Science.tatsel.tu - Молекулярно-кинетическая теория  
  Испарение и
конденсация
Пленочное
кипение
Сверхтекучий
гелий
События и
мероприятия
Библиотека  


Испарение и конденсацияПленочное кипениеСверхтекучий гелийСобытия и мероприятияБиблиотека• История холода• Разделение газовых смесей БольцманиадаХейке Камерлинг-ОннесКриогениус


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 Qu - Qk = idem. Значения Qu и Qk могут изменяться в широком диапазоне, но Qu- Qk при этом остается прежней. Увеличение Qu и Qk приводит к росту энергетических затрат и потоков пара П и жидкости Ж, т.е. кратности циркуляции в колонне. Уменьшение Qu и Qk, 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 Σdc 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 Qk увеличится, или R - в виде пара, что поведет к росту Qu .

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 Qk конденсатора, во втором - испарителя Qu .

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 πk (i&pi k, yd) и π0 (i&pi 0, xR) , и точку, характеризующую исходную смесь G(iGG) .

Все три точки πk, 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 Qu - Qk. Абсолютные величины тепловых нагрузок испарителя и конденсатора можно определить, если задаться значением одной из величин: Qu или Qk . 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 Qk, мин и Qu, 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 qu и qk всегда должны несколько превышать qu, мин и qk, мин.

Увеличение qk и qu , 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 → nмин).

Величины qk и qk в действительной колонне должны, естественно, находиться в интервале между qмакс и qмин .

Обычно для предварительных расчетов принимают qk (или qг ) ~1,2&devide;1,25 [Окончательно qи и qк 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 ητ [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


    • Главная   • Библиотека   • Разделение газовых смесей   • Процесс разделения в сдвоенной (полной) ректификационной колонне  

  Испарение и конденсация Пленочное кипение Сверхтекучий гелий События и мероприятия
Библиотека Больцманиада Камерлинг-Оннес Криогениус
 
  © Science.Tatsel.ru 2006-2017.
Молекулярно-кинетическая теория. Научные публикации.
Испарение и конденсация. Плёночное кипение. Сверхтекучий гелий.
о проекте
условия использования
контакты
карта сайта