Сущность ректификации

Общая оценка процессов дистилляции

Чаще дистилляцию применяют в промышленности в тех случаях, когда не требуется высокой чистоты продукта. Высокие концентрации низкокипящего компонента можно получить лишь при большой разнице в температурах кипения компонентов разделяемой смеси. Правда, многократная дистилляция или парциальная кон­денсация позволяют получать достаточно чистые компоненты. Однако помимо очень низких выходов чистых продуктов эти процессы крайне невыгодны энергетически. Здесь приходится многократно испарять уже однажды испарен­ную жидкость, затрачивая большое количество теплоты и теп­лоносителя. Одновременно приходится затрачивать хладоагент на повторную конденсацию паров. Т.к. процессы парообразования разделены во времени и пространстве, дистилляция – очень длительный процесс.

Тема 9: Ректификация.

Цель: Охарактеризовать сущность ректификации, познакомить с терминологией, основными понятиями и определениями. Представить аппаратурное оформление процессов ректификации.

Ректификацией называют процесс переноса компонентов между кипящей жидкой и насыщенной конденсирующейся паровой фазами при противотоке этих фаз. Или другими словами, ректификацию можно трактовать как совмещение процессов многократной дистилляции и многократной конденсации при противоточном контактировании потоков пара и жидкости. При таком проведении процессов перегонки появляется возможность использования при каждой упомянутой операции теплоты конденсации пара для испарения жидкости – путём непосредственного контактирования паровой и кипящей жидкой фаз.

При чередовании по схеме противотока операций частичной кон­денсации паровой и испарения (дистилляции) жидкой смесей можно получить выходы НК и ВК, примерно соответ­ствующие их содержанию в исходной смеси.

В процессе ректификации подводимая извне теплота затра­чивается только в кипятильнике — в низу колонны однократно для частичного испарения жидкой смеси с получением началь­ного потока пара в обогревающем устройстве в нижней части ректификационного аппарата (чаще всего — колонны). Теплота конденсации паров также отводится только в конденсирующем устройстве — в верхней части ректификационного аппарата.

Сущность ректификации как явления удобно рассмотреть на примере пуска колонны применительно к разделению бинар­ной смеси. Схема ректификационного агрегата показана на рис. 33, а, ей соответствует диаграмма t—х,у для разделяемой смеси (рис. 33, б). Колонну 1 будем считать адиабатической: она хорошо изолирована в тепловом отношении, так что поте­ри теплоты в окружающую среду отсутствуют.

В нижней части колонны находится куб 2 с обогревающим устройством. На выходе паров сверху колонны расположен конденсатор 3.

Пусть в куб залита бинарная жидкая смесь с содержанием НК х₀, нагреем ее до температуры кипения t_ж° и начнем ис­парять. Пары, обогащенные НК, состава у (примем для про­стоты, что они равновесны кубовой жидкости, их температуры одинаковы, т.е. t' = t_ж°) поднимаются вверх, выходят из ко­лонны и полностью конденсируются в конденсаторе до состоя­ния кипящей жидкости. Эта жидкость, естественно, имеет со­став х' = у', но ее температура кипения t_ж^’ < t_п' (см. рис., б). Она возвращается в колонну, стекает вниз и на та­релке № 1 контактирует с восходящим потоком пара того же состава. Пар имеет более высокую температуру, чем жидкость; поэтому на тарелке № 1 происходит интенсивный теплообмен (прямой контакт, высокие коэффициенты теплоотдачи при конденсации и кипении),

Рис. 33. Противоточное контактирование паровой и жидкой фаз (идеализированный процесс): а – схема ректификационного аппарата (1 – колонна, 2 – кипятильник, 3 – конденсатор); б – процесс ректификации на диаграмме t – x, y

сопровождающийся массообменом между жидкой и паровой фазами. В результате пар конденси­руется (реально — частично), выделяется теплота конденсации, и за ее счет частично испаряется жидкость. Подчеркнем: на тарелке № 1 (см. рис. 33, а) жидкость обогащена НК в сравнении с кубовой жидкостью (х^’ > х⁰ ₎; поэтому при ее испарении по­лучается пар, еще более обогащенный НК (у" > у', его темпе­ратура t" < 4, '). Образовавшийся пар поднимается вверх, кон­денсируется в конденсаторе, откуда жидкость состава х" = у" при температуре кипения t" возвращается в колонну. На та­релке № 2 (рис. 33, а) жидкость встречается с паром того же состава. И поскольку температура пара выше, нежели жид­кости, то и здесь происходит акт конденсации — испарения с получением пара с более высоким содержанием НК: у'" > у".

Так постепенно за счет противоточного контакта фаз на та­релках (в случае насадочной колонны — на поверхности насад­ки) снизу вверх нарастают концентрации НК в паре и жидкости; этот эффект и лежит в основе процесса ректификации.

После установления требуемой концентрации НК (чистоты) на верху колонны, верхний продукт может отбираться в качестве целе­вого. Но если отбирать весь верхний продукт, то жидкая фаза перестанет стекать по колонне противотоком к пару, и процесс ректификации будет нарушен. Поэтому после конденсации верхний продукт отбирается лишь частично, предусматривается возврат определенной части конденсата на орошение колонны для поддержания противоточного контакта фаз.

В отличие от дистилляции при ректификации имеет место двунаправленный процесс переноса компонентов: НК из жидкой фазы в паровую и ВК — в обратном направлении.

Типовая схема, потоки, терминология

Принципиальная схема процесса непрерывной ректифика­ции бинарных смесей показана на рис. 34. Исходная смесь / подогревается в подогревателе 2 (предпочтительно до темпера­туры кипения или близкой к ней) и через гребенку 3 (обеспечивающую возможность варьирования места подачи) подается в ректификационную колонну 1, внутри которой раз­мещены контактные устройства (тарелки, насадка). Источни­ком парового потока является кипятильник 4, источником жидкого потока — конденсатор 5. В схеме предусмотрены хо­лодильники 6 и 7 продуктов, отбираемых сверху (поток II) и снизу (поток III), а также емкости исходной смеси и продуктов 8—10.

Рис. 34. Принципиальная схема непрерывнодействующей ректификационной установки для разделения бинарных смесей: 1 — колонна, 2 — подогреватель исходной смеси. 3 — гребенка, 4 — кипятильник, 5 — конденсатор, 6, 7 — холодильники, 8— 10 — сборники; I — исходная смесь, II — дистиллят, III — кубовая жидкость, IV — пар, V — флегма, VI — теплоноситель, VII — охлаждающий агент

Принята следующая терминология основных потоков и уз­лов ректификационной установки:

— поток I — исходная смесь, расход её обозначается F, концентрация x_F;

— поток II - дистиллят (или дистиллат), обозначается P, x_P;

— поток III - кубовый остаток (или кубовая жид­кость), обозначается W, x_W;

—поток IV - восходящий паровой поток, обозначается G, y_G;

—поток Ф - нисходящий жидкостной поток, именуемый флегма, обозначается Ф, х_Ф.

Для непрерывного проведения ректификации необходимо, чтобы поступающая на разделение смесь соприкасалась со встречным потоком пара с несколько большей концентрацией ВК, чем в жидкой смеси. Поэтому исходную смесь подают в то место ректификационной колонны, которое соответствует этому условию. Тарелку, находящуюся в сечении подачи исходной смеси в колонну 1, называют тарелкой питания. Положение тарелки питания специально рассчитывается.

Часть колонны, нахо­дящаяся выше тарелки питания (на выходе из нее получается "крепкий" НК), носит название концентрационной (укрепляющей) части колонны. Часть колонны, находя­щаяся ниже тарелки питания (в ней НК отгоняется из жид­кости, исчерпывается), носит название отгонной (ис­черпывающей) части колонны.

Конденсация пара в конденсаторе, отбор дистиллята и возврат флегмы в колонну осуществляют двумя способами, схематично изображенными на рис. 35. По первому способу (рис. 35, а) уходящий из колонны 1 пар полностью конденсируется в конденсаторе 2, откуда часть жидкости возвращается в колон­ну, а остаток выводится из системы в виде жидкого продукта. В дан­ном случае составы всех трех потоков (пара, поступающего в конденсатор, флег­мы и отводимого жидкого дистиллята) одинаковы.

Рис. 35. Схемы конденсации уходящего из колонны пара и возврата в нее части образовавшейся жидкости: а — полная конденсация пара в конденсаторе, б - частичная конденсация пара в де­флегматоре; 1 — колонна, 2 — конденсатор, 3 — дефлегматор, 4 — гидрозатвор; I — исходная смесь, II — дистиллят, III — кубовая жидкость

По второму способу (рис. 35, б) уходящий из колонны 1 пар лишь час­тично конденсируется в конденсаторе 3, и вся образующаяся жидкость возвра­щается в колонну 1. Дистиллят же отводится в виде пара и при необходимости полностью конденсируется в дополнительном конденсаторе 2. В этом случае парциальный конденсатор 3 часто называют дефлегматором, а сам процесс выде­ления флегмы из пара — дефлегмацией. Здесь отводимый из системы продукт богаче НК, чем выходящий из колонны пар и тем более — возвращаемая в колонну жидкость.

Дата добавления: 2014-12-16