действительно для любого сечения отгонной колонны.

Точка π₀ с координатами (ξ_{π 0} , i_{π 0} ) называется полюсом отгонной колонны. При данном режиме работы колонны координаты полюса остаются неизменными; состояния паря и жидкости в разных сечениях колонны отображаются на i, ξ диаграмме коннод, проходящими через π₀.

На рис. 3-16 показано несколько коннод для сечений нижней части колонны, расположенных последовательно по высоте.

Рис. 3-16

Построение в i, ξ диаграмме полюса для отгонной колонны так же, как построение для концентрационной, позволяет, во-первых, определить состав и флегмовое отношение f₀ = Ж/П в колонне, которое всегда больше единицы в отличие от f_x в концентрационной колонне, которое всегда меньше единицы.

Во-вторых, это построение позволяет находить энергетические характеристики колонны. Поскольку

или в удельных величинах

Получаем

  (3-22)

На рис. 3-16 величина q_u соответствует отрезку π₀-R.

В-третьих, использование полюса π₀ позволяет определять число идеальных тарелок в колонне графическим построением, которое проводится так же, как и для концентрационной колонны.

Следующая страница: Процесс разделения в сдвоенной (полной) ректификационной колонне