3.3.2. Процессы в ректификационной колонне с обменными тарелками

Одним из вариантов встроенных элементов в ректификационных колоннах явля­ются обменные тарелки, например колпачкового типа (рис. Х.55). Такие колпач-ковые тарелки встраиваются в разделительную колонну на равных расстояниях друг от друга (рис. Х.52).

Итак, рассмотрим процессы, протекающие в ректификационной колонне (рис. Х.52) в соответствии с диаграммой равновесия, приведенной на рис. Х.53:

• В перегонном кубе (низ колонны) жидкостная смесь с относительным ве­щественным составом х₀ доводится до кипения. Поднимающийся при этом пар имеет состав у₀.

• Этот пар проходит через узкую часть (горловину) колпачковой тарелки и на­правляется в жидкость, находящуюся на первой тарелке, где он и конденси­рует. Состав жидкости х_х при полном обмене будет у₀.

• Выделяющееся при этом тепло конденсации вызывает испарение жидкости на первой тарелке, причем состав пара равен y_v

• Он струится через колпачок на второй тарелке в находящуюся там жидкость, конденсируя в ней. Состав этой жидкости х₂ при полном обмене будет y_v

Этот процесс отражается на каждой обменной тарелке, причем поднимаю­щийся с тарелки пар насыщен низкокипящим компонентом. Стекающая с тарелки жидкость, напротив, имеет в своем составе больше высококипяще-го компонента.

• Уходящий в голове колонны пар состоит преимущественно из низкокипя-щего компонента (у₃). Он полностью конденсирует в конденсаторе и в виде низкокипящего продукта х_Е частично выходит из установки (у₃ = х_Е = х₄).

• Другая часть конденсата возвращается в колонну (х₄), обеспечивая наличие жидкости на самой верхней тарелке. Эта жидкость протекает через перелив­ную трубку вниз от тарелки к тарелке, все больше и больше концентрируя в себе высококипящий компонент.

• Ж идкость, стекающая с самой нижней тарелки в нижнюю часть колонны, содержит большой процент высококипящего компонента. Ее относитель­ный состав равен х_х.

3.3.3. Теоретическое число ступеней разделения

Если характеристику изменения относительного состава жидкости и пара в ректификационной колонне внести в диаграмму равновесия (рис. Х.53), получим ступенчатый подъем в зоне между диагональной линией и кривой равновесия. Число ступеней в этом «лестничном марше» при теоретически опти­мальном массообмене соответствует числу об­менных тарелок.

Показанный на рис. Х.53 ступенчатый подъем возможен при условии, что весь голо­вной конденсат в полном объеме возвращается в колонну, и на каждой обменной тарелке может быть установлено состояние равновесия между кипящей на тарелке жидкостью и поднимаю­щимся из нее паром.

Число ступеней этой своеобразной лестницы имеет свое название — теоретическое число сту­пеней разделения NTS (возможное при условии полного возврата).

В промышленной установке количество обменных тарелок всегда больше тео­ретического числа ступеней разделения, поскольку на этих тарелках не устанавли­вается 100%-е равновесное состояние.