Технологический расчет. 
Понятие ректификации

Материальный баланс колонны.

Массовый расход получаемого дистиллята и кубового остатка определяют из уравнения материального баланса колонны по низкокипящему компоненту:

ректификация кислота кипение.

; (2).

; (3).

кг/ч.

кг/ч Проверка:

.

.

После определения массового расхода дистиллята и кубовой жидкости находят массовый расход каждого компонента в дистилляте и кубовом продукте, мольный расход компонентов в продуктах разделения смеси и, а также мольный состав получаемых дистиллята и остатка. Для составления материального баланса используют соотношения:

; (4).

; (5).

; (6).

; (7).

; (8).

; (9).

; (10).

; (11).

. (12).

где — молярная масса i-того компонента смеси; q — число компонентов смеси.

Массовые расходы муравьиной и уксусной кислот в сырье, дистилляте и кубовом продукте определяем соответственно по формулам (4) — (6):

кг/ч;

кг/ч;

кг/ч;

кг/ч;

кг/ч;

кг/ч.

Проверка:

.

.

.

Мольные расходы муравьиной и уксусной кислот в сырье, дистилляте и кубовом продукте рассчитываем по формулам (7) — (9):

кмоль/ч;

кмоль/ч;

кмоль/ч;

кмоль/ч;

кмоль/ч;

кмоль/ч.

Проверка:

.

.

.

Мольные доли муравьиной и уксусной кислот в сырье, дистилляте и кубовой жидкости определяем по формулам (10) — (12):

;

;

;

;

;

.

Проверка:

.

.

.

.

Материальный баланс колонны представлен в табл.1.

Таблица 1 Материальный баланс колонны

Компоненты.	Молярная масса М, кг/кмоль.	Сырье.	Дистиллят.	Кубовый остаток.
Массовый расход GiF, кг/ч.	Массовая доля XiF.	Мольный расход NiF, кмоль/ч.	Мольная доля XiF.	Массовый расход GiD, кг/ч.	Массовая доля XiD.	Мольный расход NiD, кмоль/ч.	Мольная доля XiD.	Массовый расход GiW, кг/ч.	Массовая доля XiW.	Мольный расход NiW, кмоль/ч.	Мольная доля XiW.
Муравьиная кислота.			0,3.		0,36.	3997,47.	0,93.	86,9.	0,95.	142,53.	0,015.	3,1.	0,019.
Уксусная кислота.			0,7.		0,64.	300,89.	0,07.		0,05.	9359,11.	0,985.		0,981.
Сумма.	;		1,0.		1,0.	4298,36.	1,0.	91,9.	1,0.	9501,64.	1,0.	159,1.	1,0.

Построение диаграммы фазового равновесия в координатах у-х В процессах простой перегонки и ректификации равновесные концентрации фаз определяются зависимостью.

(19).

где — мольная концентрация i-того компонента в паре, равновесном с жидкостью состава .

В случаях, когда разделяемую смесь можно считать идеальной, т. е. для всех компонентов смеси выполняется закон Рауля, коэффициент распределения рассчитывается как отношение давления насыщенного пара компонента при фиксированной температуре к общему давлению в системе р:

. (20).

Для идеальных смесей зависимость между равновесными составами фаз выражается уравнением Рауля-Дальтона.

. (21).

Равновесные составы паровой и жидкой фаз и температура кипения смесей представлены в табл. 2.

Таблица 2

t, °C.	x.	y.
118,1.
116,0.	0,05.	0,08.
115,4.	0,1.	0,146.
112,8.	0,2.	0,26.
110,7.	0,3.	0,38.
108,8.	0,4.	0,485.
107,0.	0,5.	0,576.
105,4.	0,6.	0,66.
103,9.	0,7.	0,746.
102,5.	0,8.	0,836.
101,4.	0,9.	0,922.
100,8.	1,0.	1,0.

По данным табл. 2 строим диаграммы фазового равновесия в координатах у-х и t-x, y. Так как сырье поступает в колонну при температуре кипения (е=0), находим температуру, для этого из точки с абсциссой = 0,36 восстанавливаем перпендикуляр до пересечения с изобарной температурной кривой. Температура в зоне питания составляет = 110,7°С. Аналогично определяем температуру в кубе колонны = 117 °C. Для определения температуры паров наверху колонны из точки с абсциссой восстанавливаем перпендикуляр до пересечения с изобарной температурной кривой конденсации. Температура наверху колонны составляет = 101 °C.

Определение числа теоретических тарелок в колонне.

Минимальное флегмовое число рассчитывают по уравнению (24).

.

где — мольная концентрация низкокипящего компонента в паре, равновесном с жидкостью питания; - мольная концентрация низкокипящего компонента в дистилляте, если в дефлегматоре конденсируется весь пар,; - мольная концентрация низкокипящего компонента в сырье.

.

Для определения оптимального флегмового числа находят минимум функции f® в соответствии с уравнением (26) и рис. 3.

(26).

Для этого принимают несколько значений коэффициента избытка флегмы в, по уравнению (25).

(25).

для каждого значения в вычисляется флегмовое число R, на диаграмму у-х наносятся рабочие линии верхней и нижней частей колонны в соответствии с их уравнениями (27) — (28) и графически определяют число теоретических тарелок в колонне .

Где — относительный (на 1 кмоль дистиллята) мольный расход сырья; - мольная концентрация низкокипящего компонента в кубовой жидкости.

Расчет оптимального флегмового числа показан в табл. 3.

Таблица 3

в.	1,2.	1,4.	1,8.	2,5.	3,0.
R.	6,67.	7,78.	10,01.	13,9.	16,68.
	40,1.				25,2.
(R+1).	307,6.	298,5.		357,6.	445,5.

По данным табл. 3 находим значение оптимального флегмового числа = 7,3.

На рис. 4 показано определение числа теоретических тарелок для оптимального флегмового числа. Уравнение рабочей линии верхней части колонны для имеет вид.

Уравнение рабочей линии нижней части колонны для имеет вид.

Где .

Число теоретических тарелок в верхней части колонны = 21. В нижней части колонны с учетом того, что роль одной тарелки выполняет кипятильник, число теоретических тарелок = 12.

Определение расходов пара и флегмы в колонне Сырье поступает в колонну с долей отгона е=0, поэтому в соответствии с уравнением (31).

(31).

кг/ч.

Массовый расход пара в верхней части колонны рассчитываем по уравнению (33).

(33).

кг/ч Так как все сырье поступает в жидкой фазе, то в соответствии с уравнениями (30), (32) — (34).

(30).

(32).

(33).

. (34).

кг/ч.

Массовый расход флегмы, поступающей в зону питания, рассчитываем по уравнению (35).

(35).

кг/ч.

Массовый расход флегмы, поступающей в нижнюю часть колонны, в соответствии с уравнением (36).

(36).

кг/ч В соответствии с уравнениями (37) — (40) определяем массовые концентрации низкокипящего компонента во внутренних потоках колонны:

(38).

Проверка:

Тепловой баланс колонны.

Принимаем температуру холодного испаряющегося орошения = 40.

Тепловой поток, отводимый водой в дефлегматоре, рассчитываем по уравнению (45); при этом средние значения удельной теплоты испарения и удельной теплоемкости находим по правилу аддитивности:

кДж/кг.

кДж/(кгК).

(45).

кВт.

Энтальпии сырья, дистиллята, кубовой жидкости определяем по правилу аддитивности при соответствующей температуре:

кДж/кг.

кДж/кг.

кДж/кг С учетом тепловых потерь, принятых равными 5% от полезно используемого расхода теплоты, тепловой поток в кипятильнике составит (уравнения (43), (47)):

(43).

(47).

(48).

кВт.

В качестве теплоносителя в кипятильнике колонны принимаем насыщенный водяной пар с абсолютным давлением 0,294 Мпа (3 ат) и степенью сухости ?= 95%. Такой пар имеет температуру 132,9, энтальпию =2730 кДж/кг; энтальпия конденсата = 558,9 кДж/кг. Расход водяного пара в кипятильнике колонны согласно уравнению (48) составит:

кг/с.

Принимаем, что вода в дефлегматоре нагревается от =25 до =38. Тогда расход воды в дефлегматоре (уравнение (49)).

кг/с Массовый расход холодного испаряющегося орошения рассчитываем:

кг/ч.

где энтальпия паров и флегмы определяется по правилу аддитивности:

кДж/кг.

кДж/кг.

Массовый расход горячего орошения, стекающего с 1-й тарелки верхней части колонны.

Проверка: