Ректификационные установки

 

Непрерывно действующие ректификационные установки наиболее широко распространены в процессах химической технологии. Рассмотрим сущность процесса ректификации на простейшем примере разделения двухкомпонентной смеси.

Колонна 1 снабжается вспомогательным оборудованием, в состав которого, например, входят (рис. 3.12): кипятильник 2, дефлегматор 3, делитель флегмы 4, подогреватель 5, холодильники 6, 7, сборники жидкостей 8, 9, насосы 10.

Для создания восходящего потока пара в колонне в нижней части её или в кипятильнике 2 подводится тепло для испарения жидкой смеси. Пары проходят через слой жидкости на нижней тарелке.

Пусть концентрация жидкости на первой тарелке равна , а ее температура . В результате взаимодействия между жидкостью и паром, имеющим более высокую температуру, жидкость частично испаряется, при этом в пар переходит преимущественно НК. Поэтому на следующую тарелку пар поступает с содержанием НК .

 

Рис. 3.12. Схема непрерывно действующей ректификационной установки:

1 – колонна; 2 – кипятильник; 3 – дефлегматор; 4 – делитель флегмы;

5 – подогреватель исходной смеси; 6 – холодильник дистиллята;

7 – холодильник остатка; 8 – сборник остатка; 9 – сборник дистиллята;

10 – насос

 

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

На второй тарелке жидкость имеет состав и содержит больше НК, чем на первой (). Эта жидкость кипит при более низкой температуре (). Контактируя с ней, пар состава частично конденсируется, обогащается НК и удаляется на вышерасположенную тарелку, имея состав и т. д.

Таким образом, пар, представляющий собой на выходе из кипятильника почти чистый ВК, по мере движения вверх все более обогащается НК и покидает верхнюю тарелку колонны почти чистым НК.

Пары конденсируются в дефлегматоре 3, охлаждаемом, например, водой, и получаемая жидкость делится на два потока: дистиллят – целевой продукт и флегму, которая направляется в верхнюю часть колонны. Следовательно, с помощью дефлегматора в колонне создается нисходящий поток жидкости.

Жидкость, поступающая на орошение колонны (флегма), представляет собой практически чистый НК. Стекая вниз по колонне и взаимодействуя с паром, жидкость все более обогащается ВК, конденсирующимся из пара. Когда жидкость достигает нижней тарелки, она становится практически чистым ВК. Снизу колонны часть ВК выводится остатком в виде целевого продукта, а другая часть поступает на испарение в кипятильник, обогреваемый глухим паром или другим теплоносителем.

На некотором расстоянии от верха колонны к жидкости из дефлегматора присоединяется исходная смесь, поступающая на питающую тарелку колонны. Обычно смесь предварительно подогревают в подогревателе исходной до температуры кипения жидкости на питающей тарелке.

Питающая тарелка делит колонну на две части, имеющие различное назначение. В верхней части колонны наибольшее укрепление паров, т. е. обогащение их НК. Поэтому эта часть колонны называется укрепляющей. В нижней части необходимо максимально удалить из жидкости НК, чтобы в кипятильник стекала жидкость, близкая по составу к чистому ВК. В соответствие с этим эту часть колонны называют исчерпывающей.

Периодически действующие ректификационные установки применятся в производствах небольших масштабов.

Схема периодически действующей установки приведена на рис. 3.13. Исходная смесь загружается в куб 1, где нагревается до температуры кипения и испаряется. Пары проходят через ректификационную колонну 2, взаимодействуя в противотоке с жидкостью, возвращаемой из дефлегматора 3.

В дефлегматоре богатые легколетучим компонентом пары конденсируются, и конденсат поступает в делитель потока 4. Часть жидкости из делителя потока направляется на орошение колонны, а другая часть – дистиллят – проходит через холодильник 5 и направляется в сборники 6.

После того как достигнут заданный состав остатка в кубе (это можно установить по температуре кипения жидкости), остаток сливают, загружают куб исходной смесью и операцию повторяют.

Сравнивая периодически действующую колонну с ректификационной колонной непрерывного действия, следует отметить, что первая колонна работает, подобно верхней части непрерывнодействующей колонны, как колонна для укрепления паров, а куб выполняет роль исчерпывающей части.

 

Рис. 3.13. Схема установки периодической ректификации:

1 – куб; 2 – насадочная ректификационная колонна; 3 – дефлегматор;

4 – делитель флегмы; 5 – холодильник; 6 – сборники дистиллята.

 

Допущения, принимаемые для расчета процессов ректификации. Мольные теплоты испарения компонентов бинарной жидкой смеси обычно близки по величинам, в отличие массовых, которые существенно различаются между собой. В этой связи количества и составы фаз при анализе и расчете процесса наиболее удобно выражать в мольных величинах. В соответствие с этим расходы фаз наиболее целесообразно выражать в молях, а составы – в мольных долях НК.

Примем следующие допущения, мало искажающие результаты, но существенно упрощающие расчет:

1. Разделяемая смесь следует правилу Трутона, согласно которому отношение мольной теплоты испарения или конденсации к абсолютной температуре кипения для всех жидкостей является приближенно постоянной. Для смеси, состоящей из компонентов:

 

 

или при ,

 

.

 

Отсюда следует, что при конденсации 1 кмоль ВК в колонне испаряется
1 кмоль НК, т. е. количество паров (в кмолях), поднимающихся по колонне постоянно ().

2. Состав пара , удаляющегося из колонны в дефлегматор, равен составу дистиллята . При этом допускается, что укрепляющим действием дефлегматора в процессе конденсации паров можно пренебречь и принять , где – состав дистиллята в паровой фазе.

3. Состав пара , поднимающегося из кипятильника в колонну, равен составу жидкости , стекающей в кипятильник из нижней части колонны. Принимая , пренебрегают исчерпывающим действием кипятильника, т. е. изменением состава фаз при испарении в нем жидкости.

4. Теплоты смешения компонентов разделяемой смеси равны нулю.

Кроме того, в расчетах принимают, что смесь, подлежащая разделению, поступает в колонну нагретой до температуры кипения на питающей тарелке.

Для составления материального баланса ректификационной колонны непрерывного действия обозначим: – количество смеси, поступающей на ректификацию; и – количества получающегося дистиллята и остатка соответственно; , , – содержание легколетучего компонента в исходной смеси, дистилляте и остатке, соответственно (мольн. доли).

Материальный баланс процесса разделения:

для всей смеси

;

для легколетучего компонента в смеси

 

.

 

Из этих равенств обычно вычисляют неизвестные количества дистиллята и остатка:

 

;

 

.

 

Уравнения рабочих линий. Материальный баланс ректификации по летучему компоненту может быть выражен общим для всех массообменных процессов равенством:

 

.

 

Пусть количество взаимодействующих паров составляет , а жидкости . Тогда, согласно принятым обозначениям, расход пара , расход жидкости для верхней части ректификационной колонны – для нижней части аппарата – , где – флегмовое число, – число питания. Таким образом, для верхней и нижней частей аппарата уравнения материального баланса имеют вид

 

; (3.6)

 

. (3.7)

 

Для произвольного сечения верхней части аппарата, где рабочие концентрации и , и верха, где концентрация и , из уравнения (3.7) получим

 

(3.8)

 

или

. (3.9)

 

Для произвольного сечения нижней части аппарата, где рабочие концентрации и , и низа, где концентрация и , из уравнения (3.7) найдем

 

или

. (3.10)

 

Уравнения (3.9) и (3.10) являются уравнениями прямых линий рабочих концентраций для верхней и нижней части ректификационного аппарата.

Кроме того, из уравнения (3.6) для сечения, соответствующего вводу исходной смеси ( ), и верхней части аппарата (, ) получаем

 

откуда

.

 

Положения линий рабочих концентраций в диаграмме зависят не только от состава исходной смеси, но также от ее тепловых параметров. Возможны следующие случаи питания исходной смесью: 1) при температуре ниже, чем температура кипения; 2) при температуре кипения; 3) смесью насыщенного пара и жидкости; 4) насыщенным паром; 5) перегретым паром.

Рассмотрим наиболее распространенный случай питания аппарата жидкой смесью при температуре кипения. В этом случае возможны два предельных положения рабочих линий (рис. 3.14): 1–3^´ для верхней и 3–2 нижней части колонны.

Рис. 3.14. Расположение рабочих линий и равновесия с вариантом питания колонны исходной смесью при температуре кипения

 

Первое положение соответствует бесконечно большому флегмовому числу, при котором отрезок, отсекаемый на оси ординат рабочей линией верхней части колонны, , и, следовательно, изменение рабочих концентраций в аппарате отвечает уравнению и обе рабочие линии лежат на диагонали диаграммы. В этих условиях аппарат работает без отбора дистиллята и кубовой жидкости. Как следует из рисунка, бесконечно большому флегмовому числу соответствует максимальная движущая сила.

Второе предельное положение рабочих линий (1-3´´-2) соответствуют пересечению их на равновесной кривой в точке 3´´. Очевидно, что в этой точке движущая сила равна нулю, т. е. и, следовательно, ректификационный аппарат должен иметь бесконечно большую поверхность фазового контакта. Флегмовое число при этом имеет наименьшее значение:

 

,

 

где – состав пара, находящегося в равновесии с жидкостью, поступающей на ректификацию.

Положение рабочих линий 1-3-2 соответствует рабочему состоянию ректификационной аппаратуры. Точка 3, очевидно, может приближаться либо к верхнему пределу 3´´, либо к нижнему 3^´. Соответственно этому изменяются флегмовое число и движущая сила процесса.

Поскольку проведение процесса ректификации связано с испарением жидкости и соответствующими затратами тепла, можно сформулировать одно из важнейших правил ректификации: с уменьшением флегмового числа и, следовательно, затрат тепла на проведение процесса уменьшается движущая сила, и наоборот.

Периодически действующие установки, в свою очередь, подразделяются на установки, работающие в условиях режима постоянного флегмового числа, и установки, работающие в условиях, обеспечивающих постоянный состав дистиллята.

Для обеспечения постоянного состава дистиллята процесс ректификации необходимо проводить при непрерывно изменяющемся флегмовом числе: минимальном в начале процесса и максимальном в конце. По мере отгонки летучего компонента концентрация его в кубе уменьшается до , проходя через ряд промежуточных значений , и т. д. Определение положения точек а, б и т. д. (рис. 3.15), характеризующих соответствующее флегмовое число, возможно путем подбора, а именно: их положение должно отвечать равенству чисел единиц переноса для границ концентраций , и т. д. в пределах концентраций .

 

 

Рис. 3.15. Изображение рабочих линий процесса периодической

ректификации при

 

 

Очевидно, что проведение процесса ректификации периодическим методом при режиме практически затруднительно, поскольку для этого требуется непрерывное и строго программное изменение питания колонны парами и флегмой. Поэтому этот режим ректификации в промышленности применяют очень редко.

Широко распространен процесс ректификации, проводимый периодическим методом в условиях поддержания постоянного флегмового числа. Этот процесс для малотоннажных производств наиболее предпочтителен даже в сравнении с процессом непрерывной ректификации. Это преимущество заключается в том, что разделение смеси из любого числа компонентов возможно при помощи одного ректификационного аппарата.

При постоянном флегмовом числе наклон рабочих линий не зависит от концентраций (рис. 3.16).

Пусть в первый момент ректификации концентрация летучего компонента в кубовой жидкости составляет , а дистилляте . По мере течения процесса концентрация летучего компонента в кубовой жидкости будет уменьшаться и принимать значения , и т. д., вплоть до конечного значения . Соответственно будет уменьшаться и концентрация летучего компонента в дистилляте: , , и т. д. В итоге процесса будет получен дистиллят среднего состава в пределах и остаток состава .

 

Рис. 3.16. Изображение рабочих линий процесса периодической ректификации при

 

По ряду значений флегмовых чисел, отвечающих различным концентрациям летучего компонента в жидкости, можно установить зависимость и путем графического интегрирования найти среднее флегмовое число:

.