Лекция №7 по дистилляции и ректификации

5

Дистилляция и ректификация. Лекция №4.

Ректификация бинарных смесей с применением разделяющего компонента и без такового.

Для разделения смесей, состоящих из компонентов с близкими температурами кипения и характеризующимися небольшим значением коэффициента относительной летучести, требуется большое число тарелок в колонне, что провоцирует увеличение капитальных затрат. При разделении таких смесей велики будут и флегмовые числа, что увеличивает эксплуатационные затраты.

Если смесь образует азеотроп, то ее разделение на практически чистые компоненты методом обычной ректификации становится невозможным (возможно лишь получение одного из компонентов и смеси, близкой по составу к составу азеотропа ).

В обоих случаях необходимо использовать специальные методы ректификации:

1) разделение в комплексе колонн, работающих под разными давлениями;

2) экстрактивная ректификация;

3) азеотропная и гетероазеотропная ректификация.

Первый метод (разделение в комплексе колонн, работающих под разными давлениями) применяется для разделения смесей образующих азеотроп и базируется на свойстве азеотропообразующих смесей изменять состав азеотропных точек при изменении давления над кипящей смесью. В соответствии с правилом Вревского для смесей с положительным отклонением от закона Рауля при повышении давления увеличивается концентрация компонента с большей мольной теплотой парообразования; в случае смесей с отрицательным отклонением от закона Рауля при повышении давления увеличивается концентрация компонента с меньшей мольной теплотой парообразования. Имея две колонны, работающие под разными давлениями (под атмосферным и под вакуумом) можно разделить исходную бинарную смесь на практически чистые компоненты. Однако, создание и поддержание вакуума связано с дополнительной затратой энергии и неизбежными потерями продуктов. Кроме того, использование вакуума не всегда заметно повышает коэффициент относительной летучести.

Второй метод (экстрактивной ректификации) применяется в основном при разделении смесей с низким значением коэффициента относительной летучести.

Пусть необходимо разделить трудноразделимую бинарную смесь с относительной летучестью близкой к 1 на фракции близкие по составу к НКК и ВКК. К такой смеси добавляют третий компонент с низкой летучестью (высокой температурой кипения), который избирательно растворяет компонент В исходной смеси и мало растворяет компонент А. Таким образом введение третьего компонента заметно понижает упругость паров растворяемого компонента В, увеличивая тем самым коэффициент относительной летучести разделяемой смеси: . Дополнительный компонент носит название – “экстрагирующего агента”. На верхнем рисунке представлена принципиальная схема экстрактивной ректификации.

Согласно схеме компонент С подается на верхнюю тарелку колонны 1 и вместе с флегмой стекает вниз по колонне. Растворяя в себе компонент В, экстрагирующий агент С

понижает упругость его паров и способствует разделению А и В. Верхний продукт колонны 1 представляет собой фракцию обогащенную компонентом А, а нижний продукт – смесь В + С. Насосом 3 эта смесь подается в колонну 2, где получают фракцию обогащенную компонентом В (верхний продукт) и фракцию обогащенную компонентом С (нижний продукт). Экстрагирующий агент С насосом 4 подают в колонну 1, замыкая цикл по компоненту С. Результатом работы по такой схеме является разделение исходной смеси на фракции с преимущественным содержанием компонентов А и В. Потери экстрагирующего компонента С восполняются потоком (показано штриховой линией). Линия равновесия бинарной смеси А + В без добавления экстрагирующего компонента С представлена на рис. а). Видно, что линия равновесия близко расположена к диагонали, т.е. коэффициент относительной летучести чуть больше единицы, а поэтому для разделения такой смеси требуется значительное число теоретических тарелок.

Линия равновесия той же бинарной смеси при наличии экстрагирующего компонента значительно удалена от диагонали (см. рис. b). Коэффициент относительной летучести значительно возрос с добавлением экстрагента. По этой причине резко сокращается потребное количество теоретических тарелок для разделения смеси компонентов А и В. На линии равновесия наблюдается скачок концентраций в паровой фазе, который обусловлен изменением концентрации экстрагента в жидкости в месте подачи исходной жидкости.

Третий метод (азеотропной и гетероазеотропной ректификации) применим как для смесей с малым коэффициентом относительной летучести, так и для азеотропообразующих смесей. При гомоазеотропной ректификации разделяющий компонент образует с каким – либо компонентом разделяемой смеси азеотроп с иным соотношением компонентов, нежели в исходной смеси, что и служит основой разделения исходной смеси на практически чистые компонента в установке с двумя (или более) колоннами.

Более простым методом разделения смеси А и В представляется метод с помощью разделяющего компонента (с низкой температурой кипения), провоцирующий образование гетероазеотропной смеси А + В. Такой метод разделения позволяет существенно увеличить движущую силу процесса и тем самым существенно упростить аппаратурное оформление (понижение высоты колонны).

На рисунке представлена схема одного из вариантов гетероазеотропной ректификации.

Рис. Гетероазеотропная ректификация: а) упрощенная схема ректификационной установки; б) диаграмма фазового равновесия при гетероазеотропной ректификации.

.

Исходная смесь А + В состава поступает в колонну 1 на тарелку питания. В результате разделения образуется пар состава и кубовый остаток состава Пары состава направляются на конденсацию в конденсатор 3 первой колонны. Образовавшийся конденсат направляется на расслаивание во флорентийский сосуд. Верхний слой жидкости в разделительном сосуде состава образует поток флегма для колонны 1. Нижний слой состава образует исходный раствор для колонны 2 с питанием в торец колонны, т.е. вторая колонна имеет только отгонную часть колонны. В результате разделения вторую колонну покидают потоки пара и кубового остатка, составы которых равны, соответственно, и Поток пара направляется на последующую конденсацию в конденсатор 3 второй колонны. Образовавшийся конденсат направляется на расслаивание во флорентийский сосуд.

Результатом работы такой установки является полное разделение исходного потока смеси компонентов А и В на потоки с преимущественным содержание компонента А (состава x₂) и В (состава x₀).