Расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной углеводородной смеси бензол-толуол (стр. 2 из 12)
неидеальные растворы – жидкости со значительными отклонениями от закона Рауля, в том числе смеси с постоянной температурой кипения (азеотропы).
Смесь двух жидкостей, взаиморастворимых в любых соотношениях, представляет собой систему, состоящую из двух фаз и двух компонентов, и по правилу фаз имеет две степени свободы:
С=К–Ф+2=2–2+2=2 (1.3)
Для технических расчетов наиболее важной является диаграмма t–х,у, так как обычно процессы перегонки в промышленных аппаратах протекают при Р=const, т. е. в изобарных условиях. На этой диаграмме (см. рис. 1.2) по оси абсцисс отложены концентрации жидкой х и паровой у фаз, отвечающие различным температурам.
По закону Дальтона рА= Рy*A, и тогда
y*A= pA/P=(PA/P)xA, (1.4)
но
Р=pA+pB=PAxA+PB(1–xB)=PB+(PA–PB)xA (1.5)
тогда
xA=(P–PB)/(PA–PB) (1.6)
Рис. 1.2. Диаграмма t–х, у.
По уравнению (1.6) по известным РА и РB при заданной температуре t1 , t2 и т.д. находят хA , хB и т.д., а затем по уравнению (1.4) –соответствующие значения у*A1 , у*А2 и т.д. и по найденным точкам строят линии кипения жидкости (кривая tA A2 A1 tB) и конденсации паров (кривая tA B2 Bl tB). Уравнение (1.6) устанавливает связь между концентрациями (по жидкости) и заданными давлениями (общим Р и насыщенных паров РАи РB). Отрезки А1В1, А2В2 и т.д., соединяющие точки равновесных составов жидкой и паровой фаз, являются изотермами.
Точки, лежащие на кривой tA A2 A1tB,, отвечают жидкой фазе, находящейся при температуре кипения. Очевидно, что любая точка, лежащая ниже этой кривой, характеризует систему, состоящую только из жидкой фазы. Аналогично, любая точка, лежащая выше кривой tAB2В1 tB , характеризует систему, температура которой выше температуры начала конденсации пара, т. е. пары в этой точке являются перегретыми, и система состоит только из паровой фазы. Точки, находящиеся между кривыми кипения и конденсации (например, точка С на рис. 1.2), характеризуют системы, температуры которых выше температуры кипения жидкости данного состава и ниже температуры конденсации паров этого же состава. Таким образом, эти точки отвечают равновесным парожидкостным системам.
Для идеальных бинарных систем получено уравнение (1.7), которое описывает линию равновесия:
у*А=ахА/[1+хА(а–1)], где (1.7)
а=РА/РВ – относительная летучесть компонента А (иногда а называют коэффициентом разделения).
Для смеси, состоящей из n компонентов, например, А,В,С,D, на основе законов Рауля и Дальтона имеем:
yA=(РA/Р)хA; yB=(РB/Р)хB; yC=(РC/Р)хC; yD=(РD/Р)хD (1.8)
Поскольку
P=PAxA+PBxB+PCxC+PDxD+…=
(1.9)то для любого j-го компонента
yj=PjXj/
(1.10)Разделив числитель и знаменатель правой части уравнения (1.10) на величину РА:
yj=аjXj/
, где (1.11)аA=РА/РВ; ав=РВ/РА; аC=РС/РА и т.д.
Зависимость давления насыщенного пара от температуры хорошо описывается эмпирическим уравнением Антуана:
lnРА=А–В/(Т+C), где (1.12)
А – постоянная, не зависящая от температуры;
В и С – константы, определяемые по справочникам;
T – абсолютная температура.
Уравнение (1.12) описывает температурную зависимость давлений паров в интервале температур до нескольких десятков градусов и при давлениях, не слишком близких к критическим.
Реальные жидкие смеси могут значительно отклоняться от закона Рауля. Если зависимость полного давления (или сумма парциальных давлений) паров от состава жидкой смеси проходит выше линий, характеризующих те же зависимости для идеальных смесей (см. рис. 1.3), то такое отклонение называют положительным, если ниже – отрицательным отклонением от закона Рауля. Эти отклонения определяются изменением активности молекул в растворе, диссоциацией, гидратацией и др. Степень отклонения реальной системы от закона Рауля выражают величиной коэффициента активности
:pA=PAxA
(1.13)Для смесей с положительным отклонением от закона Рауля
>1; для смесей с отрицательным отклонением – <1.Определение значений часто затруднительно, поэтому диаграммы P–х обычно строят по экспериментальным (справочным) данным. 
Рис. 1.3. Диаграмма P–x для смеси с положительным отклонением от закона Рауля (пунктиром показаны соответствующие линии для идеального раствора).
1.2. Основные технологические схемы для проведения разрабатываемого процесса
Процессы ректификации осуществляются периодически или непрерывно при различных давлениях: при атмосферном давлении, под вакуумом (для разделения смесей высококипящих веществ), а также под давлением больше атмосферного (для разделения смесей, являющихся газообразными при нормальных температурах).
1.2.1 Периодическая ректификация
Периодически действующие ректификационные установки применяют для разделения жидких смесей в тех случаях, когда использование непрерывнодействующих установок нецелесообразно.
 |
Один из возможных вариантов установки показан на рис. 1.4.
Рис. 1.4. Схема установки для проведения периодической ректификации:
1 – куб; 2 – колонна; 3 – дефлегматор; 4 – делитель потоков; 5 – холодильник; 6 – сборники.
Исходную смесь периодически загружают в куб – кипятильник 1, где доводят до кипения. Образующиеся пары поднимаются по колонне 2, в которой происходит противоточное взаимодействие этих паров с жидкостью (флегмой), поступающей из дефлегматора 3. Часть конденсата после делителя потока возвращается в колонну в виде флегмы, другая часть – дистиллят Р – через холодильник 5 собирается в сборниках 6,7 в виде отдельных фракций. Процесс ректификации заканчивают обычно после того, как будет достигнут за данный средний состав дистиллята.
1.2.2 Непрерывная ректификация
Рассмотрим, как реализуются указанные выше условия в ректификационных колоннах непрерывного действия (см. рис. 1.5), которые наиболее широко применяются в промышленности.
Рис. 1.5. Схема непрерывно действующей ректификационной установки:
1 – ректификационная колонна (а – укрепляющая часть, б – исчерпывающая часть); 2 – кипятильник; 3 – дефлегматор; 4 – делитель флегмы; 5 – подогреватель исходной смеси; 6 – холодильник дистиллята (или холодильник–конденсатор); 7 – холодильник остатка (или нижнего продукта); 8,9 – сборники; 10 – насосы.
Ректификационная колонна 1 имеет цилиндрический корпус, внутри которого установлены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Снизу вверх по колонне движутся пары, поступающие в нижнюю часть аппарата из кипятильника 2, который находится вне колонны, т.е. является выносным, либо размещается непосредственно под колонной. Следовательно, с помощью кипятильника создается восходящий поток пара. Пары проходят через слой жидкости на нижней тарелке, которую будем считать первой, ведя нумерацию тарелок условно снизу вверх.
Пусть концентрация жидкости на первой тарелке равна х1(по низкокипящему компоненту), а ее температура t1. В результате взаимодействия между жидкостью и паром, имеющим более высокую температуру, жидкость частично испаряется, причем в пар переходит преимущественно низкокипящий компонент. Поэтому на следующую (вторую) тарелку поступает пар с содержанием низкокипящего компонента у1>х1.
Испарение жидкости на тарелке происходит за счет тепла конденсации пара. Из пара конденсируется и переходит в жидкость преимущественно высококипящий компонент, содержание которого в поступающем на тарелку паре выше равновесного с составом жидкости на тарелке. При равенстве теплот испарения компонентов бинарной смеси для испарения 1 моль низкокипящего компонента необходимо сконденсировать 1 моль высококипящего компонента, т.е. фазы на тарелке обмениваются эквимолекулярными количествами компонентов.
На второй тарелке жидкость имеет состав x2, содержит больше низкокипящего компонента, чем на первой (х2>x1), и соответственно кипит при более низкой температуре (t2<t1). Соприкасаясь с ней, пар состава у1частично конденсируется, обогащается низкокипящим компонентом и удаляется на вышерасположенную тарелку, имея состав y2>x2, и т. д.
Таким образом, пар, представляющий собой на выходе из кипятильника почти чистый высококипящий компонент, по мере движения вверх все более обогащается низкокипящим компонентом и покидает верхнюю тарелку колонны в виде почти чистого низкокипящего компонента, который практически полностью переходит в паровую фазу на пути пара от кипятильника до верха колонны.