Отсюда  находим:

                               (3)

                 

       Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются значением рабочего флегмового числа R. Ввиду отсутствия надёжной методики оценки R_опт используют приближённые вычисления, основанные на определении коэффициента избытка флегмы (орошения) β, равного отношению R/R_min, где R_min – минимальное флегмовое число.

                  ,                        (4)

     где x_F, x_Р – мольные доли легколетучего компонента соответственно в исходной смеси и дистилляте, кмоль/кмоль смеси;

                 y_F^* - концентрация легколетучего компонента в паре, находящегося в равновесии с исходной смесью, кмоль/кмоль смеси.

     Пересчитываем составы фаз из массовых в мольные  доли по соотношению:

                  ,                    (5)

где  – молекулярные массы уксусной кислоты и воды; ,

                 

     Аналогично  находим x_Р и x_W : , .

     Равновесные составы жидкости (x) и пара (y) в мольных % и температура кипения (t) в °C двойных смесей при 760 мм. рт. ст.

     Таблица 1.

 

     По  данным, приведённым в таблице, строим диаграмму равновесия пар – жидкость (диаграмма y – x)(см. приложение ).

     Наносим на график мольную долю летучего компонента в исходной смеси x_F и находим .

     Также на графике для построения рабочей  линии отмечаем x_Р и x_W – содержание летучего компонента в дистилляте и кубовом остатке соответственно.

     Тогда минимальное флегмовое число:

                 

     Задавшись различными значениями коэффициента избытка  флегмы β, определяем соответствующие флегмовые числа из выражения β = R_д/R_min, где R_д –действительное флегмовое число.

     Графическим построением ступеней (см. приложение) изменения концентраций между равновесной и рабочими линиями в диаграмме состав пара y – состав жидкости x находим N.

     Уравнение рабочей линии для укрепляющей  части колонны:

                  ,                      (7)

     Уравнение рабочей линии для исчерпывающей части колонны:

                  ,                     (8)

где  f = F/R – количество питания, приходящегося на 1 кмоль дистиллята.

     При ,

     Результаты  расчётов рабочего флегмового числа

     Таблица 2.

 

     Строим  график зависимости N·(R+1) = f® и определяем экстремум функции. В точке минимума будет находиться оптимальное значение флегмового числа R (см. приложение).

     При ,

     При этом коэффициент избытка флегмы:

     На  графике изображены рабочие линии  и ступени изменения концентраций для верхней (укрепляющей) и нижней (исчерпывающей) части колонны в соответствии с найденным значением R.

                 

     Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости для верхней и нижней частей колонны  определяются из соотношений:

                  ,                        (9)

                  ,                    (10)

     где P – расход дистиллята;

                 F – расход исходной смеси;

                 R – рабочее флегмовое число;

                 M_P, M_F – мольные массы дистиллята и исходной смеси;

                 M_В, M_Н – средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны.

     Мольную массу дистиллята в данном случае можно принять равной мольной массе легколетучего компонента – воды.

     Мольные массы жидкости в верхней и  нижней частях колонны соответственно:

                  ,                  (11)

                  ,                  (12)

где  – мольные массы уксусной кислоты и воды;

             – средний мольный состав жидкости в верхней и нижней частях колонны.

                                          (13)

                 

                                           (14)

                 

     Тогда:

                 

                 

     Мольная масса исходной смеси:

                 

     Подставив, получим:

                  ,

                  .

     Средние массовые потоки пара в верхней G_В и нижней G_Н частях колонны:

                  ,                      (15)

                  ,                      (16)

где  M_В’, M_Н’ – средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны.

                  ,                  (17)

                  ,                  (18)

где 

                  ,                        (19)

                 

                  ,                        (20)

                 

     Величины  y_Р, y_F, y_W определяем из графика рабочей линии в y – x диаграмме при действительном флегмовом числе:

                  , , .

     Тогда:

                 

                 

     Подставив, получим:

                  ,

                   

     3.1.2 Расчёт скорости пара и диаметра колонны.

     Для ситчатых тарелок допустимая скорость в верхней и нижней частях колонны соответственно равна:

                  ,                        (21)

где r_x и r_y – средние плотности жидкости и пара.

     Найдем  плотности жидкости r_xв и r_xн и пара r_yв и r_yн в верхней и нижней частях колонны при средних температурах в них t_в и t_н. Средние температуры паров определим по диаграмме t – х,y (см. приложение).

     

, .

     Тогда:

                                        (22)

                                        (23)

                 

                 

     Плотности жидких воды и уксусной кислоты соответственно равны r_xв = 958 кг/м³ и r_xн = 953,5 кг/м³.

                 

                   

 

      Ориентировочный диаметр колонны определяют из уравнения расхода:

                  ,                           (25)

     Диаметр колонны:

                 

                 

     Выберем стандартный диаметр обечайки колонны d = 1,2 м. При этом действительная рабочая скорость пара будет равна:

                 

                 

     Для колонны диаметром 1200 мм выбираем ситчатую однопоточную тарелку ТС-Р со следующими конструктивными размерами [1, стр.118].

     Диаметр отверстий в тарелке               d_o = 4 мм,

     Шаг между отверстиями                 t =  10 мм,

     Свободное сечение тарелки               F_c = 11,1%,

     Высота  переливного порога                h_п = 30 мм,

     Ширина  переливного порога               b = 722 мм,

     Рабочее сечение тарелки                 S_т = 1,01м²

     Расстояние между тарелками               H = 500 мм.

     Скорость  пара в рабочем сечении тарелки

                 

                 

                   

 

      3.1.3 Определение высоты светлого слоя жидкости на тарелке и паросодержания барботажного слоя.