Непрерывная ректификация

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Теоретические основы разрабатываемого процесса

1.1.1. Общие сведения о процессе ректификация

Ректификация представляет собой процесс многократного частичного испарения жидкости и конденсации паров. Процесс осуществляется путем контакта потоков пара и жидкости, имеющих различную температуру, и проводится обычно в колонных аппаратах. При каждом контакте из жидкости испаряется преимущественно легколетучий, или низкокипящий, компонент (НК), которым обогащаются пары, а из паров конденсируется преимущественно труднолетучий, или высококипящий, компонент (ВК), переходящий в жидкость. Такой двухсторонний обмен компонентами, повторяемый многократно, позволяет получить в конечном счете пары, представляющие собой почти чистый НК. Эти пары после конденсации в отдельном аппарате образуют дистиллят (ректификат) и флегму – жидкость, возвращаемую для орошения колонны и взаимодействия с поднимающимися парами. Пары получают путем частичного испарения снизу колонны остатка, являющегося почти чистым ВК.

Как отмечалось, достаточно высокая степень разделения однородных жидких смесей на компоненты может быть до­стигнута путем ректификации. Сущность процессов, из которых складывается ректификация, и получаемые при этом результаты можно проследить с помощью t — х — у -диаграммы (рис. 1.1).

Нагрев исходную смесь состава х₁до температуры кипения получим находящийся в равновесии с жидкостью пар (точка b). Отбор и конден­сация этого пара дают жидкость состава x₂обогащенную НК (х₂ > х₁).Нагрев эту жидкость до температуры кипения t₂, получим пар (точка d),конденсация которого дает жидкость с еще большим содержанием НК, имеющую состав х_а, и т. д. Проводя таким образом последовательно ряд процессов испарения жидкости и конденсации паров, можно получить в итоге жидкость (дистиллят), представляющую собой практически чи­стый НК.

Рис. 1.1. Изображение процесса разделения бинар­ной смеси путем ректифика­ции на диаграмме t—Х—у.

Аналогично, исходя из паровой фазы, соответствующей составу жид­кости x₄, путем проведения ряда последовательных процессов конденса­ции и испарения можно получить жидкость (остаток), состоящую почти целиком из ВК.

В простейшем виде процесс многократного испарения можно осущест­вить в многоступенчатой установке, в первой ступени которой испаряется исходная смесь. На вторую ступень поступает на испарение жидкость, оставшаяся после отделения паров в первой ступени, в третьей ступени испаряется жидкость, поступившая из второй ступени (после отбора из последней паров) и т. д. Аналогично может быть организован процесс многократной конденсации, при котором на каждую следующую ступень поступают для конденсации пары, остав­шиеся после отделения от них жидкости (конденсата) в предыдущей ступени.

При достаточно большом числе ступеней таким путем можно получить жидкую или паровую фазу с достаточно высокой концен­трацией компонента, которым она обогаща­ется. Однако выход этой фазы будет мал по отношению к ее количеству в исходной смеси. Кроме того, описанные установки отличают­ся громоздкостью и большими потерями теп­ла в окружающую среду.

Значительно более экономичное, полное и четкое разделение смесей на компоненты достигается в процессах ректификации, про­водимых обычно в более компактных ап­паратах — ректификационных колоннах.

Процесс ректификации осуществляется путем многократного контакта между неравновесными жидкой и паровой фазами, движущимися относи­тельно друг друга.

При взаимодействии фаз между ними происходит массо- и теплообмен, обусловленные стремлением системы к состоянию равновесия. В резуль­тате каждого контакта компоненты перераспределяются между фазами: пар несколько обогащается НК, а жидкость — ВК. Многократное контактирование приводит к практически полному разделению исходной смеси.

Таким образом, отсутствие равновесия (и соответственно наличие раз­ности температур фаз) при движении фаз с определенной относительной скоростью и многократном их контактировании являются необходимыми условиями проведения ректификации.

1.1.2. Равновесие в системах жидкость-пар

В общем случае жидкая смесь может состоять из нескольких компонентов. В простейшем случае из двух, например из компо­нентов А и В. Характер поведения жидкой смеси зависит главным образом от природы составляющих ее веществ и давления.

Для идеальных растворов характерно то, что сила взаимодейст­вия между всеми молекулами (одноименными и разноименными) равна. При этом общая сила, с которой молекула удерживается в смеси, не зависит от состава смеси. Очевидно, что парциальное давление в этом случае должно зависеть лишь от числа молекул, достигающих в единицу времени поверхности жидкости со ско­ростью, необходимой для преодоления сил внутреннего притяжения молекул, т. е. при данной температуре давление соответствующего компонента возрастает пропорционально его содержанию в жидкой смеси (закон Рауля):

р_А = Р_Ах_А (1.1) и р_В = Р_В(1-х_А) (1.2.)

Закон Рауля справедлив и для газов с температурой ниже критической(т. е. такой температуры, выше которой газ при увели­чении давления не сжижается).

По степени растворимости компонентов смеси жидкости подраз­деляют на взаиморастворимые в любых соотношениях, частично растворимые и практически взаимонерастворимые. В свою очередь смеси со взаиморастворимыми компонентами в любых соотноше­ниях делятся на: идеальные растворы, которые подчиняются закону Рауля; так называемые нормальные растворы - жидкие смеси, частично отклоняющиеся от закона Рауля, но не образующие смесей: с постоянной температурой кипения (азеотропов)неидеальные растворы - жидкости со значительными отклонениями от закона Рауля, в том числе смеси с постоянной температурой кипения (азеотропы). (Отметим, что полностью взаимонерастворимых жидкостей нет, обычно все жидкости хотя бы в незначительных количествах, но растворяются друг в друге. Однако в этих случаях на практике для удобства принимают такие жидкости взаимонерастворимыми.)

Смесь двух жидкостей, взаиморастворимых в любых соотноше­ниях, представляет собой систему, состоящую из двух фаз и двух компонентов, и по правилу фаз:

С=К-Ф+2=2-2+2=2 (1.3.)

имеет две степени свободы (из трех - давления Р, температуры t, концентрации х). Однако при анализе и расчете процессов перегонки жидкостей одну из переменных обычно закрепляют и строят диа­грамму фаз в плоской системе координат. При этом возможны следующие варианты фазовых диаграмм: Р — t (х = const), Р — — x(t = const), t — х(Р = const).

Для технических расчетов наиболее важной является диаграмма t — х, у, так как обычно процессы перегонки в промышленных аппаратах протекают при Р = const, т. е. в изобарных условиях. На этой диаграмме (рис. 5.2.) по оси абсцисс отложены концентрации жидкой х и паровой у фаз, отвечающие различным температурам.

Рис. 1.2. Фазовая диаграмма t — х, у

По закону Дальтона р_А = Рy^*_A, и тогда

y^*_A= p_A/P=(P_A/P) x_A, (1.4.)

но

Р = p_A+p_B=P_Ax_A+P_B(1-x_B)=P_B+(P_A-P_B)x_A (1.5.)

тогда

x_A=(P-P_B)/(P_A-P_B) (1.6.)

По уравнению (1.6.)) по известным Р_Аи Р_Bпри заданной температуре t₁ , t₂и т.д. находят х_A , х_Bи т.д., а затем по уравнению (1.4.) -соответствующие значения у*_A1 , у*_А2и т.д. и по найденным точкам строят линии кипения жидкости (кривая t_AA₂A₁t_B) и конденсации паров (кривая t_AB₂B_lt_B). Отметим, что уравнение (1.6.) устанавливает связь между концентрациями (по жидкости) и заданными давлениями (общим Р и насыщенных паров Р_Аи Р_B). Отрезки А₁В₁ , А₂ В₂и т. д., соединяющие точки равновес­ных составов жидкой и паровой фаз, являются изотермами.

Отметим, что точки, лежащие на кривой t_AA₂A₁t_B,, отвечают жидкой фазе, находящейся при температуре кипения. Очевидно, что любая точка, лежащая ниже этой кривой, характеризует систему, состоящую только из жидкой фазы. Аналогично, любая точка лежащая выше кривой t_AB₂ В₁t_B , характеризует систему, темпера тура которой выше температуры начала конденсации пара, т. е пары в этой точке являются перегретыми, и система состоит только из паровой фазы. Точки, находящиеся между кривыми кипения и конденсации (например, точка С на рис. 1.2.), характеризуют системы, температуры которых выше температуры кипения жидко­сти данного состава и ниже температуры конденсации паров этого же состава. Таким образом, эти точки отвечают равновесным парожидкостным системам.

Основные положения фазового равновесия были рассмотрены в гл. 2 (правило фаз Гиббса, законы Генри и Рауля и др.). Там же для идеальных бинарных систем получено уравнение (1.7.), которое описывает линию равновесия:

у*_А = ах_А/(1+х_А(а-1)), (1.7.)

где а = Р_А/Р_В - относительная летучесть компонента А (иногда а называют коэффи­циентом разделения).

Очевидно, что для смеси, состоящей из n компонентов, например, А, В, С, D, на основе законов Рауля и Дальтона имеем

y_A = (Р_A/Р)х_A; y_B = (Р_B/Р)х_B; y_C = (Р_C/Р)х_C; y_D = (Р_D/Р)х_D. (1.8.)

Поскольку

P=P_Ax_A+ P_Bx_B+ P_Cx_C+ P_Dx_D+ …= (1.9.)

то для любого j-го компонента

y_j = P_jX_j/. (1.10.)

Разделив числитель и знаменатель правой части уравнения (1.10) на величину Р_А, получим

y_j = а_jX_j/, (1.11.)

где а_A = Р_А/Р_В ; а_в = Р_В/Р_А ; а_C = Р_С/Р_А и т. д.

Например, зависимость давления насыщенного пара от темпера­туры хорошо описывается эмпирическим уравнением Антуана

lnР_А = А - В/(Т+ C), (1.12.)

где А - постоянная, не зависящая от температуры; В и С -константы, определяемые по справочникам; T- абсолютная температура.

Уравнение (5.12) описывает температурную зависимость давле­ний паров в интервале температур до нескольких десятков градусов и при давлениях, не слишком близких к критическим.

Взаимное положение кривых на фазовых диаграммах t — х — у и у — х как для идеальных, так и для реальных систем могут быть определены с помощью законов Коновалова. Законы Коновалова устанавливают связи между изменениями состава, давления или температуры в двухфазных системах, они лежат в основе теории перегонки и ректификации бинарных смесей.

Первый - закон Коновалова формулируется так: пар обогащается тем компонентом, при добавлении которого к жидкости повышает­ся давление пара над ней или снижается ее температура кипения, или пар всегда более обогащен НК, чем соответствующая ему равновесная жидкая фаза.

Первый закон Коновалова дополняется первым правилом Врев­ского, отражающим влияние температуры на равновесные составы фаз: при повышении температуры бинарной смеси в парах возрас­тает относительное содержание того компонента, парциальная молярная теплота испарения которого больше.

Это можно проиллюстрировать с помощью фазовой диаграммы (рис. 1.2.). Для идеальной смеси очевидно, что при одной и той же температуре t содержание НК в парах у*_A1 (точка B₁ больше его содержания х_а в равновесной с парами жидкости (точка А₁). При добавлении к смеси НК ее температура кипения снижается, но содержание НК в паре остается выше, чем в жидкости.

Реальные жидкие смеси могут значительно отклоняться от закона Рауля. Если зависимость полного давления (или сумма парциальных давлений) паров от состава жидкой смеси проходит выше линий, характеризующих те же зависимости для идеальных смесей (рис. 1.3.), то такое отклонение называют положительным, если ниже - отрицательным отклонением от закона Рауля. Эти отклонения определяются изменением активности молекул в раст­воре, диссоциацией, гидратацией и др. Степень отклонения реаль­ной системы от закона Рауля выражают величиной коэффициента активности :

p_A = P_Ax_A . (1.13.)

Для смесей с положительным отклонением от закона Рауля
> 1, для смесей с отрицательным отклонением — < 1. Отметим, что определение значений у часто затруднительно, поэтому диа­граммы P — х обычно строят по экспериментальным (справочным) данным.

Рис. 1.3. Диаграмма р — х для смеси с поло­жительным отклонением от закона Рауля (пунктиром показаны соответствующие ли­нии для идеального раствора)

Для многих реальных смесей от­клонение от закона Рауля настолько существенно, что приводит к качест­венно новому состоянию системы, а на фазовых диаграммах Р — х и t — х появляются (рис. 1.4.,б, в) от­носительный максимум или мини­мум. При этом кривые жидкости и пара соприкасаются друг с другом в экстремальных точках, в которых составы равновесных фаз одинаковы. Такие смеси, как известно, называют азеотропными, или азеотропами. Их основная особенность состоит в том, что при испарении такая смесь (азеотроп) не изменяет своего состава, поэтому для ее разделения требуются специальные методы (азеотропная и экстрактивная рек­тификация, изменение давления и др.).

Рис. 1.4. Фазовые диаграммы равновесия жидкость-пар для идеальной (а) и реаль- ных (б, в) систем

Эта особенность азеотропных смесей постулируется вторым законом Коновалова, который можно сформулировать следующим образом: если давление и температура сосуществования двух бинар­ных фаз имеют экстремум (максимум или минимум), то составы фаз одинаковы. Это справедливо для фаз любой природы. Для систем жидкость - пар второй закон Коновалова определяет основ­ное свойство азеотропов.

При изменении внешних условий - температуры (или давления) значение а изменяется различно по разные стороны от точки азеотропа; одна часть «рыбки» (рис.1.4., б, в) должна становиться шире, другая - уже. Очевидно, что в части диаграммы, где в паре содержится больше, чем в растворе, компонента с меньшей теплотой испарения, при понижении температуры (давления), а увеличи­вается.

5.1.3. Материальный и тепловой балансы ректификационной колонны

Пусть, согласно схеме на рис. (1.5.), в колонну поступает Fкмоль исходной смеси, состав которой х_Fмол. долей НК. Сверху из колонны удаляется Gкмоль паров, образующих после конденсации флегму и ди­стиллят. Количество получаемого дистил­лята Р кмоль, его состав х_Pмол. долей НК. На орошение колонны возвращается флегма в количестве Ф кмоль, причем ее состав равен составу дистиллята (х_ф= x_Pмол. долей). Снизу из колонны удаля­ется Wкмоль остатка состава x_wмол. до­лей НК.

Тогда уравнение материального баланса колоны будет:

Ф+F = G+W. (1.14)

Поскольку G=P+Ф, то

F = P+W. (1.15.)

Соответственно по НК материальный баланс:

Fx_F = Px_P+Wx_W (1.16.)

Рис. 1.5. К составлению материального баланса ректи­фикационной колонны:

/ — колонна; 2 — куб; 3 — дефлег­матор.

Для колонны непрерывного действия с учетом потерь тепла в окружающую среду имеем:

Приход тепла Расход тепла

С теплоносителем в кипя- С парами, поступающими из

тальнике .……… Q_КИП.. колонны в дефлегматор Q_G= GI

С исходной смесью……….Q_F=Fi_FС остатком………………… Q_W =Wi_w

С флегмой ................. . Q_Ф = Фi_ФПотери в окружающую среду Q_П

Кроме известных величин, в выражения для количеств тепла входят: I, i_F, i_фи i_w— энтальпии соответственно паров, выходящих из колон­ны, исходной смеси, флегмы и остатка.

Таким образом, уравнение теплового баланса:

Qкип + Q_F + Q_Ф = Q_G + Q_W + Q_{П .} (1.17.)

Подставляя вместо Qих значения и учитывая, что F=Р +W, G = P(R+ 1) и Ф = PR, получим

Qкип + (Р + W)i_F + РRi_Ф = P(R+\)I + Wi_W + Q_П(1.18.)

Решая уравнение (5.18.) относительно Qкип, находим расход тепла в кипятильнике

Qкип = Р(I – i_F) + PR( I -i_Ф) + W(i_W - i_F) + Q_П ( 1.18а. )

Из уравнения теплового баланса (5.18а.) видно, что тепло, подво­димое в кипятильник, затрачивается на испарение дистиллята (Р(I—i_F)),испарение флегмы (PR(I — i_ф)), нагревание остатка до температуры ки­пения (W(i_w — i_F)), а также на компенсацию потерь тепла в окружаю­щую среду.

Флегма из дефлегматора поступает в колонну при температуре ее ки­пения. Поэтому энтальпия выходящих из колонны паров I == i_Ф + r_ф, где r_ф — теплота испарения флегмы.

Потери тепла в окружающую среду обычно выражают в долях тепла, подводимого в кипятильник, т. е. принимают Q_П = a_ПQ_кип, где при нали­чии хорошей тепловой изоляции коэффи­циент а_П = 0,03—0,05.

Делая соответствующие подстановки в уравнение (1.18а.), окончательно получим

Q_КИП=(P(I– i_F) + PRr_Ф + W(i_W - i_F)) / (1-a_П) (1.19.)

Энтальпии жидкостей, входящих в урав­нение (1.18.) и (1.19.), равны произве­дениям их мольных теплоемкостей с на тем­пературы t (в °С). Теплоемкости с и теплоты испарения для бинарных смесей вычисляют по правилу аддитивности исходя из свойств чистых компонентов А и В:

с = с_Ах+с_В(1—х)

r = r_Ах+r_В(1—х)

где х — мольная доля компонента А в смеси.

Количество тепла Q_ДЕФ, отнимаемого ох­лаждающей водой в дефлегматоре, зависит от количества конденсирующихся в нем паров. При полной конденсации паров, выходящих из колонны, находим

Q_ДЕФ = P(R+1)r_Ф = P(R+1)(I-i_Ф) (1.20.)

Уравнения рабочих линий. Для получе­ния уравнений рабочих линий воспользуем­ся общим для всех массообменных про­цессов уравнением ():

y=, (1.21)

где L и G— расходы жидкой и паровой фаз; у, х, у_аи х_к—соответственно текущие концентрации паровой и жидкой фаз и их концентрации на верхнем конце колонны .

Применяя это уравнение к процессу ректификации, выразим все вхо­дящие в него величины в мольных единицах.

Укрепляющая часть колонны. Количество жидкости (флегмы), стекаю­щей по этой части колонны

L = Ф = PR, (1.22)

где R= -флегмовое число, представляющее собой отношение количества флегмы к количеству дистиллята.

Количество паров, поднимающихся по колонне

G=P+Ф=P+PR=P(R+1), (1.23)

Для верхнего конца укрепляющей части колонны состав паров y_G=y_Pи, согласно принятому выше допущению, у_р= х_р. Следовательно, в данном случае у_н= х_р.

В том же сечении колонны состав жидкости (флегмы), поступающей из дефлегматора, x_ф= х_р, т. е. х_к = х_р. Учитывая значения L, G, y_kи х_k получаем уравнение (1.24), получим

y= (1.24)

откуда

y= (1.25)

Зависимость (1.24) является уравнением рабочей ли­нии укреплящей части колонны. В этом уравнении = tg а = А — тангенс угла наклона рабочей линии к оси абсцисс, а =В — отрезок, отсекаемый рабочей линией на оси ординат диаграммы у — х (рис. 1.6).

Исчерпывающая часть колонны. Количество орошающей жидкости L' в этом части колонны больше количества флегмы Ф, стекающей по укреп­ляющей части на количество исходной смеси, поступающей на питаю­щую тарелку. Если обозначить количество питания, приходящегося на 1 кмоль дистиллята через f= F/P, то F = Pfи количество жидкости, стекающей по исчерпывающей части колонны, составит:

L = Ф + F = PR + Pf = P (R + I) (1.26)

Количество пара, проходящего через нижнюю часть колонны, равно количеству пара, поднимающегося по верхней (укрепляющей) ее части. Следовательно

G’=G=P(R+1)

Для низа колонны состав удаляющейся жидкости (остатка) х'_к = x_wи, согласно допущению, состав поступающего сюда из кипятильника пара у’_н=y_w =x_w .Подставив значения L', G', х’_к и у’_н в общее уравнение , получим

(1.27)

После приведения к общему знаменателю и сокращения подобных чле­нов находим:

(1.28)

Зависимость (1.25) представляет собой уравнение рабо­чей линии исчерпывающей части колонны. В этом уравнении = tg a' = А' —тангенс угла наклона рабочей линии к оси ординат, а = В' — отрезок, отсекаемый рабочей линией на оси абсцисс (см. рис.1.6).

Умножив числитель и знаменатель выражений для А' и А (для укре­пляющей части колонны) на количество дистиллята Р, можно заметить, что они представляют собой отношения количеств жидкой и паровой фаз, или удельный расход жидкости, орошающей данную часть колонны.

Построение рабочих линий на диаграмме у — х. Для построения рабочих линиоткладывают на оси абсцисс диаграммы (см. рис. 1.6) за­данные составы жидкостей x_w, x_fи х_р. Учитывая принятые допущения о равенстве составов пара и жидкости на концах колонны, из точки х восстанавливают вертикаль до пересечения с диагональю диаграммы в точке а с координатами у_р= х_р.

Величину Rсчитаем известной. Откладывая на оси ординат отрезок

В=, соединяют прямой конец отрезка (точку d) с точкой а. Из точки, отвечающей заданному составу х_f, прово­дят вертикаль до пересечения с линией adв точке . Прямая а— рабо­чая линия укрепляющей части колонны. Согласно допущению y_w = x_w ,из точки, соответствующей составу x_w , восстанавливают вертикаль до пересечения с диагональю диаграммы и получают точку с — конечную точку рабочей линии исчерпывающей части колонны. Соединяют точку с прямой с точкой , принадлежащей одновременно рабочим линиям укреп­ляющей и исчерпывающей частей колонны. Прямая bcпредставляет собой рабочую линию исчерпывающей части колонны.

Рис. 1.6 Построение рабочих линий ректификационной колонны на у—x диаграмме.

Рабочие линии abи bcв отличие от рабочих линий процесса абсорбции располагаются под линией равновесия. В данном случае, как уже отме­чалось, НК переходит в паровую фазу, стремящуюся к равновесию с жидкой фазой, т. е. по существу десорбируется из жидкости.

1.2. Основные технологические схемы для проведения разрабатываемого процесса

Процессы ректификации осуществляются периодически или непре­рывно при различных давлениях: при атмосферном давлении, под ваку­умом (для разделения смесей высококипящих веществ), а также под дав­лением больше атмосферного (для разделения смесей, являющихся газо­образными при нормальных температурах).

1.2.1. Непрерывная ректификация

Рассмотрим, как реализуются указанные выше условия в ректификационных колоннах непрерывного действия (рис. 1.7.), которые наиболее широко применяются в про­мышленности.

Рис.1.7. Схема непрерывно действующей ректификационной установки:

1— ректификационная колонна (а — укрепляющая часть, б — исчерпывающая часть); 2 —кипятильник; 3 — дефлегматор; 4 — делитель флегмы; 5 — подогреватель исходной смеси;6 — холодильник дистиллята (или холодильник-конденсатор); 7 — холодильник остатка (или нижнего продукта); 8, 9 сборники; 10 — насосы.

Ректификационная колонна 1 имеет цилиндрический корпус, внут­ри которого установлены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Снизу вверх по колонне движутся пары, поступающие в нижнюю часть аппарата из кипятильника 2, кото­рый находится вне колонны, т. е. является выносным (как показано на рисунке 1.7.), либо размещается непосредственно под колонной. Следо­вательно, с помощью кипятильника создается восходящий по­ток пара. Пары проходят через слой жидкости на нижней тарелке, которую будем считать первой, ведя нумерацию тарелок условно снизу вверх.

Пусть концентрация жидкости на первой тарелке равна х₁(по низ­кокипящему компоненту), а ее температура t₁. В результате взаимодействия между жидкостью и паром, имеющим более высокую темпера­туру, жидкость частично испаряется, причем в пар переходит преимуще­ственно НК. Поэтому на следующую (вторую) тарелку поступает пар с содержанием НК у₁> х₁.

Испарение жидкости на тарелке происходит за счет тепла конденса­ции пара. Из пара конденсируется и переходит в жидкость преимуществен­но ВК, содержание которого в поступающем на тарелку паре выше рав­новесного с составом жидкости на тарелке. При равенстве теплот испаре­ния компонентов бинарной смеси для испарения 1 мольНК необходимо сконденсировать 1 моль ВК, т. е. фазы на тарелке обмениваются экви­молекулярными количествами компонентов.

На второй тарелке жидкость имеет состав x₂, содержит больше НК, чем на первой (х₂> x₁), и соответственно кипит при более низкой темпе­ратуре (t₂1). Соприкасаясь с ней, пар состава у₁частично конденси­руется, обогащается НК и удаляется на вышерасположенную тарелку, имея состав y₂ > x₂, и т. д.

Таким образом пар, представляющий собой на выходе из кипятильника почти чистый ВК, по мере движения вверх все более обогащается низко­кипящим компонентом и покидает верхнюю тарелку колонны в виде почти чистого НК, который практически полностью переходит в паровую фазу на пути пара от кипятильника до верха колонны.

Пары конденсируются в дефлегматоре 3, охлаждаемом водой, и полу­чаемая жидкость разделяется в делителе 4 на дистиллят и флегму, которая направляется на верхнюю тарелку колонны. Следовательно, с помощью - дефлегматора в колонне создается нисходящий поток жид­кости.

Жидкость, поступающая на орошение колонны (флегма), представляет собой почти чистый НК. Однако, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, жидкость все более обогащается ВК, конденсирующимся из пара. Когда жидкость достигает нижней тарелки, она становится практически чистым ВК и поступает в кипятильник, обогреваемый глухим паром, или другим теплоносителем.

На некотором расстоянии от верха колонны к жидкости из дефлегма­тора присоединяется исходная смесь, которая поступает на так называе­мую питающую тарелку колонны. Для того чтобы уменьшить тепловую нагрузку кипятильника, исходную смесь обычно предваритель­но нагревают в подогревателе 5 до температуры кипения жидкости на питающей тарелке.

Питающая тарелка как бы делит колонну на две части, имеющие раз­личное назначение. В верхней части 1а (от питающей до верхней тарелки) должно быть обеспечено возможно большее укрепление паров, т. е. обо­гащение их НК с тем, чтобы в дефлегматор направлялись пары, близкие по составу к чистому НК. Поэтому данная часть колонны называется укрепляющей. В нижней части 1б(от питающей до нижней та­релки) необходимо в максимальной степени удалить из жидкости НК, т. е. исчерпать жидкость для того, чтобы в кипятильник стекала жидкость, близкая по составу к чистому ВК. Соответственно эта часть колонны называется исчерпывающей.

В дефлегматоре 3 могут быть сконденсированы либо все пары, посту­пающие из колонны, либо только часть их соответствующая количеству возвращаемой в колонну флегмы. В первом случае часть конденсата, остающаяся после отделения флегмы, представляет собой дистиллят (ректификат), или верхний продукт, который после охлаждения в холо­дильнике 6 направляется в сборник дистиллята 9. Во втором случае не­сконденсированные в дефлегматоре пары одновременно конденсируются и охлаждаются в холодильнике 6, который при таком варианте работы служит конденсатором-холодильником дистиллята.

Жидкость, выходящая из низа колонны (близкая по составу ВК) также делится на две части. Одна часть, как указывалось, направляется в кипя­тильник, а другая — остаток (нижний продукт) после охлаждения водой в холодильнике 7 направляется в сборник 8.

На рис. (1.7.) приведена лишь принципиальная схема непрерывно-действующей ректификационной установки. Такие установки оснащаются необходимыми контрольно-измерительными и регулирующими прибора­ми, позволяющими автоматизировать их работу и проводить процесс с помощью программного управления в оптимальных условиях.

1.2.2. Периодическая ректификация

Периодически действующие ректификационные установки приме­няют, как правило, для разделения жидких смесей в тех случаях, когда использование непрерывнодействующих установок нецеле­сообразно. Обычно это характерно для технологических процессов, в которых количества подлежащих разделению смесей невелики и требуется определенное время для накопления этих продуктов перед разделением или в условиях часто меняющегося состава исходной смеси. Последний случай специфичен для гибких тех­нологических процессов, в которых спектр получаемых продуктов весьма разнообразен.

Периодическую ректификацию проводят на установках с прак­тически идентичной принципиальной схемой. Один из возможных вариантов такой установки показан на рис. (1.8.).

Рис. 1.8. Схема установки для проведения периодической ректификации:

1-куб-кипятильник; 2-подогреватель; 3-ректификационная колонна; 4-дефлегматор; 5-дели­тель потока; 6-холодильник; 7-сборники.

Исходную смесь периодически загружают в куб-кипятильник 1, снабженный подогревателем 2, в который подается теплоноситель, например насыщенный водяной пар. Исходную смесь доводят до кипения. Образующиеся пары подни­маются по колонне 3, в которой происходит противоточное взаимодействие этих паров с жидкостью (флегмой), поступающей из дефлегматора 4. Часть конденсата после делителя потока возвращается в колонну в виде флегмы, другая часть - дис­тиллят Р - через холодильник 6собирается в сборниках 7 в виде отдельных фракций. Процесс ректификации заканчивают обычно после того, как будет достигнут за­данный средний состав дистиллята. Таким образом, колонна 3 является аналогом укрепляющей части колонны непрерывного действия, а куб выполняет роль исчер­пывающей части.

Периодическая ректификация может осуществляться двумя способами: 1) при постоянном составе дистиллята (х_р = const) и 2) при постоянном флегмовом числе (R_P = const).

В первом случае количество флегмы по мере уменьшения содер­жания легколетучего компонента в кубе должно постепенно воз­растать. В промышленных условиях установки для проведения такого процесса необходимо оснащать управляющими автомати­зированными системами, способными осуществлять непрерывное и строго программированное изменение питания колонны флегмой и подачи теплоносителя в испаритель (куб колонны). Изменение основных расходных параметров можно проводить, например, по данным о качественном составе легколетучего компонента либо в кубовой жидкости, либо в дистилляте.

1.2.3. Экстрактивная и азеотропная ректификация

Уровень трудности разделения смесей с близкими температурами кипения может быть оценен с помощью коэффициента относительной летучести = РА/РВ. Если значение невелико, то такую смесь можно разделять под вакуумом. Вместе с тем часто экономически целесообразнее в этом случае оказывается использование метода, основанного на введении в разделяемую смесь дополнительного-разделяющего-компонента избирательного действия.

В разделяющем компоненте, который является высококипящим по отношению к одному из двух компонентов исходной смеси, этот последний хорошо растворим, а второй компонент либо нерастворим, либо труднорастворим. Присутствие третьего - разделяющего, или экстрагирующего, - компонента приводит к снижению сил притяжения нерастворимого компонента в растворе к остальным частицам и в результате этого - к увеличению его относительной летучести в системе (рис. 1.9.).

Таким образом, разделяющий агент обладает избирательным действием - повышает давление пара НК в большей степени, чем давление пара ВК. Резкое увеличение облегчает разделение исходных компонентов, но влечет за собой последующий процесс разделения смеси хорошо растворимого и экстрагирующего компонентов, которые удаляются с остатком. Описанный метод разделения называют экстрактивной ректификацией.

Рис. 1.9. Положение кривой равновесия без добавки (1) и с добавкой (2) разделяющего агента

В отличие от экстрактивной, азеотропная ректификацияза­ключается в осуществлении процесса в присутствии разделяющего компонента, образующего с компонентами разделяемой смеси один или несколько азеотропов, которые в основном отбираются в виде дистиллята. Схема установки для проведения экстрактивной рек­тификации представлена на рис. (1.10.).

Исходную смесь, состоящую из компонентов А и В, подают на та­релку питания колонны 7 для экст­рактивной ректификации. Несколь­ко выше тарелки питания вводят разделяющий агент С. Низкокипя­щий компонент отбирают в виде дистиллята, а смесь высококипяще­го компонента В и разделяющего компонента С из нижней части колонны 1 направляют на разделе­ние в колонну 2. Разделяющий компонент, отбираемый в виде кубового остатка, возвращают на орошение колонны 1.

Рис. 1.10. Схема установки для экстрактивной ректификации бинарной смеси

1-колонна для экстрактивной ректификации; 2-колонна для разделения продукта В и экстра­гирующего компонента С; 3-насосы; 4-кипятильники; 5-конденсаторы

При азеотропной ректификации (рис. 1.11.) исходную азеотропную смесь подают на тарелку питания колонны, которая орошается сверху разделяющим агентом С. Расход разделяющего агента в основном зависит от состава исходной смеси. Так, при азеотроп­ной ректификации расход разделяющего компонента увеличивается с повышением в исходной смеси концентрации тех компонентов, которые отбираются в дистиллят. При экстрактивной ректифи­кации, наоборот, расход разделяющего компонента возрастает при увеличении в исходной смеси концентрации компонентов, отби­раемых в виде кубового остатка.

Рис. 1.11. Схема установки для азеотропной ректификации:

1-колонна; 2-конденсатор; 3-отстойник; 4-кип