Перегонка жидкостей. 
Ректификация

Тема: Перегонка жидкостей. Ректификация

План

1. Перегонка жидкостей. Области практического применения

2. Равновесие в системе пар-жидкость. Закон Рауля

3. Ректификация

4. Материальный баланс непрерывной ректификации бинарных смесей Литература

1. Перегонка жидкости

Перегонка жидкостей — процесс, в котором разделяемая жидкая смесь нагревается до кипения, а образующийся пар отбирается и конденсируется. В результате получают жидкость-конденсат, состав которой отличается от состава начальной смеси. Повторяя много раз процессы испарения конденсата и конденсации, можно практически полностью разделить исходную смесь на чистые составные части (компоненты).

Процесс перегонки основан на том, что жидкости, составляющие смесь, обладают различным давлением (упругостью) пара при одной и той же температуре. Поэтому состав пара, а следовательно, и состав жидкости, получающейся при конденсации пара, будут несколько отличаться от состава начальной смеси: легколетучего (или низкокипящего — НК) компонента в паре будет содержаться больше, чем в перегоняемой жидкости. Очевидно, что в неиспарившейся жидкости концентрация труднолетучего (или высококипящего — ВК) компонента при этом должна увеличиться.

В простейшем случае перегонка почти не отличается от выпарки. При выпарке подвергаются растворы, состоящие из летучего растворителя и практически нелетучего растворенного вещества, а при перегонке в пар переходят и растворитель и растворенное вещество.

Перегонка является одним из важнейших технологических процессов разделения и очистки жидкостей и сжиженных газов в химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности.

Перегонку подразделяют на два основных вида: простую перегонку (или дистилляцию) и ректификацию. К простой перегонке относят также перегонку с водяным паром и молекулярную дистилляцию.

Под простой перегонкой понимают процесс однократного частичного испарения исходной жидкой смеси и конденсации образующихся при этом паров. Ее применяют для разделения смесей, представляющих собой легколетучее вещество с некоторым содержанием весьма труднолетучих веществ. Обычно простую перегонку используют для предварительного разделения, очистки веществ от примесей, смол, загрязнений. При этом сконденсированные пары называют дистиллятом, а оставшуюся неиспаренной жидкость — остатком.

2. Равновесие в системе жидкость-пар. Закон Рауля

В общем случае жидкая смесь может состоять из нескольких компонентов. В простейшем случаеиз 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):

(1)

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

3. Ректификация

Ректификация — массообменный процесс, применяемый для разделения жидких и пароили газообразных смесей, компоненты которых различаются по температурам кипения. Ректификация — наиболее полное разделение смесей жидкостей, целиком или частично растворимых друг в друге. Процесс заключается в многократном взаимодействии паров с жидкостью — флегмой, полученной при частичной конденсации паров. Процесс ректификации осуществляется при контактировании потоков пара или газа и жидкости, которые имеют разные составы и температуры: пар (газ) имеет более высокую температуру, чем вступающая с ним в контакт жидкость. Движущими силами процесса ректификации являются разности составов и температур контактирующих потоков пара или газа и жидкости. При достаточной продолжительности контакта пар и жидкость могут достичь состояния равновесия, при котором температуры потоков станут одинаковыми; при этом их составы будут связаны уравнениями равновесия. Составы встречных (но не вступивших в контакт) потоков пара и жидкости связаны уравнениями рабочих линий. Такой схеме контактирования потоков пара и жидкости соответствует понятие «теоретической тарелки», или «теоретической ступени контакта».

Процесс ректификации осуществляется в ректификационных тарельчатых или насадочных аппаратах колонного типа. Для создания разности температур потоков в нижнюю часть колонны подводят тепло, а из ее верхней части тепло отводят.

В реальных условиях ректификационной колонны равновесие уходящих из контактной зоны потоков пара и жидкости может не достигаться, в связи с чем эти потоки будут иметь разные температуры, а их составы определяться не только уравнениями равновесия, но и более сложными зависимостями.

Верхняя часть колонны, служащая для выделения низкокипящих компонентов, называется концентрационной или укрепляющей, а нижняя часть, в которой выделяются высококипящие компоненты, называется исчерпывающей, или отгонной. Между этими частями колонны находится место ввода сырья — секция питания или эвапорационное пространство.

Основными рабочими параметрами процесса ректификации являются давление и температура в системе, соотношение потоков жидкости и пара (флегмовое число), число контактных ступеней. При соответствующем выборе параметров обеспечивается разделение исходной смеси на компоненты (фракции), удовлетворяющие определенным требованиям.

Представим себе аппарат (например, насадочную колонну), в котором снизу движутся пары (рис.1), а сверху навстречу парам подают жидкость, представляющую собой почти чистый НК. При взаимодействии поднимающихся паров со стекающей жидкостью происходят частичная конденсация и частичное испарение жидкости (флегмы) за счет теплоты конденсации. При этом из пара конденсируется преимущественно ВК, а из флегмы испаряется преимущественно HK. Таким образом, стекающая флегма непрерывно обогащается ВК, а поднимающиеся пары — НК. В результате выходящий из колонны пар состоит почти целиком из НК. Пар конденсируют и специальном теплообменнике-конденсаторе (или дефлегматоре — на рис. 1 не показан). Часть этого конденсата в виде флегмы идет на орошение колонны, другую часть — дистиллят или ректификат отбирают как готовый продукт. Жидкость, выходящую из нижней части колонны, называют кубовым остатком. Для образования восходящих потоков паров колонну 1 снабжают кипятильником 6, в котором происходит испарение части кубового остатка.

Рис. 1.Насадочная ректификационная колонна с кипятильником: 1- корпус; 2- насадка; 3-опорная решетка; 4- перераспределитель флегмы; 5- патрубок для слива кубового остатка; 6- кипятильник; 7- ороситель.

4. Материальный баланс непрерывной ректификации бинарных смесей

ректификация перегонка жидкость бинарный Для получения заданной степени разделения исходной смеси требуется определенное число теоретических тарелок.

Углеводородные смеси, как правило, являются многокомпонентными, при их ректификации применяются следующие методы расчетов числа теоретических тарелок.

Метод расчета «от тарелки к тарелке» предполагает последовательное определение составов паров и жидкости на тарелках колонны с использованием уравнений равновесия, рабочей линии и теплового баланса для каждого сечения колонны. Однако вследствие того, что для многокомпонентных смесей нельзя заранее полностью задать составы продуктов колонны, возникает необходимость корректировки составов продуктов колонны и потоков в некоторых сечениях (например, при вводе сырья, выводе боковых продуктов). Вследствие этого точное решение задачи требует применения метода последовательных приближений.

При аналитическом методе расчета ректификации многокомпонентных смесей, характеризуемых небольшим изменением относительной летучести компонентов в пределах температурного режима колонны, используются уравнения Андервуда или Фенске.

Известны также приближенные методы расчета многокомпонентной ректификации, в которых вводят различные упрощающие допущения относительно распределения компонентов, температур в колонне, флегмовых чисел.

Введем обозначения (рис. 2):

F, x_F-поток (кмоль/с) и концентрация (молярные доли) НК исходной смеси;

Р, х_Р— поток и концентрация НК дистиллята;

W, x_w— поток и концентрация НК кубового остатка;

Ф, х_ф-поток и концентрация НК флегмы;

Gколичество пара (кмоль/с), выходящего из колонны.

Тогда материальный баланс колонны по всему потоку:

Материальный баланс по низкокипящему компоненту:

Рис. 2. К выводу уравнения материального баланса На основе материального баланса выводится уравнение линии рабочих концентраций верхней (укрепляющей) части колонны:

у = [R/(R +1)]х + х_Р/(R +1)

где R — флегмовое число — отношение количества флегмы к количеству дистиллята, R= Ф/Р х_Р — концентрация низкокипящего компонента в дистилляте.

Дытнерский Ю. И. Процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1995 г, 768 с.

Скобло А.И. и др. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии. М.: Недра. 2000. 677