Определение оптимального флегмового числа

 

Флегмовым числом называется отношение количества флегмы Ф к количеству дистиллята Р:

R = Ф/Р                                                                    (9)

На диаграмме х - у (см. рисунок 2) величина отрезка В на оси у, получаемого продолжением рабочей линии укрепляющей части колонны до пересечения с осью у, однозначно связана со значением флегмового числа

R = (x_P – B)/B                                                           (10)

Минимальному значению флегмового числа соответствует максимальное значение отрезка В_max, который образуется при проведении линии через точку С с координатами (х_Р; у_Р) и точку B_i c координатами (x_F; у^*_F) до пересечения с осью у

R_min = (x_P – B_max)/B_max                                                  (10а)

В точке В₁ (см. рисунок 2) движущая сила равна 0, поэтому заданное разделение исходной смеси может быть достигнуто при различных значениях.флегмового числа, больше R_min.

При проверочном проектировании ректификационной колонны должно быть выбрано оптимальное значение флегмового числа, при котором рабочий объем аппарата будет минимальным.

Объем колонны

V = n_ox *H_Р                                                                  (11).

где S_к - площадь поперечного сечения колонны, м²;

Н_Р - рабочая высота колонны, м.

Рабочая высота колонны может быть определена по модифицированному уравнению массопередачи

Н_Р = h_x *n_ox                                                                 (12)

где h_x - высота колонны, эквивалентная единице переноса, м;

n_ox - число единиц переноса (ЧЕЛ),

ЧЕП определяется по значениям рабочих и равновесных концентрации и, следовательно, изменяется при изменении флегмового числа.

Поперечного сечения колонны определяется из уравнения расхода

S_к = V/ W,                                                                 (13)

где V – объемный расход паровой фазы в колонне, м³/с;

W - скорость пара в колонне, м/с.

Объемный расход паровой фазы в колонне при прочих равных условиях пропорционален молярному расходу σ и, следовательно, можно записать

S_к = σ/ W                                                                   (14)

При заданной производительности колонны и условиях разделения величины σ, h_x, W остаются неизменными, и можно сделать вывод, что минимум рабочего объема совпадает с минимумом величины

V = (R + 1)* n_ox                                                          (15)

Таким образом, задача отыскания оптимального флегмового числа сводится к задаче отыскания минимума функции

R = f((R + 1)* n_ox)                                                       (16)

Определение минимума этой функции удобно производить графическим путем в следующей последовательности:

а) на графике х - у определяется значение В_max и по формуле (10а) определяется величина R_min;

б) выбирается ряд значений флегмового числа, больших R_min (5 – 6 значений);

в) для каждого выбранного значения флегмового числа графически на диаграмме х - у наносятся рабочие линии;

г) для каждого значения флегмового числа графическим путем вычисляется значение интеграла в пределах от x_W до x_P:

n_ox  = ∫ dx/(x – x^*)                                                         (17)

Перед проведением графического интегрирования целесообразно составить таблицу зависимости 1/(x – x^*) от значения х;

д) проведенные вычисления позволяют построить график в координатах (R + 1)* n_ox от R.

Значение R, при котором функция имеет минимум, будет оптимальным значением флегмового числа R_опт.

Нa диаграмме х - у (см. рисунок 2) наносится точка А (х_W  = y_W =0,021) и точка С (х_P  = y_P = 0,95), а на кривой равновесия наносится точка В₁, с абсциссой х_F = 0,527. Из точки С проводится прямая линия через точку В₁ до пересечения с осью ординат, отсекая на ней отрезок В_max = 0,8. Тогда минимальное флегмовое число

R_min = (0,95 – 0,8)/0,8 ≈ 0,2.

Зададимся значениями флегмовых чисел от 0,2 до 1,0 и определим отрезки, отсекаемые на оси ординат, соответствующие флегмовым числам (см. формулу 10).

При R = 0,25 B_0,25 = 0,95/(0,25 + 1) = 0,76.

При R = 0,5  B_0,5 = 0,95/(0,5 + 1) = 0,635.

При R = 0,75 B_0,75 = 0,95/(0,75 + 1) = 0,542.

При R = 1,0 B_1,0 = 0,95/(1,0 + 1) = 0,475.

Концы каждого полученного отрезка соединяем с точкой С и строим линии рабочих концентраций для каждого значения флегмового числа: для R = 0,2 линия АВ₁С;

для R = 0,25 линия АВ₂С;

для R = 0,5 линия АВ₃С;

для R = 0,75 линия АВ₄С;

для R = 1,0 линия АВ₅С.

Между линиями рабочих концентраций и равновесной кривой определяем значение x – x^* для интервала х_W = 0,021 до х_Р = 0,95 и результаты определения в виде 1/(x – x^*) заносим в таблицу 3.

По величинам, помещенным в таблице 3, для каждого вертикального столбца находим методом графического интегрирования величины площадей для каждого флегмового числа.

Например, рисунок 4. График зависимости 1/(x – x^*) от х.
R = 0,25; S = 23,6 см²; M₁ = 0,1; М₂ = 5; n_ox = М₁*М₂*S= 0,1 * 5 * 23,6 = 11,8.

 

Таблица 3 – Результаты определения движущей силы x – x^*

R	0,25	0,5	0,75	1,0
x	1/(x – x*)	1/(x – x*)	1/(x – x*)	1/(x – x*)
хW = 0,021	66,8	66,8	66,8	66,8
0,1	14,9	14,3	13,9	13,3
0,3	6,4	5,9	5,5	5,3
0,5	10,5	6,5	5,0	4,9
хF = 0,527	25,0	8,0	5,4	4,7
0,6	12,5	6,1	4,7	4,0
0,8	5,9	4,45	3,7	3,45
0,9	4,8	4,55	4,2	4,0
хР = 0,95	5,0	5,0	5,0	5,0

Рисунок 4 – Графическое определение числа единиц переноса для различных значений R.

 

Умножая полученную площадь на масштабные факторы M₁ и M₂, вычисляется число единиц переноса n_ox.

По найденным значениям n_ox для каждого флегмового числа определяется величина (R + 1)* n_ox, результаты заносятся в таблицу 4.

Таблица 4 – Определение величины (R + 1)* n_ox

R	nox	R + 1	(R + 1)* nox
0,25	11,8	1,25	14,7
0,5	8,3	1,5	12,4
0,75	7,2	1,75	12,6
1,0	6,8	2,0	13,6

Строится графическая зависимость (R + 1)* n_ox от R. (рисунок 5), минимальное значение на котором соответствует оптимальному флегмовому числу.

Рисунок 5 – График зависимости (R + 1)* n_ox от R

 

По графику на рисунке 5 находим R_опт = 0,6. Находим отрезок В на линии ординат, соответствующий R_опт = 0,6 по формуле (10):

В_опт = 0,95/(0,6 + 1) = 0,594.

На рисунке 2 этому значению будет соответствовать линия АВ₀С.