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

3. Процесс разделения в сдвоенной (полной) ректификационной колонне

Процессы ректификации в концентрационной и отгонной колоннах (так же, как и аналогичные процессы непрерывной противоточной конденсации и испарения) позволяют получить в каждом случае только один из компонентов в концентрированном виде. Для одновременного получения технически чистых обоих компонентов целесообразно (как это уже указывалось применительно к противоточным конденсации и испарению) объединить концентрационную и отгонную колонны.

Схема такой сдвоенной (полной) колонны в варианте с использованием конденсатора и испарители показана на рис. 3-17.

Рис. 3-17

Разделяемая смесь G подается в колонну между концентрационной и отгонной частями колонны на уровне питания.

Часть жидкости R внизу колонны и часть пара D вверху отводятся в виде продуктов разделения.

Для колонны можно записать три вида балансовых уравнений. Два из них - уравнения материального баланса по величине потоков и по количеству легкокипящего компонента в них:

  (3-23)

  (3-24)

Третьим является энергетический баланс

  (3-25)

или

  (3-25)

Из этого уравнения следует, что при данном составе и расходах продуктом величина разности Q_u - Q_k = idem. Значения Q_u и Q_k могут изменяться в широком диапазоне, но Q_u- Q_k при этом остается прежней. Увеличение Q_u и Q_k приводит к росту энергетических затрат и потоков пара П и жидкости Ж, т.е. кратности циркуляции в колонне. Уменьшение Q_u и Q_k, напротив, приводит к снижению энергетических затрат на процесс. Однако нижний предел значений тепловых нагрузок не может быть меньше величин, определяемых минимальной работой разделения и собственными потерями Σd_c в колонне.

Агрегатное состояние получаемых продуктов может быть любым; при этом изменяются только значения тепловых нагрузок конденсатора и испарителя. Можно, например, выводить продукт D в виде жидкости; тогда величина Q_k увеличится, или R - в виде пара, что поведет к росту Q_u .

При сохранении составов и количеств потоков на входе и выходе из колонны такое изменение не влияет на процесс тепломассообмена в ней.

Исходная смесь G также может подаваться на разделение в виде сухого насыщенного пара, жидкости или влажного пара. В первом случае вырастет тепловая нагрузка Q_k конденсатора, во втором - испарителя Q_u .

Решая совместно уравнения (3-23) и (3-24), можно показать связь между количествами продуктов R и D через концентрации всех потоков

Из уравнения энергетического баланса, учитывая, что

можно, сгруппировав члены с D и R, записать связь между ними через энтальпии потоков

Приравнивая оба выражения для R/D , получим уравнение прямой в координатах

  (3-26)

Это уравнение связывает два полюса π_k (i_{&pi k}, y_d) и π₀ (i_{&pi 0}, x_R) , и точку, характеризующую исходную смесь G(i_G,ξ_G) .

Все три точки π_k, π₀ и G лежат на одной прямой. Эта прямая называется главной полюсной линией или главной прямой колонны. В i, ξ диаграмме она разделяет области, относящиеся к концентрационной и отгонной частям (рис.3-18).

Рис. 3-18

Рис. 3-19

Пользуясь i, ξ диаграммой, можно произвести расчет основных величин, характеризующих процесс ректификации и выявить некоторые его закономерности.

Расчет производятся в три этапа.

1. Составление материальных балансов колонны совместно с конденсатором н испарителем по заданным (или выбранным) концентрациям и количествам продуктов и исходной смеси.

2. Составление энергетического баланса и выбор координат полюсов.

Для этого из энергетического баланса предварительно определяется величина Q_u - Q_k. Абсолютные величины тепловых нагрузок испарителя и конденсатора можно определить, если задаться значением одной из величин: Q_u или Q_k . Это позволяет найти координаты одного из полюсов, например, π . Для нахождения другого полюса можно использовать свойства главной прямой колонны, которая должна соединять оба полюса и проходить через точку, характеризующую исходную смесь G (рис. 3-18).

Поворачивая главную конноду относительно точки G, можно совместить ее с изотермой и найти минимальные значения удельных тепловых нагрузок испарителя и конденсатора (линия а-в на рис. 3-18). При этом число тарелок n в колонне будет стремиться к бесконечности (n → ∞), а значения ΔT на тарелке питания - к нулю.

Значения Q_{k, мин} и Q_{u, мин} (отрезки a-D и в-R на рис. 3-18) в этом случае будут иметь минимальную величину.

Ректификация в таких предельных условиях невозможна; поэтому в реальной колонне значения q_u и q_k всегда должны несколько превышать q_{u, мин} и q_{k, мин}.

Увеличение q_k и q_u , как видно из диаграммы, в принципе можно вести неограниченно. При этом главная прямая колонны стремится к вертикали (линия а'–в'), а число тарелок в колонне - к минимальному (n → n_мин).

Величины q_k и q_k в действительной колонне должны, естественно, находиться в интервале между q_макс и q_мин .

Обычно для предварительных расчетов принимают q_k (или q_г ) ~1,2&devide;1,25 [Окончательно q_и и q_к определяются при технико-экономической оптимизации, которая проводится в конце первой стадии проектирования установки с учетом изменения показателей системы в целом.]

3. Определение числа идеальных тарелок в колонне.

При выбранном положении полюсов в колонне, используя метод Поншона, можно определить число идеальных тарелок nид для каждой части колонны по числу построенных изотерм. Пример соответствующего построения показан на рис. 3-19.

Из него видно, что при заданных условиях число идеальных тарелок равняется трем в концентрационной и трем в отгонной части колонны.

Число действительных тарелок nид определяется через КПД тарелки η_τ [11]

  (3-27)

Полученные данные достаточны для того, чтобы приступить к конструктивному расчету колонны. В результате этого расчета определяются скорости потоков, размеры колонны и элементов тарелок, гидравлические сопротивлении и т.д. [15].

Следующая страница: 3.4. Термодинамические особенности низкотемпературных К-И систем разделения смесей