Ректификация. Ректификация — это процесс разделения жидких смесей на дистиллят и кубовой остаток в результате противоточного взаи­модействия жидкости и пара.

Ректификация — это процесс разделения жидких смесей на дистиллят и кубовой остаток в результате противоточного взаи­модействия жидкости и пара.

Процесс ректификации может осуществляться в периодическом или непрерывном режиме при различном давлении: в ваку­уме (для разделения смесей высококипящих веществ), при атмо­сферном давлении или давлении, превышающем атмосферное.

Ректификационная установка непрерывного действия. Схема та­кой установки приведена на рис. 19.5. Внутри ректификационной колонны 2 расположены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Исходную смесь с мольным расходом G'_F и мольной долей легколетучего компонента подогревают до температуры кипения в теплообменнике 4 и подают в колонну на ту тарелку, где кипит смесь того же состава, т. е. на верхнюю тарелку нижней, исчерпывающей части колонны. Верхняя часть колонны называется укрепляющей по легколетучему компоненту.

Снизу вверх по колонне движется пар, поступающий из куба- испарителя 3. На каждой тарелке происходит частичная конденса-

Рис. 19.5. Схема ректификационной установки непрерывного действия. 1 — дефлегматор; 2 — колонна; 3 — куб-испаритель; 4 — теплообменник для подогрева исходной смеси

ция пара труднолетучего компонента и за счет конденсации — частичное испарение легколетучего компонента. Таким образом, пар, выходящий из куба-испарителя и представляющий собой почти чистый труднолетучий компонент, по мере движения вверх обогащается легколетучим компонентом и покидает колонну в виде почти чистого пара легколетучего компонента. Пар конденсирует­ся в дефлегматоре 1.

Полученный конденсат разделяется на дистиллят (верхний про­дукт) с мольным расходом G'_D и мольной долей легколетучего компонента и флегму, которая направляется на верхнюю та­релку колонны. Флегма, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, обогащается труднолетучим компонентом. Отношение расхода флегмы к расходу дистиллята называется флегмовым числом R. Из куба-испарителя отводят нижний продукт или кубо­вой остаток с мольным расходом G'_W и мольной долей легколету­чего компонента .

Материальный баланс ректификационной колонны. При расче­тах ректификационных колонн принимают следующие допуще­ния:

• состав пара , выходящего из колонны в дефлегматор, и состав флегмы , возвращающейся в колонну, одинаковы, т.е. = ;

• состав пара , поднимающегося из кипятильника в колонну, аналогичен составу жидкости Ив кубе-испарителе, т.е. = .

Уравнения материального баланса ректификационной колон­ны имеют следующий вид:

для потоков —

G'_F= G'_D+ G'_W

для легколетучего компонента —

G'_{F =} G'_{D +} G'_W .

Построение рабочих линий ректификационной колонны на диаграмме у—х (рис. 19.6) проводят в такой последовательности. Согласно допущению = . Из точки восстанавливают верти­каль до пересечения с диагональю диаграммы в точке а. Отклады­вая на оси ординат отрезок В = /(R + 1), получают точку d и соединяют ее прямой линией с точкой а.

Из точки, отвечающей составу , проводят вертикаль до пере­сечения с линией ad и получают точку b. Отрезок ab — рабочая линия для верхней {укрепляющей) части колонны. Согласно допуще­нию = . Из точки, соответствующей составу , восстанав­ливают вертикаль до пересечения с диагональю диаграммы и по­лучают точку с. Точку I соединяют прямой линией с точкой Ь. Отрезок cb — рабочая линия для нижней (исчерпывающей) части колонны.

Рис. 19.6. Построение рабочих линий ректификационной колонны на диаграмме х—у:

ab — рабочая линия для верхней части колонны; bс — рабочая линия для ниж­ней части колонны; тп, т'п' — движущие силы процесса ректификации; b', b", d — характерные точки построения; , , — составы жидкости в кубе-испарителе, исходной смеси и дистиллята

Рабочие линии на графике отражают изменение рабочих кон­центраций в верхней и нижней частях ректификационной колон­ны. При этом вертикальные отрезки тп и т'п', измеряемые разно­стью - у, характеризуют движущую силу процесса ректифика­ции на различных ступенях контакта.

Флегмовое число. При заданном составе дистиллята длина отрезка В (см. рис. 19.6), отсекаемого рабочей линией для верхней (укрепляющей) части колонны на оси ординат, зависит только от флегмового числа R. С увеличением R длина отрезка В умень­шается, точка b перемещается по вертикали вниз и в пределе за­нимает положение b' на диагонали диаграммы. В этом случае дви­жущая сила процесса, измеряемая разностью - у, достигает мак­симального значения. С уменьшением R точка b перемещается по вертикали вверх. В этом случае движущая сила процесса уменьша­ется и в пределе, при некотором минимальном значении , когда точка b находится на пересечении вертикали с равновесной кри­вой (точка b"), окажется равной нулю.

Рабочее флегмовое число, при котором действует колонна, дол­жно находиться в пределах < R< . Исходной величиной для выбора рабочего флегмового числа является , значение кото­рой можно найти расчетным путем.

Выбор рабочего флегмового числа часто проводят приближен­но по уравнению

R = ,

где — коэффициент избытка флегмы ( > 1). Если данные о значениях коэффициента избытка флегмы для разделяемых сис­тем отсутствуют, то можно воспользоваться эмпирической зави­симостью

R =

В ректификационных установках применяют аппараты следую­щих типов: тарельчатые, пленочные и насадочные колонны.

Экстрактивная ректификация. Разделение смесей компонентов, которые имеют близкие значения температуры кипения, методом обычной ректификации сопряжено со значительными трудностя­ми. Кривая фазового равновесия = f(x) для таких смесей подхо­дит очень близко к диагонали диаграммы у - х, и требуемое число ректификационных тарелок существенно возрастает даже при боль­ших значениях коэффициента избытка флегмы.

Процесс разделения таких смесей основан на введении третье­го компонента — разделяющего агента, способного резко повы­сить относительную летучесть основных компонентов. Необходи­мо, чтобы третий компонент был менее летуч, чем оба компо­нента разделяемой смеси, и хорошо растворял труднолетучий компонент исходной смеси.

Ректификация жидких смесей с использованием разделяющего агента, получившая название экстрактивной ректификации, осу­ществляется в двух обычных ректификационных колоннах. В пер­вую из них поступает на разделение исходная смесь, состоящая из компонентов А + В. На одну из верхних тарелок укрепляющей части колонны вводится разделяющий агент С. Компонент В хоро­шо растворим в С, в то время как компоненты А и С взаимно нерастворимы (или ограниченно растворимы). Компонент С экст­рагирует компонент В (более высококипящий компонент исход­ной смеси) из жидкой и паровой фаз. Смесь В и С удаляется в виде остатка, а дистиллят представляет собой почти чистый компо­нент А.

За процессом собственно экстрактивной ректификации следу­ет процесс разделения смеси компонентов В и С во второй ректи­фикационной колонне. Из этой колонны в качестве дистиллята получают компонент В, более летучий, чем компонент С.

Регенерированный разделяющий компонент С (кубовой оста­ток) возвращается на повторное использование в первую ректи­фикационную колонну.

Азеотропная ректификация. К разделяемой азеотропной смеси А и В добавляют третий компонент С, который образует с одним

из ее компонентов новую (более летучую по сравнению с исход­ной) азеотропную смесь. Эта смесь отгоняется в качестве дистил­лята, а другой практически чистый компонент удаляется в виде кубового остатка.

Контрольные вопросы

1.Какие смеси разделяются на отдельные компоненты с помощью перегонки и ректификации?

2.Какие диаграммы используют для описания условий равновесия разделяемых смесей?

3.Что представляет собой простая перегонка?

4.В чем заключается принцип разделения смесей ректификацией?

5.Запишите уравнения материального баланса процесса ректифика­ции.

6.Что называется укрепляющей и исчерпывающей частями ректифи­кационной колонны?

7.Что означает флегмовое число?

8.Как осуществляется разделение смесей, которые имеют близкие значения температуры кипения?

Глава 20

СУШКА