3. Ректификационные установки

Процессы в ректифика­ционных установках и изо­бражение их в диаграммах.

Практическое осуществление много­кратной дистилляции и дефлегма­ции (частичной конденсации путем поверхностного охлаждения) в кон­структивном оформлении весьма сложно (см. рис. 5-4). Поэтому на практике применяют принцип мно­гократной частичной конденсации и сепарации путем ректификации, т. е. многократного тепло- и массообме-на без ограничительной стенки.

На рис. 5-8 показаны схемы и процессы тепло- и массообмена на /—х-диаграмме в упрощенной рек­тификационной колонне -с тремя та­релками, которые имеют по одному колпачку (в действующих колоннах иногда устанавливают более 30 колпачков на тарелке). Иногда вме­сто тарелок колонна имеет сита или заполняется насадкой из колец Ра-шига.

Рассмотрим по рйс. 5-8 совмест­но принцип работы ректификацион­ной установки и происходящие в ней процессы тепло- и массообмена. В перегонном кубе / за счет ^тодво-да тепла происходит испарение би­нарной смеси. Пары смеси поднима­ются в ректификационной колонне, а навстречу им из дефлегматора /// стекает некоторая часть дистилля­та, которая носит название флегмы. Пары на выходе из ректификацион­ной колонны // с параметрами точ­ки 8 на t—х-диаграмме поступают в дефлегматор ///, в котором они частично конденсируются за счет от­дачи тепла подаваемой в него воде (процесс идет по линии 8—С{). Па-рожидкостная эмульсия с пара­метрами, соответствующими точке С_ь поступает в сепаратор IV; в нем происходит отделение

Содержание летучего компонента 6 жидкости

Рис. 5-8. Принципиальная схема ректификационной колонны и про­цесс ректификации на t—х - диаграмме.

1 — перегонный куб; 11 — колонна с тарелками; 111 — дефлегматор; IV— сепа­ратор; V — конденсатор; VI — сборный бак для легкокипящего компонента.

пара с пара­метрами точки 10 от жидкости (флегмы), параметры которой опре­деляются точкой 9. Отсепарирован-ный пар поступает в конденсатор V, где он полностью конденсируется до состояния точки 11 и в виде готово­го продукта (ректификата) поступа­ет в сборный бак VI.

Процесс тепло- и массообмена на верхней та'релке протекает в сле­дующем порядке: жидкость (флег­ма), получающаяся в сепараторе IV, с параметрами точки 9 вступает в контакт с парами состояния точ­ки 6, поступающими с предшест­вующей по ходу пара нижней та­релки; при этом происходит частич­ная конденсация паров до состоя­ния С₂ и последующая их сепара­ция, в результате которой образуют­ся пар состояния 8 и флегма состоя­ния 7. Эта флегма по опускной тру­бе сливается на нижнюю тарелку и вступает в контакт с парами со­стояния 4. После сепарации образу­ются флегма состояния 5 и пары состояния 6 и т. д. Надежное кон­тактирование флегмы с парами осу­ществляется благодаря наличию на тарелках колпачков с прорезями

в виде зубцов на нижней кромке, через которые проходят пузырьки пара при движении их с нижней та­релки на верхнюю.

Таким образом, ректификация представляет собой процессы тепло-и массообмена при непосредствен­ном смешении жидкой смеси ((флег­мы) с парами при их многократной частичной конденсации и сепара­ции. В процессе ректификации флег­ма, опускаясь и вступая в тепло- и массообмен с парами, поднимающи­мися по колонне, испаряется за счет тепла конденсации паров и при этом обедняется легкокипящим ком­понентом, но обогащается высоко-кипящим компонентом за счет ча­стичной конденсации паров; пары же, наоборот, поднимаясь, обогаща­ются легкокипящим компонентом за счет испарения его из флегмы и обедняются высококипящим компо­нентом. В результате такого массо­обмена возможна глубокая разгон­ка бинарных и многокомпонентных смесей.

Количество флегмы в килограм­мах, приходящееся на 1 кГ пара в любом рассматриваемом сечении колонны, называется флегмовым числом. В расчетах по всей колон­не принимают постоянное флегмовое число. В действительности оно может изменяться в зависимости от интенсивности процессов тепло- и массообмена на отдельных тарел­ках.

Представленные на t—х- диаграмме процессы ректификации возможны только при переменных для различных тарелок количествах флегмы. Это следует из рассмотре­ния диаграммы, представленной на рис. 5-8, из которой видно, что от­ношение отрезков, соответствующих количествам флегмы и пара (флегмовые числа), для отдельных сту­пеней различны.

Характеристика процессов на от­дельных тарелках может изменять­ся также в зависимости от режима работы колонны.

Классификация и схемы ректификационных устано­вок.

Ректификационные установки разделяются на действующие перио­дически и непрерывно. В перио­дически действующих установках в перегонный куб заливают смесь с некоторой средней концентрацией летучего компонента. После от­гонки части летучего компонента жидкость, содержащую в основном тяжелый компонент, сливают из куба и заполняют последний вновь первоначальной смесью.

На рис. 5-9,а представлены схе­мы ректификационной установки пе­риодического действия; принцип действия ее был рассмотрен на рис. 5-8. Недостатком таких уста­новок является большой расход теп­ла, вызванный необходимостью пе­риодического прогрева аппаратов и потерями тепла с удаляемой из пе­регонного куба нагретой смесью после ее разгонки. Кроме того, в процессе перегонки жидкая смесь в кубе беднеет летучим компонен­том и для обогащения паров необ­ходимо увеличивать количество флегмы, вследствие чего увеличива­ются расходы тепла и охлаждаю щей воды на дефлегматор. Необхо­димо отметить и большие трудности автоматизации таких установок. Поэтому ректификационные уста­новки периодического действия при­меняются только при малых мас­штабах производства, а также в тех случаях, когда требуется почти пол­ное разделение компонентов (напри­мер, при разделении смеси бензол — толуол). На рис. 5-10 показан внешний вид установки для перио­дической ректификации.

В непрерывно действующую рек­тификационную установку смесь, подлежащая разгонке, подается без перерыва. Наиболее простыми яв­ляются установки для разгонки би­нарных смесей. Схема такой уста­новки показана на рис. 5-9,6. В этой установке ректификационная колон­на делится на две части: нижнюю, так называемую исчерпывающую, колонну, в которой во многих слу­чаях летучий компонент отгоняется почти полностью в верхнюю часть колонны, а кубовый остаток с не­летучим компонентом сливается, и верхнюю — укрепляющую — ко­лонну.

Рис. 5-9. Схемы ректификационных установок.

а — для периодической ректификации; б — для непрерывной ректификации; 1— перегонный куб; 2 — колонна с тарелками; 3— дефлегматор; 4— сепаратор; 5 — конденсатор; 6 — паровой змеевик; 7 — контрольный фонарь; 8 — сборный бак для легкокипящего компонента; 9 и 10— укрепляющая и исчерпывающая части колонны; 11 — сборник кубового остатка; 12 и 13 — теплооб­менники; 14 — расходный бак.

Устройство и принцип работы установки такие же, как и в уста­новках периодического действия, с той лишь разницей, что в этой установке из дефлегматора в ректи­фикационную колонну возвращается постоянное количество флегмы и не­прерывно отбирается постоянное ко­личество готового продукта с опре­деленным процентным содержанием летучего компонента. Правая часть схемы ничем не отличается от рас­смотренной схемы периодически действующей установки. В левой части показано, что смесь для раз­гонки поступает в колонну самоте­ком из бачка 14, который установ­лен выше, чем исчерпывающая часть колонны. Перед разгонкой эта смесь подогревается до необходи­мой температуры последовательно в двух теплообменниках: 12 и 13.

На рис. 5-11 изображена принци­пиальная схема разгонки тройной смеси. В первой ступени схемы в остатке получается смесь с боль­шим содержанием высококипящего компонента С, а часть дистиллята с более летучими компонентами А и В поступает во вторую ступень. Во второй ступени в остатке полу­чается компонент В, а caмый лету­чий из трех — компонент А — посту­пает в конденсатор второй сту­пени.В зависимости от температуры кипения подвергающихся разделе­нию жидких смесей ректификацион­ные установки могут работать:

а) при атмосферном давлении — для жидких смесей с температура­ми кипения при атмосферном дав лении от 30 до 200° С (этиловый спирт, бензол и др.);

б) при ва­кууме— для жидких смесей с тем­пературами кипения при давлении 0,1 МПа выше 200° С (нитротолуолы, нитрохлорбензолы, некото­рые продукты перегонки нефти и др.);

в) под давлением — для жи­дких смесей с температурами кипе­ния при давлении 1 кгс/см² (абс.) ниже 30°С (некоторые углеводоро­ды, альдегиды и т. п.).

Применение вакуума дает воз-можность_ использовать для пере­гонки высококипящих смесей грею­щий пар с относительно низкими параметрами, что имеет большое практическое значение.

^jJy^n.y^^yV^y'_J'%y'^'y^A^^^y_/^\^>MUy>>A^yA'ifK"'

Рис. 5-10. Внешний вид установки для периодической ректификации.

Рис. 5-11. Схема разгонки тройной смеси

В табл. 5-6 показана зависи­мость температур кипения некото­рых смесей от давления. Данные таблицы показывают, что если, на­пример, перегонку паранитротолуо-ла вести при атмосферном давлении с температурным перепадом 20° С, то необходимо применять греющий пар с давлением 3,43 МПа. При вакууме можно осуществить перегонку греющим паром с давле­нием 0,5—0,6 МПа.

Таблица 5-6

Зависимость температур кипения некоторых смесей от давления

Давление, мм рт, ст.	Ортонитро-толуол	Метанитро- | Паранитро- толуол ! толуол
30 50 100 200 400 760	119,2 131,7 150,6 172,4 196,0 220,4	125,7 138,5 158,4 180,7 205,5 230,5	130,4 143,8 164,0 186,5 212,2 237,7

В большинстве практических случаев нагрев и испарение смеси в ректификационных установках проводят «глухим» водяным паром, т. е. паром, поступающим в змеевик. Обогрев «острым» паром (посту­пающим непосредственно в жи­дкость) ведется только в установ­ках для перегонки высококипящих компонентов в смеси с водяным па­ром. Применение топочных газов для целей обогрева не нашло широ­кого распространения, так как при этом не удается обеспечить точное регулирование процесса, необходи­мое для работы ректификационных установок. Другие высокотемпера­турные теплоносители, а также электрический обогрев, допускаю­щие точную регулировку процесса, не нашли применения вследствие сравнительно высокой стоимости не­обходимого для этого оборудования и большей сложности эксплуатации его.

Основным недостатком сущест­вующих ректификационных колонн с тарелками или насадкой является громоздкость их. Высота ректифи­кационных колонн, например, в неф­тяной промышленности достигает 30 м, диаметр 5 ж и количество тун­нельных тарелок 50.

Отечественные ректификацион­ные колонны, схемы которых пред­ставлены на рис. 5-12, в зависимо­сти от их внутреннего устройства для распределения стекающей флег­мы и восходящих паров разделя­ются на колпачковые (с капсульны-ми — рис. 5-12,а и туннельными — рис. 5-12,6 колпачками, ситчатые (рис. 5-12,s) и насадочные (рис 5-12,г).

Колонна представляет '^обой вертикальный цилиндр, изготовлен­ный из стали, чугуна или керамики и состоящий из нескольких царг, со­единенных герметично при помощи. разъемных фланцев.

Капсульные колпачки или кол­пачки с круглым сечением в боль­шинства случаев применяются в колоннах небольших диаметров при диаметрально противоположном

расположении приточных и сливных трубок (рис. 5-13,а) так, что жи­дкость течет в плоскости тарелки в одном направлении, а по высоте, колонны — зигзагообразно. Восходя­щий поток пара встречает на одной и той же тарелке жидкость (флег­му) , состав которой изменяется в направлении движения ее от при­точной трубы к сливной. При боль­шом числе колпачков условия теп­ло- и массообмена в пределах одной и той же тарелки различны, причем они более благоприятны в месте притока флегмы, чем вблизи слив­ной трубы.

4