Ректификационные установки

а) схема с однократным испарением

Однократное испарение - способ осуществления перегонки (дистилляции). Используется наряду с постепенным и многократным испарением как метод разделения компонентов смесей взаимно растворимых жидкостей на отдельные компоненты или фракции, которые отличаются по температурам кипения как друг от друга, так и от исходной смеси.

П ри перегонке с однократным испарением смесь нагревают в змеевике какого-либо подогревателя до заранее заданной температуры. По мере повышения температуры образуется все больше паров, которые находятся в равновесии с жидкой фазой, и при заданной температуре парожидкостная смесь покидает подогреватель и поступает в адиабатический испаритель. Последний представляет собой пустотелый цилиндр, в котором паровая фаза отделяется от жидкой. Температура паровой и жидкой фаз в этом случае одна и та же. Четкость разделения смеси при перегонке с однократным испарением наихудшая.

1- перегонный пункт

2- раствор

3- система энергоподвода

Q – энергия

Y – концентрация в паровой фазе

G_н,X_н – количество и концентрация исходной смеси

G ,X - кубовый остаток

б) схема с дистиллятором

Д истилляция — перегонка, испарение жидкости с последующим охлаждением и конденсацией паров. Различают дистилляцию с конденсацией пара в жидкость (при которой получаемый конденсат имеет усреднённый состав вследствие перемешивания) и дистилляцию с конденсацией пара в твёрдую фазу (при которой в конденсате возникает распределение концентрации компонентов). Продуктом дистилляции является конденсат или остаток (или и то, и другое) – в зависимости от дистиллируемого вещества и целей процесса. Основными деталями дистилляционного устройства являются обогреваемый контейнер (куб) для дистиллируемой жидкости, охлаждаемый конденсатор (холодильник) и соединяющий их обогреваемый паропровод.

4- холодильник дистиллятор

5 – змеевик холодной воды

в) схема с дефлегматором

6 – дефлегматор

7 – змеевик для холодной воды

При поступлении в дефлегматор паровой фазы на поверхности змеевика 7 происходит конденсация преимущественно ниже кипящей фракции, т.е. концентрация парового летучего компонента в дефлегматоре повышается.

Сложная ректификационная установка

Сложные ректификационные колонны разделяют исходную смесь более чем на два продукта. Различают сложные колонны с отбором дополнительных фракций непосредственно из колонны в виде боковых пагонов, и колонны, у которых дополнительные продукты отбирают из специальных отпарных колонн

Ректификационная колона состоит из:

а - исчерпывающая зона

б – укрепляющая зона

с – массообменная тарелка, работает как перегонный куб

Флегмовое число

- расход флегмы

- расход дистиллята

Материальный баланс:

Процесс переноса на рабочей тарелке

1 – корпус колоны

2 – тарелка

3 – пленка жидкости

Схема противоточная.

Каждая тарелка работает в режиме перегонного куба:

материальный баланс отдельной тарелки

Раскрываем скобки:

Решаем зависимость методом графического интегрирования.

Площадь под зависимостью численно равна искомому интегралу.

Рабочий процесс ректификационной установки

Р абочая линия процесса определяется отдельно для исчерпывающей и укрепляющей зон.

На оси У- концентрация спирта в паровой фазе

На оси Х – концентрация спирта(летучего компонента) в жидкой фазы

а) У=Х – диагональ

б) У =f(x) – равновесная функция Х

1 – 2 – процесс в исчерпывающей зоне

2 – 3 – процесс в укрепляющей зоне

Оптимизация ректификационной установки

а)

движущая сила процесса

б)

V

Вывод: т.2 должна находиться между линией фазового равновесия и диагональю.

Примем за критерий оптимизации минимальные габариты установки

V .

F- сечение

Н – высота колоны

число единиц переноса

mx- число тарелок

Определение числа тарелок

Для графического определения числа теоретических тарелок строят кривую равновесия и рабочие линии. Принимают, что исходная смесь жирных кислот поступает в колонну, нагретую до температуры кипения.

Р ассмотрим графическое определение числа теоретических тарелок для верхней части колонны. Пусть требуется получить ректификат состава у_р. Рабочая линия верхней части колонны ВD проходит через точку D с координатами х = у = у_D.

Пары ректификата состава у_D получены после прохождения через

парциальный конденсатор потока паров G_Nk уходящих с верхней тарелки колонны и имеющих состав y_Nk. В парциальном кон­денсаторе, который принимается эквивалентным одной теоретической та­релке, часть этих паров конденсируется и образует поток флегмы состава . Состав флегмы будет находиться в равновесии с парами ректификата состава и может быть определен при пересечении ординаты с кривой равновесия (точка 1). Очевидно, что абсцисса точки 1 равна . Поток жидкости состава поступает на верхнюю тарелку (ее номер ) колонны, а навстречу этому потоку жидкости с верхней та­релки поднимается поток паров состава .

Эти встречные потоки отвечают уравнению рабочей линии, и поэтому состав паров может быть найден при пересечении абсциссы с рабочей линией в точке 2, ордината которой и будет равна .

С верхней тарелки стекает поток флегмы состава , который полу­чен при взаимодействии жидкости состава , стекающей из парциального конденсатора, и потока паров состава поднимающегося с нижеле­жащей тарелки. Составы потоков, покидающих верхнюю та­релку колонны, находятся в равновесии и на диаграмме х—у, отвечают точ­ке 3, абсцисса которой и дает значение .

Между тарелками —1 жидкость состава встречается с па­рами состава , эти составы будут относиться к рабочей линии, орди­ната точки 4 которой равна .

Продолжая аналогичные рассуждения, получим составы паров, подни­мающихся с любой тарелки колонны, и соответствующие им составы флегмы, которые определяются при построении ступенчатой ломаной ли­нии между кривой равновесия фаз и рабочей линией D—1—2—3-…-7—8. Построение завершается, когда состав жидкости стекающей с нижней тарелки концентрационной части колонны, и состав паров у_т1 поступаю­щих из секции питания, будут отвечать требуемым значениям. Составы этих потоков, являющихся встречными на одном уровне, определяются уравнением рабочей линии (точка 8).

Очевидно, что число ступеней между равновесной и рабочими линиями и дает число теоретических тарелок, необходимых для изменения состава пара от у_т на входе в верхнюю часть колонны до состава ректификата. В данном примере число теоретических тарелок равно 4.

Заметим, что в данном примере ступень изменения концентрации D—1—2 связана с наличием парциального конденсатора, принятого за одну теоретическую тарелку. В случае других способов отвода тепла в верху ко­лонны эта ступень отвечает верхней тарелке колонны.

При графическом построении числа теоретических тарелок может оказаться, что при принятом флегмовом числе полученное число теорети­ческих тарелок в интервале изменения концентраций пара от до окажется не целым. То есть при целом числе тарелок состав (или ) будет получен либо с избытком, либо с недостатком.