книги из ГПНТБ / Стабников В.Н. Перегонка и ректификация спирта

80 Теория перегонки бинарных смесей

Если Р = р\ + Р2 = const, то должно быть осуществлено и дру­ гое равенство: m = mi + m2 = const, т. е. 'недостающее количество молей первого компонента должно быть заменено молями второ­ го компонента, поступающего из жидкой фазы.

Таким образом, и с точки зрения диффузионной теории об­ мен должен совершаться в отношении моль за мюль и молевой поток флегмы и пара должен ос­ таться постоянным для любого се­ чения колонны, как это образно представлено на диаграмме рис. 40.

На диаграмме изображено дви­ жение паров и флегмы в тарелоч­ ной колонне и показан обмен ком­

возрастает. Одновременно в стекающей флегме происходит на­ копление вышекипящего компонента.

Обмен на тарелках компонентами происходит моль на моль. Поэтому, как видно из диаграммы, количество молей в паро­ вом и жидком потоках остается постоянным по всей высоте ко­ лонны.

§ 2. ГРАФИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ АППАРАТОВ ПО МЕТОДУ М. КЭБА И ТИЛЕ

Наиболее широко применяемым в спиртовой промышленно­ сти методом расчета аппаратов является графический метод рас­ чета, предложенный 'Кэбом и Тиле [5]. Рассмотрим этот метод расчета применительно к аппарату, состоящему из колонны истощения и колонны обогащения, стоящих одна над другой

(рис. 41).

Таким аппаратом является, например, брагоперегонный ап­ парат, употребляемый для получения спирта-сырца из бражки.

.Предположим, что; молекулярные теплоты испарения обоих компонентов равны; теплоты смешения равны нулю;

колонна 'совершенно изолирова­ на, й потерь тепла в окружаю­ щее -пространство .нет;

питание колонны поступает при температуре кипения на та­ релке питания.

В результате этих допущений может 'быть найдено, что моле­ вые потоки дара и флегмы в ко­ лонне постоянны по всей ее вы­ соте.

Аппарат, изображенный на рис. 41, является аппаратом не­ прерывного действия. Он может быть обогреваем глухим или острым паром. Рассмотрим сна­ чала вопрос о работе аппарата с обогревом глухим паром.

Колонна укрепления

Дефлегматор D снабжает колонну флегмой. Несконденсировавшиеся в дефлегматоре пары поступают в холодильник X, где образуют сырец — дистиллят.

Допустим, что дефлегматор укрепляющего действия не про­ изводит и, следовательно, только делит на две части пары, по­ ступающие в него из колонны. Одна часть— флегма f —i воз­ вращается в колонну, другая часть — дистиллят — является про­ дуктом перегонки.

Рассмотрим материальный баланс верхней .укрепляющей ча­ сти колонны.

Для любого сечения этой колонны между ее тарелками мо­ жет быть написано уравнение:

Составим уравнение материального баланса по нижекипящему компоненту для произвольного сечения между тарелка­

82 Теория перегонки бинарных смесей

ду тарелками количество нижекипящего в парах равно сумме количества нижекипящего во флегме в том же сечении и коли­ чества нижекипящего в дистилляте. В этом можно легко убе­ диться, рассматривая рис. 40, где графически изображено дви­ жение потоков пара и жидкости в колонне.

.Из уравнения (21) определим X:

числом. Очевидно, флегмовое число показывает, в каком отно­

быть построена в координатах X—х, т. е. в тех же, что и кривая равновесия. Линия эта носит название оперативной, или рабо­ чей, линии и связывает содержание н. к. в парах и в жидкости между любой парой тарелок укрепляющей колонны. Построение этой линии может быть легко проведено, если известно флег­ мовое число v и содержание н. к. в дистилляте.

на вертикальной оси. Построение рабочей линии показано на рис. 42.

На рис. 43 показана более удобная методика построения ра­ бочей линии. Для этого из точки xD на оси абсцисс восстанавли­ ваем перпендикуляр до пересечения его с диагональю диаграм­

Следовательно,

х 2= х м, но х х— х ь

поэтому

х , = х , — х М '

Таким образом, если питание колонны поступает при темпе­ ратуре кипения, то рабочие линии колонны укрепления и ко­ лонны истощения пересекаются в точке, которая лежит на вертикали, восстановленной из точки, лежащей на оси абсцисс и отсекающей на ней отрезок хм (точка К)-

Найдем так же координаты точки пересечения рабочей ли­ нии нижней колонны с диагональю графика. Из уравнения ра­ бочей линии колонны истощения получаем:

или

(и + V) X = (v + \)Х + (и — 1) x R,

отсюда--

их -(- v x = v X + Х + uxR — x R .

Отсюда х0= хв, т. е. рабочая линия колонны истощения пе­ ресекает диагональ диаграммы в точке, абсцисса которой от­ вечает концентрации спирта в остатке.

Имея в виду изложенное, можно провести построение рабо­ чих линий укрепляющей и истощающей колонны следующим образом (см. рис. 47). Из точки хо на горизонтальной оси вос­ станавливаем перпендикуляр до пересечения его с диагональю графика. Таким образом находим точку а, лежащую на рабочей линии верхней колонны. Вторую точку с этой линии находим, откладывая отрезок В на вертикальной оси. Соединяя точки а и с, находим положение рабочей линии верхней колонны.

Найдем на горизонтальной оси точки xR и хм- Из первой восстанавливаем перпендикуляр до диагонали и находим точку д. Из второй восстанавливаем перпендикуляр до пересечения его с линией са и находим точку К■ Соединяя точки К и д, полу­ чаем рабочую линию нижней колонны.

Построение ступенчатого графика для нахождения числа сту-i пеней концентрации показано на рис. 48.

Составим теперь уравнение рабочей линии истощающей ко­ лонны для случая, когда обогрев ведется острым (открытым) паром [6 ].

В этом случае уравнение баланса для нижекипящего компо­ нента будет иметь следующий вид:

Fx — ОХ = (R + Р) x R,

или, так как F=M+f, G—D-\-f и R = M —D, то

(М + f ) x — ( D + f ) X = ( M — D + P) x R,

но P=G, a G—D=f. Следовательно, можно написать:

заключить, что угол наклона рабочей линии остается неизмен­ ным; что касается отрезка на горизонтальной оси, то он увели­ чивается и становится равным xR.

Количество ступеней концентрации при одном и том же х в колонне с обогревом острым паром должно быть меньшим, так как остаток разбавляется конденсатом греющего пара.

§ 3. ПОСТРОЕНИЕ РАБОЧИХ ЛИНИИ ПРИ ТЕМПЕРАТУРЕ ПИТАНИЯ, ЛЕЖАЩЕЙ НИЖЕ ТОЧКИ КИПЕНИЯ ЖИДКОСТИ

Изложенные выше методы построения рабочих линий спра­ ведливы для того случая, когда температура питания равна температуре кипения жидкости на тарелке питания. Однако в практике перегонки нередко питающая жидкость поступает при более низкой температуре. Бывают также случаи, когда жид­ кость нагрета выше температуры кипения на питательной та­ релке.

Рассмотрим случай, когда питание недогрето до температу­ ры кипения. В этом случае на приемной тарелке происходит на­ гревание питания до температуры кипения за счет конденсации части паров, пришедших с нижележащей тарелки. Это приве­ дет к увеличению количества стекающей с питательной тарелки жидкости. Обозначим температуру питания через А; температу­ ру кипения на приемной тарелке через fa, теплоемкость 1 кмоля питания обозначим через См = сМ0, где с — теплоемкость в ккал/кг ■град, М0— молекулярный вес питания; г — теплота ис­ парения питания в ккал/кг.

Для того чтобы учесть увеличение количества жидкости на питательной тарелке за счет недогрева, при построении рабочей линии будем умножать величину питания М на коэффициент К, больший единицы.

Значение этого коэффициента можно найти из следующих со­ ображений.

Для приведения в состояние кипения 1 кмоля недогретого пи­ тания потребуется тепла: