Ректифікація. Схема ректифікаційної установки безперервної дії

Ректифікація - це протитечійна взаємодія двох неврівноважених фаз - рідини й пари, що утвориться із цієї рідини. При цьому пара безупинно збагачується низькокиплячим (легколетучим) компонентом, а рідина висококиплячим (важколетучим) компонентом. Ректифікацією може бути досягнутий будь-який заданий ступінь поділу рідких сумішей і ректифікація є складним процесом дистиляції.

Процеси ректифікації здійснюються періодично або безперервно при різному тиску: під атмосферним тиском, під вакуумом (для розділення сумішей висококиплячих речовин), а також під тиском більше атмосферного.

На рис. 1 зображена схема установки ректифікації безперервної дії. Усередині колони ректифікації 1 розташовані контактні пристрої у вигляді тарілок або насадки. Від низу до верху по колоні рухається пара, що поступає з ви-

Рис. 1. Схема установки ректифікації безперервної дії; 1 — колона; 2 —куб-випарник; 3—дефлегматор; 4-6—теплообмінники

 

носного куба-випарника 2 (куб-випарник може розміщуватися і безпосередньо під колоною). На кожній тарілці відбувається часткова конденсація пари труднолеткоего компоненту і за рахунок конденсації — часткове випаровування легколеткого компоненту. Таким чином, пара, що виходить з куба-випарника і чистий труднолеткий компонент, по міру руху вгору збагачується легколетким компонентом і покидає колону у вигляді майже чистої пари легколеткого компоненту. Пара конденсується в дефлегматорі 3, охолоджуваному водою. Отриманий конденсат розділяється на дистилят (верхній продукт) і флегму, яка прямує на верхню тарілку колони. Флегма, стікаючи по колоні і взаємодіючи з парою, збагачується труднолетким компонентом.

Початкову суміш підігрівають до температури, кипіння в теплообміннику 4 і подають в колону на ту тарілку, де кипить суміш того ж складу, тобто на верхню тарілку нижньої вичерпної частини колони. Верхня частина колони називається зміцнюючою по легколеткому компоненту.

З куба-випарника відводять нижній продукт або кубовий залишок.

 

6. Матеріальний баланс ректифікаційної колони. Рівняння матеріального балансу верхньої (зміцнюючої) частини колони

Матеріальний баланс колони ректифікації

При розрахунках колон ректифікацій кількість і склад фаз зручно виражати в мольних величинах, оскільки величини мольних теплот випаровування компонентів бінарної суміші звичайно близькі. Отже, можна вважати, що при конденсації з пари п кмолей труднолеткого компоненту випаровується з жидкости

п кмолей легколеткого компоненту, тобто кількість фаз (в киломолях) по всій висоті колони буде постійною. Приймемо наступні допущення, мало іскажаючі фактичні умови протікання процесу, але значно спрощуючі розрахунок: 1) склад пари, що виходить з колони в дефлегматор , і склад флегми, що повертається в колону , однакові, тобто . 2) склад пари, що підіймається з кип'ятильника в колону , рівний складу рідини в кубі-випарнику тобто .

Рис. 1 Схема ректифікаційної колони:

1—колона; 2— куб-випарник; 3 — дефлегматор

 

Згідно схемі установки (рис. 1) ректифікації складемо мате-

ріальный баланс колони ректифікації:

 

- по потоках

G_F = G_D + G_W

- по легколеткому компоненту

,

де – G_F, G_D, G_W – масові витрати живлення, дистиляту й кубового залишку;

x_F, x_D, x_W – зміст легколеткого (низькокиплячого), компонента в живленні, дистиляті, кубовому залишку, відповідно, масові або мольні частки.

Розглянемо верхню частину колони (вище тарілки живлення):

- баланс по потоках

G_V = G_R + G_D

- баланс по легколеткому компоненті

де – G_V, G_R, G_D – мольні витрати пари, що піднімається по колоні, флегми й дистиляту;

у и х – змінні по висоті колони нерівноважні концентрації (мольні частки) легколеткого компонента в парі й у рідині в даному перетині колони;

x_D – зміст (мольна частка) легколеткого компонента в дистиляті.

Запишемо рівняння матеріального балансу в мольних витратах (на 1 кмоль дистиляту) і позначимо V = G_V/ G_D і R = G_R/ G_D. Тоді V = R +1, , звідки

y = чи y = ,

де R = G_R/G_D – відношення кількості флегми до кількості дистиляту – флегмове число.

Це рівняння являє собою рівняння робочої лінії верхньої (зміцнювальної) частини колони воно зв'язує поточні (нерівноважні) склади пари і рідини (для тарільчастих колон — склад пари, що входить на тарілку, і склад рідини, що стікає з цієї тарілки).

 

7. Рівняння матеріального балансу нижньої (вичерпної) частини колони ректифікації

У цьому випадку маємо:

- баланс по потоках

G_V + G_W= G_F + G_R

- баланс по легколеткому компоненту

де G_W – мольна витрата кубового залишку; x_W – вміст (мольна частка) легколеткого компонента в кубовому залишку.

У відносних мольних витратах (на 1 кмоль дистиляту), позначимо W = G_W / G_D,

F = G_F/ G_D, одержимо:

;

y = .

Це рівняння являє собою рівняння робочої лінії нижньої частини колони.

 

8. Побудова робочих ліній ректифікаційної колони на діаграмі х-у