Глава XIV

Ректификация

1. Сущность процесса ректификации бинарных смесей

При осуществлении процессов однократного испарения или однократной конденсации можно получить пар более богатый низкокипящим компонентом (НКК), а жидкость более богатую высококипящим компонентом (ВКК), чем исходная смесь. Од­нако достаточно хорошая степень разделения компонентов не достигается. В случае многократных или постепенных процессов испарения и конденсации можно получить желаемые составы паровой я жидкой фаз, но масса получаемых продуктов незначи­тельна по сравнению с массой исходной смеси.

Для получения продуктов желаемой степени чистоты с высоки­ми выходами служит процесс ректификации. Как следует из теории массообменных процессов, при взаимодействии неравно­весных паровой и жидкой фаз в результате процессов массо- и теплообмена система придет в состояние равновесия. При этом присутствующие в фазах компоненты будут перераспределяться между ними. В результате вновь образованные паровая и жидкая фазы будут отличаться по составу от вступивших в контакт паров и жидкости. Пары обогатятся НКК, а жидкость ВКК. При данном давлении для осуществления этого процесса температура вступа­ющих в контакт паров должна быть выше, чем жидкости. После контакта температуры обеих фаз выравниваются.

Осуществляя многократно контактирование соответствую­щих неравновесных потоков паровой и жидкой фаз, можно из­менить их составы в желаемой степени. В этом и состоит сущность процесса ректификации. Процесс ректификации проводят в спе­циальных аппаратах — ректификационных колоннах, запол­ненных контактными устройствами (тарелками, насадками и т. п.).

При расчетах процесса ректификации обычно пользуются понятием теоретической тарелки (см. главу XII).

2. Принципиальное устройство ректификационной колонны

Схема ректификационной колонны дана на рис. XIV-1. В сред­нюю часть колонны поступает сырье, нагретое до температуры t_F. В колонне происходит процесс однократного испарения (ОИ)

сырья, в результате которого образуются пары G_F и жидкость g_F, находящиеся в равновесии. На любой тарелке колонны, напри- мер я-й, происходит контакт между парами G_n__l9 поднимающи- мися на эту тарелку, и жидкостью g_n+_l9 стекающей на ту же та- релку. При контакте этих потоков происходит изменение состава фаз и обогащение паров НКК, а жидкости ВКК (потоки G_n и g_r). Пары G_n, поднимающиеся с п-и тарелки, будут богаче НКК, чем пары G_n__ly а жидкость g_n станет богаче ВКК, чем жидкость g_n+1. Затем пары G_n поступают на вышележащую тарелку п + 1, а жидкость g_n — на нижележащую тарелку п — 1, где они кон- тактируют с соответствующими потоками жидкости и паров.

Контактирование встречных потоков фаз осуществляется до тех пор, пока не будут достигнуты желаемые составы продуктов колонны: верхнего, называемого дистиллятом или ректификатом, y_D и нижнего, называемого остатком, x_w. Очевидно, изменение составов фаз будет происходить в том случае, если поток жидкости (или флегмы) g_n+1 будет более богат НКК, чем жидкость g_ny равновесная с паром G_n. Поскольку давление в колонне постоян- ное, то это условие будет достигаться, если температура С+1

потока жидкости g_n+x будет меньше, чем температура ** потока жидкости g_n и, следовательно, паров G_n. Так как tn = fn> температура в колонне убывает снизу вверх. Наименьшая температура будет в верхней части колонны t_Di а са- мая высокая — в нижней t_w. Поскольку в процессе ректификации должны участво- вать два потока паров и жидкости, состоя- щие из одних и тех же компонентов, но с разными их концентрациями, для обес- печения процесса ректификации в верхней части колонны отводят тепло Q_di а в ниж- ней части подводят тепло Q_B. При кон- денсации части паров в верхней части колонны образуется поток жидкости (оро- шения, флегмы), перетекающей с тарелки

Рис. XIV-1. Схема ректификационной колонны.

^Ww>^uw

на" тарелку. Подвод тепла Q_B в нижнюю часть колонны обе- спечивает испарение части жидкости и образование парового потока.

Та часть колонны, куда вводится сырье, называется питатель- ной секцией. Часть колонны, находящаяся выше ввода сырья, называется концентрационной или укрепляющей, а ниже ввода сырья — отгонной или исчерпывающей.

9п

Q_F,t_F ч—-

9f>^xF

Qi.

v»

Qd .

f-2 n'r .

n t.

-Ум к

£а,У

П

Gn-,