Ректификация

РЕКТИФИКАЦИЯ (от позднелат. rectificatio - выпрямление, исправление), разделение жидких смесей на практически чистые компоненты, отличающиеся температурами кипения, путем многократных испарения жидкости и конденсации паров.
В этом основное отличие ректификации от дистилляции, при которой в результате однократного цикла частичное испарение -конденсация достигается лишь предварительное (грубое) разделение жидких смесей.
В зависимости от температур кипения разделяемых жидкостей ректификацию проводят под различным давлением:
атмосферным (т. кип. 30-150 °С),
выше атмосферного (при разделении жидкостей с низкими т-рами кипения, напр. сжиженных газов),
в вакууме (при разделении высококипящих жидкостей для снижения их т-р кипения).

Схема дистилляционной установки-однократного испарения

Для непрерывной ректификации применяют колонны, состоящие из двух ступеней:
верхней-укрепляющей (в ней пар укрепляется, т.е. обогащается ЛЛК) и
нижней - исчерпывающей (где происходит исчерпывание жидкой смеси, т. е. извлечение ЛЛК и обогащение ее ТЛК).
При периодической ректификации в колонне производится только укрепление пара. Различают ректификацию бинарных (двухкомпонентных) и многокомпонентных смесей.

Принципиальная схема простой колонны ректификации
При ректификации в тарельчатых аппаратах исходная смесь в количестве F с концентрацией низкокипящего компонента xF поступает в среднюю часть колонны; верхний продукт-дистиллят в количесве D с концентрацией низкокипящего компонента XD отбирается из дефлегматора, а обедненный этим компонентом остаток в количестве W с концентрацией xw отводится в качестве нижнего продукта из куба-испарителя (F, D, W-в моль/ч, Хр, XD, XW-B молярных долях). Образующиеся в нем пары поднимаются по колонне, контактируя на тарелках от 1 до п со стекающей жидкостью, и поступают в дефлегматор, откуда часть образовавшегося конденсата, наз. флегмой возвращается в верх. часть колонны.

Схемы простых и сложных колонн ректификации
a) Полная, b) - укрепляющая, c) отгонная;
d)с отбором дополнительных продуктов (D,и W,) из основной колонны;
e)с отбором дополнительного продукта D, из отпарной колонны
a) b) c) d) e)

Непрерывная ректификация. При ректификации в тарельчатых аппаратах исходная смесь в количестве F с концентрацией низкокипящего компонента xF поступает (здесь и далее в единицу времени) в среднюю часть колонны; верх. продукт-дистиллят в кол-ве D с концентрацией низкокипящего компонента XD отбирается из дефлегматора, а обедненный этим компонентом остаток в количестве W с концентрацией xw отводится в качестве нижнего продукта из куба-испарителя (F, D, W-в моль/ч, Хр, XD, XW-B молярных долях). Образующиеся в нем пары поднимаются по колонне, контактируя на тарелках от 1 до п со стекающей жидкостью, и поступают в дефлегматор, откуда часть образовавшегося конденсата, наз. флегмой (Ф моль), возвращается в верх. часть колонны.

Ректификацию можно осуществлять а)непрерывно или б)периодически.
При периодической ректификации в колонне производится только укрепление пара.

Ректификационная установка периодического действия: 1 -куб; 2-колонна; 3-дефлегматор; 4-делитель потоков; 5-холодильник; 6, 7-сборники.
Периодическая ректификация
В куб колонны загружают определенное количество подлежащей разделению смеси, где она нагревается до температуры кипения и испаряется. Образующиеся пары проходят через колонну, взаимодействуя в противотоке с жидкостью, поступающей из дефлегматора. В нем конденсируются выходящие из колонны богатые ЛЛК пары, направляемые далее в делитель потоков. Часть конденсата (флегма) поступает обратно в колонну, др. часть (дистиллят)-через холодильник в один из сборников.

Насадка колонны

Рабочая линия для верхней части колонны на диаграмме х-у:
1 - кривая равновесия; 2- рабочая линия

Рабочая линия для нижней части колонны на диаграмме х-у
1 - кривая равновесия; 2- рабочая линия

Положение рабочих линий непрерывной ректификации на у-х-диаграмме.
Положение рабочих линий в обеих частях колонны, зависит от R. На рис. изображено два предельных положения:
Первый предельный случай-бесконечно большое флегмовое число (колонна работает "на себя", то есть вся жидкость, полученная в результате полной конденсации паров в дефлегматоре, возвращается в колонну в виде флегмы; отбор дистиллята не производятся; линии СВ для верха и AB для низа колонны, при этом рабочая линия совпадает с диагональю диаграммы.
второе-линии СВ2 для верха и АВ2 для низа колонны,

Графическое определение числа теоретических тарелок для верхней части колонны на диаграмме х-у

Графическое определение числа теоретических тарелок для нижней части колонны на диаграмме х-у

Схемы основных способов создания орошения в колонне:
Парциальный конденсатор

Схемы основных способов создания орошения в колонне:
холодное испаряющееся орошение;

Схемы основных способов создания орошения в колонне:
Циркуляционное неиспаряющееся орошение:

Схемы основных способов подвода тепла в низ колонны:
Змеевик теплообменных труб

Схемы основных способов подвода тепла в низ колонны:
Подогреватель с паровым пространством;

Схемы основных способов подвода тепла в низ колонны:
Горячая струя

Схема потоков в секции питания колонны при подаче сырья в жидком (а) и паровом (в) состояниях
а)
в)

Схема нижней части колонны, работаю-
щей с вводом водяного пара
Ввод водяного пара в ректификационную колонну обусловлен желанием снизить температуру процесса, с тем чтобы избежать разложения нефтепродукта (перегонка мазута, тяжелых нефтяных остатков и т.п.). Температура кипения жидкости может быть снижена также понижением давления в аппарате путем создания вакуума.
В нефтепереработке часто применяют оба этих способа понижения температуры кипения смеси.

Положение рабочих линий непрерывной ректификации на у-х-диаграмме.
Второй предельный случай-рабочие линии пересекают равновесную кривую у*=f(х) в точке В2. Ректификация возможна, но поскольку в точке В2 движущая сила равна нулю (у* = у), для проведения процесса потребуется колонна с бесконечно большой поверхностью фазового контакта, работающая при минимальном флегмовом числе, к-рое составляет:
где у*-состав пара, равновесный с хр.
Положение рабочих линий СВ1 и B1A соответствует эксплуатации колонн в производств, условиях. Точка В1 может приближаться к верх. пределу В2 либо к ниж. пределу В; при этом флегмовое число, при к-ром функционирует колонна, или рабочее флегмовое число (Rраб), изменяется от Rмин до R = ,. С уменьшением R снижается расход теплоты на испарение жидкости в кубе колонны, однако уменьшается движущая сила, что приводит к необходимости увеличивать высоту колонны, т.е. к росту капитальных затрат. Оптим. флегмовое число следует определять на основе техн.-эконо-мич. расчетов.

Материальный баланс по ЛЛК для всей колонны имеет вид:
При работе колонны в адиабатических условиях и равенстве молярных теплот испарения компонентов в каждом сечении укрепляющей части (выше ввода питания) концентрация ЛЛК в паре связана с его концентрацией в жидкости х уравнением так называемой рабочей линии:
где R = Ф/D - флегмовое число.
Ур-ние рабочей линии для исчерпывающей части колонны (ниже ввода питания):
где f = F/D.
Зависимость между предельными, или равновесными, концентрациями распределяемого в-ва в фазах изображается графически т. наз. равновесной линией.

Схемы основных способов соединения простых колонн
при ректификации многокомпонентной смеси:
а — последовательное по потокамостатка;
б — последовательное по потокам ректификата;
в — последовательно-параллельное;
г — с ре-циклом остатка;
д — с рециклом ректификата;

Схема сложной колонны для ректификации четырехкомпонентной смеси:

Графическое распределение концентраций компонентов по высоте колонны
при разделении трехкомпонентной смеси:
1, 2',...., 5',
1, 2,...., 5 — номера тарелок

Схема установки для азеотропной
ректификации:
I - колонна для азеотропной ректифика-ции;
2, 2' - конденсаторы;
3, 3' - холодильники;
4 - расслаиватель;
5 -колонна,для регенерации разделяющего агента;
6, б' -кипятильники.
Потоки: / - исходная смесь;
II - разделяющий агент;
III - азеотроп;
/V смесь низкокипящих компонентов и разделяющего агента;
V — низкокипящий компонент;
V7 — высококипящий компонент