Моделирование процесса ректификации

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 11 из 29Следующая ⇒

▷ Похожие статьи

Процесс ректификации – один из наиболее распространенных про-цессов разделения смесей в химической технологии. По определению, процессом ректификации называется термический способ разделениясмесей путем многократного испарения и конденсации смеси, сопрово-ждающийся тепло- и массообменом [7, 12].

Рассмотрим математическое описание ректификации. Модель та-рельчатой ректификационной колонны основывается на следующих до-пущениях:

· паровая фаза принимается идеальной;

· жидкость на тарелках полностью перемешана;

· количество тарелок – N;

· смесь состоит из M компонентов;

· исходное питание в количестве F состава z _i подается на n -ю тарел-ку колонны. Сверху колонны отбирается дистиллят в количестве D состава x_{i , d} , а снизу колонны кубовый продукт в количестве W со-става x_{i , w} .

Схема ректификационной установки приведена на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Схема ректификационной колонны:

Fn, D, W – потоки питания колонны, дистиллята и кубового остатка соответственно, кг/ч; L – поток флегмы, кг/ч; zi,n – состав питания

Схема потоков на тарелках колонны изображена на рис. 2.7, а.

Рис. 2.7,а. Схема потоков жидкости и пара

на тарелках ректификационной колонны

Математическое описание включает следующие уравнения:

· общего материального баланса на тарелках колонны:

где G, L – расходы пара и жидкости в колонне соответственно, кг/ч; n – номер тарелки колонны;

· покомпонентного материального баланса:

где x_{i , n} , y_{i , n} – концентрации компонента i на тарелке n в жидкой и паро-вой фазах соответственно;

· теплового баланса:

где H_n и h_n – энтальпии парового и жидкостного потоков соответствен-но, Дж/моль; h_nF – энтальпия потока питания, Дж/моль.

Энтальпии парового H и жидкостного h потоков на каждой ступени разделения n определяются выражениями

i =1

j =1,¼, M.

Здесь H_i ⁰, h_i ⁰ – стандартная энтальпия образования вещества j в па-ровой и жидкой фазах соответственно, Дж/моль;

· фазового равновесия:

где y_i ^*_{, n} – концентрация компонента в паре, находящегося в равновесии

с жидкостью состава x_{i , n} ; K_{i , n} – константа равновесия между жидкостью и паром;

· стехиометрические соотношения:

Если на тарелках колонны равновесие не достигается, то состав па-ра с предыдущей тарелки связывается с составом пара последующей че-

рез эффективность тарелки E_i ⁿ:

концентрация компонента в паре, находящегося в равновесии с жидко-стью состава x_n.

При расчете равновесия «жидкость-пар» отклонение от идеально-сти жидкой фазы учитывается с помощью коэффициента активности γ _, определяемого как функция состава от температуры, например, по уравнению Вильсона [8].

С учетом уравнения (2.44) константу равновесия K_{i , n} можно запи-сать в виде

Зависимость от температуры давления насыщенных паров P_i⁰ (T) i- го компонента определяется из уравнения[16]

Система уравнений (2.39) – (2.48) нелинейная, и для ее решения должны применяться итерационные методы.

Обычно для данной задачи различают два типа внешних условий [8]:

1. Внешние условия для решения задачи в проверочной постановке (расчет режимов работы колонны заданной конструкции):

· состав и количество питания;

· конструктивные параметры (диаметр колонны, число тарелок, межтарельчатое расстояние).

В результате решения задачи определяют: оптимальное флегмовое число, место ввода питания, состав продуктов разделения, профиль температуры по колонне.

2. Внешние условия для решения проектной задачи: · количество и состав разделяемой смеси; · содержание примесей в целевом продукте.

Проектная задача является более общей и включает в себя прове-

рочную.

В результате решения задачи получают число тарелок в колонне, тарелку ввода питания, флегмовое число, диаметр колонны, межтарель-чатое расстояние, тип тарелок, расход пара и жидкости, нагрузку на ки-пятильник и дефлегматор, состав продуктов разделения.

Диаметр ректификационной колонны определяется из уравнения расхода [16]

где D_k – внутренний диаметр колонны; V ₀ – объемный расход пара в ко-лонне; – допустимая скорость пара.

Допустимая скорость пара в свободном сечении колонны рассчи-тывается таким образом, чтобы минимизировать унос флегмы паровым потоком на вышерасположенную тарелку:

где r_L – плотность жидкости, кг/м³; r_G – плотность пара, кг/м³; С ₁ – эм-пирический коэффициент, зависящий от расстояния между тарелками и поверхностного натяжения жидкости.

По результатам расчета диаметра колонны выбирается межтарель-чатое расстояние и тип тарелок.

По данным составов дистиллята и кубового продукта, а также по-токов пара с верха колонны и кубового отбора определяются тепловые нагрузки на кипятильник Q_b и дефлегматор колонны Q_c:

где _исп, – теплота испарения i -го компонента, Дж/моль; _конд, – теплота

конденсации i -го компонента, Дж/моль; – состав кубового остатка

колонны; – состав пара, уходящего с верхней тарелки колонны; G_N – расход пара, уходящего с верхней тарелки колонны, кг/ч.

Исходя из тепловых нагрузок кипятильника и дефлегматора, рас-считывают требуемые расходы греющего пара и охлаждающей воды.

Для определения тарелки ввода питания можно использовать урав-нение Керкбрайда [6]

где N ₁, N ₂ – число тарелок укрепляющей и исчерпывающей частей ко-лонны соответственно; i – индекс тяжелого ключевого компонента, k – индекс легкого ключевого компонента.

Познавательные статьи:



Где возникла философия и почему?

Относительная высота сжатой зоны бетона

Сущность проекции Гаусса-Крюгера и использование ее в геодезии

Тарифы на перевозку пассажиров