Простая перегонка (дистилляция)

По способу разделения паровой и жидкой фаз дистилляцию можно подразделить на: однократную, многократную и постепенную.

При однократной дистилляции все количество образовавшихся при частичном испарении исходной жидкой смеси жидкого остатка и равновесного с ним пара отделяются друг от друга однократно. В случае многократной дистилляции процесс однократной дистилляции применяется многократно по отношению к жидкому остатку. То есть в начале происходит процесс отделения равновесного пара от жидкого остатка, а затем этот остаток вновь частично испаряется с последующим отделением от него образовавшегося пара и т.д. Многократная дистилляция позволяет в итоге получить кубовый остаток с большой долей труднолетучего компонента, но количество этого остатка бывает незначительным. При постепенной дистилляции пары отделяются от жидкого остатка по мере их образования. Таким образом постепенную дистилляцию можно рассматривать как предельный случай многократной.

Можно классифицировать процесс дистилляции и по другим признакам. Так если в результате процесса получаются несколько фракций конечного продукта различного состава, то такую дистилляцию называют фракционной. Если для повышения степени разделения смеси образовавшиеся пары частично конденсируют и конденсат (флегму), обогащенный труднолетучим компонентом, смешивают с жидким остатком, то этот процесс называют дистилляцией с дефлегмацией.

С использованием фракционной перегонки можно достичь высокой степени разделения исходной смеси. Так если первую фракцию дистиллята состава подвергнуть еще одной постепенной перегонке, то получится дистиллят среднего состава . Получившийся при этом кубовый остаток состава можно смешать со второй фракцией дистиллята состава . Данная смесь по составу будет приблизительно соответствовать исходной смеси и ее можно вновь подвергнуть фракционной дистилляции. В результате получаются кубовый остаток состава с малой долей легколетучего компонента дистиллят состава с малой долей труднолетучего компонента. Аналогичным образом можно разделять исходную смесь путем непрерывной многократной дистилляции, но для этого потребуется несколько дистилляторов.

Дефлегмация - частичная конденсация паров с возвратом конденсата в кубовый остаток, проводится с целью обогащения оставшегося пара легколетучим компонентом, так как в конденсат в большей степени переходит труднолетучий.

В зависимости от величины флегмового числа степень обогащения дистиллята легколетучим компонентом будет различна. Максимальна она будет при R, выход дистиллята при этом будет равен нулю ( 0). При R0 эффект от дефлегмации будет равен нулю, так как 0 (дефлегмации не происходит).

Непрерывная ректификация

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 1.

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.

Рис. 1. 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.

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,, поступающим на тарелку с несколько более высокой температурой чем жидкость. На каждой тарелке происходит тепломассообменный процесс, в результате которого пар частично конденсируется, а жидкость частично испаряется. При этом из пара в жидкость переходит, в основном, 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 сборнике 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 отводится 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. 1, а встроенный - расположенный в нижней части колонны под тарелками, 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. 2). Рассмотрим три тарелки -1, , +1. 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. 2 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.

Рис. 2. Изображение процесса ректификации на теоретической тарелке с помощью T-x-y диаграммы.