1.5.1.3 Непрерывная ректификация

Как уже отмечалось в разделе 15.1.2.4 добиться высокой степени разделения исходной смеси можно с помощью непрерывной многократной дистилляции, однако для этого потребуется большое количество как дистилляторов, так и затрат тепла на испарение смеси. С меньшими затратами достичь того же результата можно с помощью непрерывной ректификации, в ходе которой многократное частичное испарение жидкости и конденсации паров осуществляются в одном аппарате (ректификационной колонне) при контакте неравновесных паровой и жидкой фаз, движущихся противотоком. Конструкции ректификационных колонн аналогичны абсорбционным. Обычно в процессе ректификации применяются тарельчатые и насадочные аппараты. Основной особенностью ректификационных колонн состоит в том, что в целях сокращения потерь тепла они покрываются тепловой изоляцией. Схема установки непрерывной ректификации изображена на рисунке 15.19.

Рис. 15.19. Схема установки непрерывной ректификации: 1 - ректификационная колонна; 2 - дефлегматор; 3 - холодильник дистиллята; 4 - холодильник кубового остатка; 5 - кипятильник кубового остатка; 6 - подогреватель исходной смеси; 7 - делитель флегмы; 8 - делитель кубового остатка; 9 - сборник кубового остатка; 10 - сборник дистиллята.

Рассмотрим работу ректификационной установки на примере тарельчатой колонны (принципиальных отличий в работе колонн других конструкций нет). Исходная смесь состава x_F с расходом поступает в подогреватель 6, где нагревается до температуры, как правило, близкой к температуре кипения и подается в колонну 1. Обычно исходная смесь подается в колонну в жидком состоянии, но иногда может подаваться в виде пара или смеси пара и жидкости. Тарелка, на которую поступает исходная смесь, называется питательной или тарелкой питания. Она делит колонну на две части: верхнюю, называемую укрепляющей или концентрационной, и нижнюю - исчерпывающую или отгонную. Жидкость стекает с каждой тарелки на более нижнюю, контактируя с восходящим неравновесным потоком пара. При этом из пара в жидкость переходит труднолетучий компонент, а из жидкости в пар - легколетучий. Таким образом, жидкость, стекая вниз, обогащается труднолетучим компонентом и из нижней части колонны отводится кубовый остаток, в котором преобладает труднолетучий компонент по сравнению с исходной смесью (x_F>x_W). Часть кубового остатка, разделяясь в делителе 8, отводится в виде конечного продукта в сборник 9, а другая - поступает в кипятильник 5, испаряется и подается в виде пара в колонну под нижнюю тарелку.

Пар проходит через тарелки, контактируя с жидкостью, обогащается легколетучим компонентом и отводится из верхней части колонны в дефлегматор 2, где, как правило, полностью конденсируется. Конденсат разделяется в делителе 7 на две части, одна из которых отводится в виде дистиллята в сборник готового продукта 10. Содержание легколетучего компонента в нем выше, чем в исходной смеси (x_D>x_F). Другая часть конденсата, называемая флегмой, подается на верхнюю тарелку и стекает вниз для обеспечения контакта с паром в верхней части колонны. Если в дефлегматоре весь пар конденсируется то составы пара y_D, дистиллята x_D и флегмы x_Ф одинаковы (y_D=x_D=x_Ф) и в делителе 7 происходит лишь разделение жидкого потока на части без изменения его состава. Если же в дефлегматоре происходит лишь частичная конденсация паров и в качестве флегмы от водится конденсат, а оставшиеся пары конденсируются и охлаждаются в конденсаторе-холодильнике 3 с образованием дистиллята, то x_Ф<y_D<x_D.

Если вся жидкость, поступающая в кипятильник 5, испаряется, то состав пара, поступающего в колонну y_W равен составу кубового остатка x_W (y_W =x_W). Если же в кипятильнике происходит лишь частичное испарение жидкости (для этого используют не выносной кипятильник, как изображено на рис. 15.19, а встроенный - расположенный в нижней части колонны под тарелками (рис. 15. 27.), то состав пара отличается от состава кубового остатка и их, обычно, можно считать равновесными (y_W=y^(x_W)).

Процесс ректификации при допущении, что каждая тарелка работает как теоретическая, то есть на ней достигается равновесие между уходящими фазами, можно изобразить на T-x-y диаграмме (рис. 15.20). Рассмотрим три тарелки -1, , +1 (рис. 13.9). Пар состава с температурой поднимается на тарелку . Жидкость состава с температурой стекает на тарелку . Температура пара, поднимающегося снизу колонны выше температуры жидкости, стекающей сверху. На нижней тарелке колонны температура самая высокая, так как там кипит кубовый остаток, обогащенный труднолетучим (высококипящим) компонентом. На самой верхней тарелке температура самая низкая, ибо здесь происходит кипение дистиллята, обогащенного легколетучим (низкокипящим) компонентом. Если допустить, что тарелка работает как теоретическая, то в результате уходящие с нее пар состава и жидкость состава должны подчиняться условию равновесия . Как видно из рис. 15.20 это приведет к тому, что на тарелке доля легколетучего компонента в паре увеличится , а в жидкости - уменьшится , то есть происходит обогащение пара легколетучим компонентом, а жидкости - труднолетучим. На реальных тарелках равновесие между уходящими потоками пара и жидкости, как правило, не достигается, однако направление и суть процесса ректификации сохраняются.