Перегонка и ректификация

1 Перегонка и ректификация
Для разделения смеси жидкостей обычно прибегают к перегонке.
Разделение путем перегонки основано на различной температуре кипения отдельных веществ, входящих в состав смеси.
Так, если смесь состоит из двух компонентов, то при испарении компонент с более низкой температурой кипения (низкокипящий компонент, сокращенно НК) переходит в пары, а компонент с более высокой температурой кипения (высококипящий компонент, сокращенно ВК) остается в жидком состоянии.

*
Процессы и аппараты. Тема 6: Экстракция
Перегонка и ректификация
Полученные пары конденсируются, образуя так называемый дистиллят.
Неиспаренная жидкость называется остатком.
Таким образом, в результате перегонки НК переходит в дистиллят, а ВК — в остаток.
Описанный процесс, называемый простой перегонной, не дает, однако, возможности произвести полное разделение компонентов смеси и получить их в чистом виде.
Оба компонента являются летучими и потому оба переходят в пары, хотя и в различной степени.

*
Процессы и аппараты. Тема 6: Экстракция
Перегонка и ректификация
Для достижения наиболее полного разделения компонентов применяют более сложный вид перегонки — ректификацию.
Ректификация заключается в противоточном взаимодействии паров, образующихся при перегонке, с жидкостью, получающейся при конденсации паров.
Представим себе аппарат, в котором снизу вверх движутся пары, а сверху (навстречу парам) подается жидкость, представляющая собой почти чистый НК.
При соприкосновении поднимающихся паров со стекающей жидкостью происходит частичная конденсация паров и частичное испарение жидкости

Перегонка и ректификация
При этом из паров конденсируется преимущественно ВК, а из жидкости испаряется преимущественно НК.
Таким образом, стекающая жидкость обогащается ВК, а поднимающиеся пары обогащаются НК, в результате чего выходящие из аппарата пары представляют собой почти чистый НК
Эти пары поступают в конденсатор (дефлегматор), где и конденсируются НК.
Часть конденсата, возвращаемая на орошение аппарата, называется флегмой, другая часть — отводится в качестве дистиллята.

2 Материальный и тепловой баланс процесса ректификации
При ректификации исходная жидкая смесь делится на две части:
часть, обогащенную НК (дистиллят), и
часть, обедненную НК (остаток).
Непрерывная ректификация проводится в аппаратах (ректификационных колоннах), состоящих из двух ступеней.
Исходная смесь вводится в верхнюю часть нижней ступени (исчерпывающая колонна 2).

Материальный и тепловой баланс процесса ректификации
Здесь исходная жидкая смесь взаимодействует в противотоке с паром, начальный состав которого аналогичен составу остатка;
в результате происходит исчерпывание смеси, т. е. извлечение из нее НК и обогащение ВК.
В верхней ступени (укрепляющая колонна 1) пар, поступающий из нижней ступени, взаимодействует в противотоке с жидкостью, начальный состав которой аналогичен составу дистиллята;
в результате происходит укрепление пара, т. е. обогащение его НК.

Пар для питания ректификационного аппарата образуется в кубе 3 путем испарения части жидкости поступающей в куб
жидкость для орошения аппарата (флегма) получается в дефлегматоре 4 путем конденсации части пара, имеющего состав, аналогичный составу дистиллята
Тепло, необходимое для испарения смеси, сообщается ей в кубе.
В дефлегматоре производится отвод тепла, вследствие чего поступающие в него пары полностью или частично конденсируются.
Дистиллят отводится из дефлегматора в жидком или парообразном состоянии. Остаток отводится из куба в виде жидкости.
Материальный и тепловой баланс процесса ректификации

Материальный баланс
Обозначим:
F - количество поступающей на ректификацию смеси (в кмоль/с),
Р - количество получаемого дистиллята (в кмоль/с),
W - количество остатка (в кмоль/с)
хF - состав смеси
хp - состав дистиллята
xW - состав остатка (в мол. долях НК).
Материальный и тепловой баланс процесса ректификации

Материальный и тепловой баланс процесса ректификации
Тогда уравнение материального баланса для всего количества смеси примет вид
уравнение материального баланса для НК
При помощи уравнений ( 1 ) и (2) решаются все задачи, связанные с определением количеств или составов веществ, участвующих в процессе ректификации

Материальный и тепловой баланс процесса ректификации
Обычно заданы количество смеси F и составы хF, хР и xw.
Количества дистиллята Р и остатка W определяются совместным решением уравнений (1) и (2).
Уравнения (1) и (2) применимы и при выражении величин F, Р и W в весовых количествах
(в кг/сек).
При этом составы смеси, дистиллята и остатка должны подставляться в уравнения в весовых долях (αF, αP, αW).

Материальный и тепловой баланс процесса ректификации
Для дальнейшего изучения процесса ректификации сделаем следующие допущения:
- Молярные теплоты испарения обоих компонентов одинаковы;
- поэтому каждый комоль сконденсировавшегося пара испаряет 1 кмоль жидкости,
- количества поднимающегося пара и стекающей жидкости по высоте колонны не изменяются,
- изменяется лишь их состав.
Поэтому сделанное допущение не приводит к значительной ошибке, если расчет процесса ректификации вести не в весовых, а в молярных величинах.

Материальный и тепловой баланс процесса ректификации
Исходная жидкая смесь подается в колонну подогретой до температуры кипения;
Следовательно, в колонне не расходуется тепло на нагревание смеси.
В этих условиях количество стекающей жидкости в нижней части колонны (ниже ввода исходной смеси) увеличивается на количество введенной смеси.
При конденсации пара в дефлегматоре не происходит изменения его состава; следовательно, состав пара аналогичен составу дистиллята Хр.

Материальный и тепловой баланс процесса ректификации
При испарении жидкости в кубе не происходит изменения ее состава;
Следовательно, состав образовавшегося пара аналогичен составу остатка xw.
Обозначим через:
G и L количества паровой и жидкой фаз (в кмоль/сек),
у1 и у2 - молярные доли НК в парах на входе в колонну и на выходе из нее,
через х2 и х1 — молярные доли НК в жидкости на входе в колонну и на выходе из нее.

Материальный и тепловой баланс процесса ректификации

Материальный и тепловой баланс процесса ректификации
Рассмотрим произвольное сечение А - A в нижней или верхней части аппарата
В этом сечении состав пара у, а состав жидкости х.
Составим уравнение материального баланса по НК для части аппарата, расположенной выше рассматриваемого сечения:

Материальный и тепловой баланс процесса ректификации
Аналогично, составляя материальный баланс по НК для части аппарата, расположенной ниже сечения
А - A, имеем:
Уравнения (3) и ( 4 ) являются уравнениями рабочей линии процесса ректификации.

Материальный и тепловой баланс процесса ректификации
Количество поднимающегося пара G постоянно во всей колонне.
Это количество пара образуется в кубе и поступает в дефлегматор, откуда часть Ф возвращается в колонну в виде флегмы, а остальная часть Р отводится в виде дистиллята.
Таким образом
отношение количества флегмы к количеству дистиллята называется флегмовым числом

Материальный и тепловой баланс процесса ректификации
Следовательно, количество флегмы Ф = PR и количество поднимающегося пара составляет:
т. е. на каждый кмоль дистиллята в кубе должно быть испарено (R+1) кмоль остатка.
В укрепляющей колонне количество cтекающей жидкости равно количеству флегмы:

Материальный и тепловой баланс процесса ректификации
а состав пара на выходе из колонны равен составу подаваемой на орошение флегмы:
У2 = x2= хр
Подставляя значения L, G, У2 и х2 в уравнение (3), получим:

Материальный и тепловой баланс
процесса ректификации
Подставляя в уравнение (7) X = c, получим Y = XР,
т. е. на Y - X диаграмме ( см. рис.) рабочая линия укрепляющей колонны проходит через лежащую на диагонали точку С' с абсциссой XР .
Из уравнения (7) видно, что тангенс угла наклона рабочей линии tga = R/R+1, а отрезок, отсекаемый на оси ординат, составляет b=xp /R+1.
В исчерпывающей колонне количество стекающей жидкости L больше количества флегмы Ф на количество исходной жидкой смеси F.

Материальный и тепловой баланс процесса ректификации
Обозначая F/P=f, найдем для исчерпывающей колонны:
Составы поступающего в колонну пара и вытекающей из нее жидкости равны составу остатка:
Подставляя значения L,G, y1 и х1 в уравнение (4), получим:

3 Построение рабочей
линии ректификационной колонны
А'В' — рабочая линия исчерпывающей колонны;
В'С — рабочая линия укрепляющей колонны.

Построение рабочей
линии ректификационной колонны
Подставляя в уравнение (8) х = xw, получим у = xw, т. е. рабочая линия исчерпывающей колонны проходит через лежащую на диагонали точку А' с абсциссой xw.
Найдем абсциссу точки В' пересечения рабочих линий укрепляющей и исчерпывающей колонн.
Ордината этой точки, определенная по уравнениям (7) и (8), будет одинаковой;
После преобразований получим:
абсцисса точки В' равна составу исходной смеси хР.

Построение рабочей
линии ректификационной колонны Определение числа единиц переноса

4 Схемы ректификационных установок
Ректификацию можно проводить периодическим или непрерывным способом.
При периодической ректификации смесь загружается в куб 1 и нагревается паром проходящим через змеевик 2.
После того как смесь в кубе закипит, образующиеся пары начинают поступать в колонну 3, откуда по трубе 4 направляются в дефлегматор 5, где конденсируются.

Схемы ректификационных установок
Часть конденсата (флегма) по трубе 6 стекает обратно в колонну, другая часть (дистиллят) по трубе 7 поступает в холодильник 8 и отсюда отводится в приемник дистиллята.
При таком процессе в колонне происходит укрепление паров, а в кубе — исчерпывание смеси.
Исчерпывание продолжается в течение некоторого времени;
когда достигается требуемый состав смеси, операция заканчивается и остаток отводится из куба.

Схема ректификационной установки периодического действия
1 - куб;
2 - змеевик;
3 - колонна;
4 - труба для отвода паров из колонны;
5 - дефлегматор;
6 - труба для возврата флегмы;
7 - труба для отбора дистиллята;
8 - холодильник.

Схемы ректификационных установок
По мере протекания процесса условия работы установки постепенно изменяются. В начале процесса в колонну поступают из куба пары, богатые НК.
В этот период нужно сравнительно небольшое количество флегмы, чтобы выделить из паров содержащийся в них ВК.
В ходе процесса выходящие из куба пары будут все более обогащаться ВК, и для выделения его из паров

Схемы ректификационных установок
При непрерывной ректификации смесь подается в среднюю часть колонны через теплообменник 1, обогреваемый остатком или паром.
В верхней части колонны 2 расположенной выше точки ввода смеси, происходит укрепление паров.
В нижней части колонны 3, расположенной ниже точки ввода
смеси, происходит исчерпывание жидкости .

Схемы ректификационных установок
Из исчерпывающей колонны жидкость стекает в кипятильник (куб) 4 обогреваемый паром.
В кипятильнике образуются пары, поднимающиеся вверх по колонне;
остаток непрерывно отводится из куба.
Пары, выходящие из укрепляющей части колонны, поступают в дефлегматор 5, откуда флегма возвращается в колонну, а дистиллят направляется в холодильник 7

Схема ректификационной установки непрерывного действия
1 — теплообменник;
2 — укрепляющая колонна;
3 — исчерпывающая колонна
4 — кипятильник;
5 — дефлегматор;
6 — распределительный стакан;
7 — холодильник;
8 — вентиль, регулирующий
отбор дистиллята

Схемы ректификационных установок
Преимущества непрерывной ректификации по сравнению с периодической:
условия работы установки не изменяются в ходе процесса, что позволяет установить точный режим, упрощает обслуживание и облегчает автоматизацию процесса;
Отсутствуют простои между операциями, растет производительность;
Расход тепла меньше, возможно использование тепла остатка на подогрев исходной смеси.

Ректификация под различным давлением
В зависимости от температуры кипения разделяемых жидкостей ректификацию проводят под различным давлением:
При температурах кипения от 30 до 150° С обычно применяют ректификацию под атмосферным давлением.
Ректификацию в вакууме применяют при разделении высококипящих жидкостей для снижения температур их кипения.
Ректификацию под давлением проводят при разделении жидкостей с низкой температурой кипения, в частности при разделении сжиженных газов.