4.6.2. Ректификация
Ректификация — разделение жидких однородных смесей на составляющие вещества или группы составляющих веществ в результате противоточного взаимодействия паровой смеси и жидкой смеси.
Этот процесс имеет большое значение в химической технике. В качестве примеров достаточно указать на разделение природных углеводородов нефти и синтетических углеводородов с целью получения моторных топлив, на выделение индивидуальных газов из их смесей путем предварительного ожижения и последующей ректификации жидкой смеси (разделение воздуха методом глубокого охлаждения).
Возможность разделения жидкой смеси на составляющие ее компоненты ректификацией обусловлена тем, что состав пара, образующегося над жидкой смесью, отличается от состава жидкой смеси в условиях равновесного состояния пара и жидкости. Известные равновесные данные для конкретной смеси позволяют проанализировать возможность разделения этой смеси, найти предельные концентрации разделения и рассчитать движущую силу процесса.
Принцип ректификации
Сущность процесса ректификации рассмотрим на простейшем примере разделения двухкомпонентной смеси. При ректификации (рис. 4.29) исходная смесь делится на две части: часть, обогащенную легколетучим компонентом, — дистиллят, и часть, обедненную легколетучим компонентом — остаток.
Обозначим: Gf— количество смеси, поступающей на ректификацию; Gр — количество поступающего дистиллята ; GW— количество получающегося остатка в; Xf;, Xр, XW — содержание легколетучего компонента соответственно в исходной смеси, в дистилляте и в остатке.
При принятых обозначениях схема ректификации будет иметь, представленный на рис. 4.29.
Исходная смесь
Gf, Xf
Рис.
4.29.
Разделение
смеси
ректификацией.
Ректификация
Дистиллят Остаток
Gр, Xр GW, XW
Обычно ректификационный аппарат состоит из двух частей, или ступеней — верхней и нижней, каждая из которых представляет собой любым способом организованную поверхность контакта фаз между паром и жидкостью.
Сущность процесса ректификации можно характеризовать как разделение жидкой смеси на дистиллят и остаток в результате двухступенчатого взаимодействия жидкости с парами.
В нижней ступени исходная, подвергаемая разделению смесь взаимодействует с паром, начальный состав которого равен составу остатка; вследствие этого из смеси извлекается легколетучий компонент.
В верхней ступени пар начального состава, соответствующего составу исходной смеси, взаимодействует с жидкостью, начальный состав которой равен составу дистиллята; вследствие этого пар обогащается легколетучим компонентом до требуемого предела, менее летучий компонент извлекается из паровой фазы.
Пар для питания ректификационного аппарата получается многократным испарением жидкости, имеющей тот же состав, что и остаток, а жидкость – многократной конденсацией пара, имеющего состав, одинаковый с составом дистиллята.
Ректификация многокомпонентных смесей.
Задача разделения многокомпонентных смесей в практике встречается гораздо чаще, чем двухкомпонентных, поэтому ректификация многокомпонентных смесей является основным процессом ректификации в производствах (рис. 4.30).
Рис. 4.30. Принципиальная схема ректификации
многокомпонентной смеси.
Возможные схемы разделения многокомпонентных смесей. Схема разделения на составляющие двухкомпонентных смесей однозначна, в то время как для многокомпонентных смесей представляется некоторая свобода выбора схемы разделения. Пусть смесь состоит из трех компонентов А, В и С, причем относительные летучести их аА, аВ и аС.
На первый взгляд разделение указанной смеси на компоненты возможно двумя путями, показанными на рис. 4.30. Следует подчеркнуть, что первая схема разделения и аналогичные ей возможны всегда. Вторая схема и аналогичные ей возможны не всегда, и использование их ограничивается соотношением относительных летучестей компонентов и их содержанием в исходной смеси.
Так, в рассмотренном примере возможность отделения смеси компонентов А и В от С имеется лишь при условии аВ > ∑аx (где ∑аx – суммарная относительная летучесть остальных двух компонентов). Иными словами, отделение в паровой фазе f-го компонента возможно только в том случае, когда его относительная летучесть аf, больше средней относительной летучести всех компонентов:
∑аx = аАxА + аВxВ + аСxС + . . . . . .
Из рассмотренного примера одновременно следует, что для разделения многокомпонентных смесей непрерывным методом на п частей необходимо п — 1 ректификационных аппаратов.