Ректифікація. Схема ректифікаційної установки безперервної дії
Ректифікація - це протитечійна взаємодія двох неврівноважених фаз - рідини й пари, що утвориться із цієї рідини. При цьому пара безупинно збагачується низькокиплячим (легколетучим) компонентом, а рідина висококиплячим (важколетучим) компонентом. Ректифікацією може бути досягнутий будь-який заданий ступінь поділу рідких сумішей і ректифікація є складним процесом дистиляції.
Процеси ректифікації здійснюються періодично або безперервно при різному тиску: під атмосферним тиском, під вакуумом (для розділення сумішей висококиплячих речовин), а також під тиском більше атмосферного.
На рис. 1 зображена схема установки ректифікації безперервної дії. Усередині колони ректифікації 1 розташовані контактні пристрої у вигляді тарілок або насадки. Від низу до верху по колоні рухається пара, що поступає з ви-
Рис. 1. Схема установки ректифікації безперервної дії;1 — колона; 2 —куб-випарник; 3—дефлегматор; 4-6—теплообмінники
носного куба-випарника 2 (куб-випарник може розміщуватися і безпосередньо під колоною). На кожній тарілці відбувається часткова конденсація пари труднолеткоего компоненту і за рахунок конденсації — часткове випаровування легколеткого компоненту. Таким чином, пара, що виходить з куба-випарника і чистий труднолеткий компонент, по міру руху вгору збагачується легколетким компонентом і покидає колону у вигляді майже чистої пари легколеткого компоненту. Пара конденсується в дефлегматорі 3, охолоджуваному водою. Отриманий конденсат розділяється на дистилят (верхній продукт) і флегму, яка прямує на верхню тарілку колони. Флегма, стікаючи по колоні і взаємодіючи з парою, збагачується труднолетким компонентом.
Початкову суміш підігрівають до температури, кипіння в теплообміннику 4 і подають в колону на ту тарілку, де кипить суміш того ж складу, тобто на верхню тарілку нижньої вичерпної частини колони. Верхня частина колони називається зміцнюючою по легколеткому компоненту.
З куба-випарника відводять нижній продукт або кубовий залишок.
6. Матеріальний баланс ректифікаційної колони. Рівняння матеріального балансу верхньої (зміцнюючої) частини колони
Матеріальний баланс колони ректифікації
При розрахунках колон ректифікацій кількість і склад фаз зручно виражати в мольних величинах, оскільки величини мольних теплот випаровування компонентів бінарної суміші звичайно близькі. Отже, можна вважати, що при конденсації з пари п кмолей труднолеткого компоненту випаровується з жидкости
п кмолей легколеткого компоненту, тобто кількість фаз (в киломолях) по всій висоті колони буде постійною. Приймемо наступні допущення, мало іскажаючі фактичні умови протікання процесу, але значно спрощуючі розрахунок: 1) склад пари, що виходить з колони в дефлегматор , і склад флегми, що повертається в колону , однакові, тобто . 2) склад пари, що підіймається з кип'ятильника в колону , рівний складу рідини в кубі-випарнику тобто .
Рис. 1 Схема ректифікаційної колони:
1—колона; 2—куб-випарник; 3 — дефлегматор
Згідно схемі установки (рис. 1) ректифікації складемо мате-
ріальный баланс колони ректифікації:
- по потоках
GF = GD + GW
- по легколеткому компоненту
,
де – GF, GD, GW – масові витрати живлення, дистиляту й кубового залишку;
xF, xD, xW – зміст легколеткого (низькокиплячого), компонента в живленні, дистиляті, кубовому залишку, відповідно, масові або мольні частки.
Розглянемо верхню частину колони (вище тарілки живлення):
- баланс по потоках
GV = GR + GD
- баланс по легколеткому компоненті
де – GV, GR, GD – мольні витрати пари, що піднімається по колоні, флегми й дистиляту;
у и х – змінні по висоті колони нерівноважні концентрації (мольні частки) легколеткого компонента в парі й у рідині в даному перетині колони;
xD – зміст (мольна частка) легколеткого компонента в дистиляті.
Запишемо рівняння матеріального балансу в мольних витратах (на 1 кмоль дистиляту) і позначимо V = GV/ GD і R = GR/ GD. Тоді V = R +1, , звідки
y = чи y = ,
де R = GR/GD – відношення кількості флегми до кількості дистиляту – флегмове число.
Це рівняння являє собою рівняння робочої лінії верхньої (зміцнювальної) частини колони воно зв'язує поточні (нерівноважні) склади пари і рідини (для тарільчастих колон — склад пари, що входить на тарілку, і склад рідини, що стікає з цієї тарілки).
7. Рівняння матеріального балансу нижньої (вичерпної) частини колони ректифікації
У цьому випадку маємо:
- баланс по потоках
GV + GW= GF + GR
- баланс по легколеткому компоненту
де GW – мольна витрата кубового залишку; xW – вміст (мольна частка) легколеткого компонента в кубовому залишку.
У відносних мольних витратах (на 1 кмоль дистиляту), позначимо W = GW / GD,
F = GF/ GD, одержимо:
;
y = .
Це рівняння являє собою рівняння робочої лінії нижньої частини колони.
8. Побудова робочих ліній ректифікаційної колони на діаграмі х-у