Ректификация бинарных систем

Процесс ректификации, как отмечалось выше, представляет собой достаточно высокую степень разделения однородных жидких смесей на компоненты путем многократной противоточной перегонки. Основными типами аппаратов для проведения процесса ректификации являются тарельчатые и насадочные колонны, которые по устройству принципиально не отличаются от тарельчатых и насадочных абсорберов, рассмотренных в гл. 22. Все эти аппараты, в отличие от абсорберов, для снижения потерь теплоты покрывают тепловой изоляцией.

Для увеличения поверхности контакта фаз в насадочных и ректификационных колоннах часто применяют фасонную насадку с большой удельной поверхностью и свободным объемом (проволочные спирали, регулярная металлическая насадка и т. п.). Обычно такую (достаточно дорогую) насадку применяют для разделения смесей компонентов с близкой температурой кипения.

Основной отличительной особенностью ректификационных колонн от абсорбционных является то, что они должны быть снабжены соответствующей теплообменной аппаратурой (кипятильником, подогревателем, конденсатором-дефлегматором, холодильником дистиллята и кубового остатка).

Чаше всего ректификацию проводят в непрерывном режиме, т. е. при постоянной подаче разделяемой смеси (F) и постоянном отборе дистиллята (D) — из верхней части установки, а также кубового остатка — нижней части установки (W).

Принципиальная схема ректификационной установки непрерывного действия представлена на рис 26.9. Установка состоит из собственно ректификационной колонны 3, разделенной точкой ввода исходной смеси (F) на верхнюю {укрепляющую) и нижнюю (исчерпывающую) части.

В укрепляющей части происходит обогащение поднимающихся паров низкокипящим компонентом (НК), в исчерпывающей части — удаление НК в виде кубового остатка. Поток пара, поднимающегося снизу вверх по ректификационной колонне, поддерживается испарением части кубовой жидкости в кипятильнике 4, а поток жидкости, текущей по колонне сверху вниз — возратом части флегмы Ф, образующейся при конденсации выходящих из колонны паров в дефлегматоре 5. Отметим, что отношение количества киломолей флегмы Ф, приходящееся на 1 кмоль отбираемого дистиллята Д называют флегмовым числом R (R = Ф/D). Общая технологическая схема ректификационной установки дополнительно содержит подогреватели исходного вещества 2 и выносного кубового кипятильника 4, холодильники верхнего D и нижнего продуктов 7, а также дефлегма;

Рис 26.9. Схема ректификационной установки непрерывного действия: 1,8,9 — емкости для исходной смеси, дистиллята, кубового остатка соответственно, 2 — подогреватель; 3 — колонна; 4 — кипятильник, 5 — дефлегматор; 6 — делитель флегмы; 7 — холодильник, 10 — насос тора 5, насоса 10 и емкостей 1, 8, 9.

Дефлегматор 5 и куб-испаритель 4 могут быть расположены либо по оси колонны (встроенные), либо выносными (расположение вне колонны) — в этом случае подача питания смеси F и флегмы Ф в колонну, отбор кубового остатка W и дистиллята D осуществляются насосами.

Подлежащая разделению бинарная смесь F начального состава хр вводится на тарелку питания. Смесь подается при температуре ее кипения (или близкой к ней). В кубе-испарителе из кипящей в нем кубовой жидкости непрерывно образуется пар. Чтобы поддержать процесс парообразования, в куб необходимо подавать греющий водяной пар, при конденсации которого выделяется необходимая теплота.

Образующиеся в кубе-испарителе пары поступают на нижнюю тарелку ректификационной колонны 3. На этой тарелке находится жидкая смесь, содержащая несколько больше летучего компонента по сравнению с его концентрацией в поступающих из куба парах, поэтому температура кипения жидкой смеси на нижней тарелке всегда меньше температуры насыщенных паров куба. Пары с куба при контакте с жидкостью нижней тарелки конденсируются.

При конденсации паров выделяется теплота, которая передается жидкой фазе на тарелке. В результате из жидкости испаряется практически такое же количество новых паров, обогащенных летучим компонентом.

Пары нового состава поднимаются на следующую тарелку, конденсируются там при контакте с несколько более холодной жидкой смесью и испаряют из нее новую порцию жидкости, образуя еще раз обогащенную летучим компонентом смесь паров. Жидкая смесь при температуре кипения стекает на нижнюю тарелку, где контактирует с парами смеси, поступающими из куба-испарителя. На третьей (снизу) и последующих тарелках происходит аналогичный процесс конденсации и кипения, в результате чего смесь паров оказывается обогащенной летучим компонентом, а стекающая вниз жидкая смесь обедняется летучим компонентом (обогащается менее летучим компонентом).

Согласно известному правилу Трутона, мольные теплоты испарения многих жидкостей приблизительно одинаковы, поэтому на любой тарелке 1 кг сконденсировавшейся смеси пара в молях испарит столько же молей жидкостей. Таким образом, с тарелки уйдет вверх приблизительно прежнее количество молей смеси паров, обогащенных летучим компонентом. Следовательно, вверх по ректификационной колонне поднимаются пары переменного состава, но с практически постоянным по высоте мольным расходом. С таким же расходом паровая смесь, обогащенная летучим компонентом, выходит с верхней тарелки укрепляющей части колонны 3 (рис. 26.9) и поступает на конденсацию в дефлегматор 5. В дефлегматоре происходит полная конденсация паров, поэтому состав образующейся жидкой фазы xd такой же, что и состав поступающих на конденсацию паров уо-

Образующийся в дефлегматоре конденсат механически разделяется на два потока. Один поток (Д *о) выводится из установки в качестве готового продукта (дистиллята), максимально обогащенного летучим компонентом. Поток флегмы Ф с такой же конденсацией возвращается на верхнюю тарелку ректификационной колонны 3, чтобы паровому потоку G было из чего извлекать летучий компонент.

Поскольку мольный расход поднимающихся вверх паров не изменяется по всей колонне, то это означает, что и мольный поток стекающей с тарелки на тарелку жидкой смеси также остается неизменным и равным Ф до точки ввода питания F. В этой точке поток жидкости увеличивается до величины F + Ф. Таким образом, по исчерпывающей части колонны вниз стекает суммарный поток, а концентрация летучего компонента в этом потоке уменьшается в направлении к кубу.

На испарение значительного количества жидкой фазы в кубе требуется соответствующее количество теплоты, которое подводится в куб с греющим паром. Греющий пар (обычно в насыщенном состоянии) в кубе-испарителе 4 конденсируется и выделяет теплоту конденсации, передающуюся кипящей кубовой жидкости.

В дефлегматоре 5 происходит конденсация обогащенных летучим компонентом паров с выделением соответствующей теплоты фазового перехода. Эта теплота должна непрерывно отводится из дефлегматора охлаждающим агентом, для чего в дефлегматор чаще всего подается вода.