Расчёт процесса

Если мы используем для оценки эффективности колонны такой критерий как коэффициент извлечения, то и начинаем расчёты с него. Расчёт чисто теоретический: используется математическая модель, изложенная на странице Википедии.

Цель расчёта: определить характеристики колонны, для которой численный результат будет наиболее близким к экспериментальному. В разделе «Практика использования» есть полученные в эксперименте графики разгонки, возьмём для начала два: насадка стороннего производителя (график красного цвета) и нашу, того же размера (график синего цвета).

Графики, построенные по экспериментальным точкам более толстые, сглаженные и непрерывные, точки на графиках — рассчитанные значения.

Итоговый результат: концентрация спирта в сборнике 73 % об. (красный график) и 90 % об. (синий график), рассчитанные значения 71 % об. и 87 % об. соответственно (30 ТТ красный график и 35 ТТ синий). Исходные данные: в кубе 15,5 л. раствора с начальной концентрацией спирта 1,29 % об., колонна пустая, задержка жидкости на тарелке 4,0 г.

Флегмовое число, измеренное в эксперименте — 16,4 и 25 соотв., рассчитанные численные значения получены при ФЧ 60, что явно больше реального. Но мы не стали вводить в программу поправочные коэффициенты т.к. количество экспериментальных данных недостаточно для того, что бы править математику. Делитесь с нами своими результатами измерений и мы совместно сделаем рабочую программу расчёта процесса.

К сожалению, процесс ректификации — сложный для расчёта процесс, зависимый не только от числа тарелок, флегмового числа, задержки на тарелке, но ещё и от кривой равновесия пар — жидкость. Программа считает концентрации компонентов в паре на тарелках по закону Рауля, представляя азеотроп как индивидуальное вещество (подробно об этом будет рассказано в статье «Обход теоретического ограничения»). Конечно, для системы спирт — вода имеются точные экспериментальные данные, но программа предназначена для расчёта многокомпонентных смесей (до 20 компонентов), таких экспериментальных данных, конечно, нет.

Рассчитывались колонны, имеющие 25, 30, 35, 40, 45 ступеней разделения (теоретических тарелок) с разной задержкой на тарелке. Из полученных результатов отобран один, наиболее соответствующий эксперименту.

Наилучшее соответствие достигается по результатам расчёта колонны с 30 ТТ и задержкой 2,5 г. жидкости на тарелке (красный график) и 35 ТТ с задержкой 4,0 г. (синий график). Результаты расчётов достаточно хорошо согласуются с результатами эксперимента, несмотря на все принятые допущения.

Протокол расчёта — в файлах pr30-2.txt pr35-2.txt, такой же формат имеют все файлы расчётов процесса ректификации на этом сайте. Формат файлов:

    .45934534E+00   .99540651E+02   
    .10256260E+01   .98974458E+02
   ....................................
    .95600179E+02   .44000090E+01
    .10228300E+01   .98977168E+02
 
 FLOW VAPOR,LIQUID (kg/min)     .61000E-01     .60000E-01     .10000E-09   .0040   NTAR   31  
      350.00       15.35800 kg         .00000 kg       15.35800 lt         .00000 lt     78.13 grad C
    .45934534E+00   .99540647E+02
    .10228300E+01   .98977164E+02
    .95600181E+02   .44000076E+01
   .................................... 
      530.00       15.17800 kg         .18000 kg       15.17800 lt         .20715 lt     97.41 grad C
    .19437938E+00   .99805612E+02
    .19443036E+00   .99805660E+02
   ....................................
    .74594092E+01   .92540597E+02
    .71117949E+02   .28882128E+02

• Первая строка и следующие N строк: концентрации компонентов в кубе (первая ступень разделения), в колонне и в сборнике, % массовый. Всего строк концентраций N+1, по числу ступеней разделения (включая куб) + сборник.
• Расход пара, флегмы (строка FLOW VAPOR,LIQUID) (кг./мин.), остаток в сборнике на начало процесса (кг.), задержка жидкости на тарелке (кг.), число тарелок в колонне (включая куб) + сборник. Т.к. в формуле расчёта концентраций компонентов в сборнике в знаменателе есть начальное количество жидкости, то оно не может быть нулевым. Но оно может быть пренебрежимо малым.
• Следующая строка: общее время процесса (хотя процесс отбора дистиллята только начинается, общее время процесса не нулевое: перед началом отбора считались начальные концентрации компонентов при работе колонны на себя (с бесконечным флегмовым числом) до получения стабильных, не изменяющихся при дальнейших расчётах, концентраций компонентов. В данном случае концентрации в колонне перестали изменяться через 350 мин. Эти рассчитанные концентрации и являются начальными для процесса ректификации с отбором дистиллята.
• Та же строка далее: остаток в кубе, остаток в сборнике (кг.), остаток в кубе, остаток в сборнике (литр), температура пара на верхней тарелке (градусы Цельсия).
• Следующие три строки — концентрации компонентов в кубе, в сборнике и в паре на верхней тарелке, % массовый.
• Далее эти четыре строки повторяются: время процесса, кол-во в кубе и сборнике (кг. и л.), температура пара на верхней тарелке. И три строки концентраций.
• Для конечного времени расчёта выводятся все концентрации компонентов: в кубе, в колонне и в сборнике.

На следующей странице — расчёт ректификации спирта — сырца с основными примесями.