Схема непрерывно действующей ректификационной установки

1 – ректификационная колонна;

2 – кипятильник;

3 – дефлегматор;

4 – делитель флегмы;

5 – контактные устройства (тарелки или насадка).

Снизу вверх по колонне движутся пары, поступающие из кипятильника 2, представляющие собой практически чистый высококипящий компонент (ВК). Поднимаясь по колонне и взаимодействуя с жидкостью на тарелках пары всё более обогащаются низкокипящим компонентом (НК) и выходят из колонны в виде практически чистого НК. В дефлегматоре 3 эти пары конденсируются; в делителе флегмы 4 разделяются на 2 потока – дистиллят и флегму. Флегма подаётся на верхнюю тарелку; дистиллят удаляется. Флегма (почти чистый НК), стекая вниз по колонне, взаимодействует с восходящим потоком пара и всё более обогащается ВК. Таким образом, жидкость внизу колонны – это практически чистый ВК, поступает в кипятильник 2, делится на две части – одна в кипятильник 2, другая - в остаток. На некотором расстоянии от верха колонны вводится исходная смесь, которая подаётся на питающую тарелку при t_кип на тарелке. Питающая тарелка делит колонну на части: верхнюю – которая называется укрепляющей, и нижнюю – называется исчерпывающей.

Материальный баланс ректификационной колонны

Замечание: при расчёте ректификационной колонны количества и составы фаз выражают в мольных величинах, так как мольные теплоты испарения близки по величине, а удельные отличаются (это делается для удобства вывода).

Примем некоторые допущения.

1. Разделяемая смесь подчиняется закону Трутона, согласно которому отношение мольной теплоты испарения или конденсации r к абсолютной температуре кипения T для всех жидкостей равно постоянной величине, то есть

r_см/Т_см = r₁/T₁ = r₂/T₂ = … const

r₁ = r₂ = …, T₁ = T₂ = ….

Отсюда следует, что при конденсации 1-ого моля ВК в колонне испаряется 1 моль НК и количество паров в кмолях, поднимающихся по колонне, постоянно.

2 . Состав пара, выходящего из колонны в дефлегматор 3 Y_d, равен составу дистиллята в жидкой и паровой фазе, то есть у_d = х_p = у_p .

3 Состав пара, который поднимается из кипятильника 2 в колонну, равен составу жидкости, поднимающейся в кипятильник y_w=x_w

4 . Теплоты смешения компонентов равны нулю. Смесь на разделение поступает при t_кип.

2-ое и 3-е допущения говорят о том, что составы жидкости и пара на концах колонны равны, то есть y_p=x_p и y_w=x_w..

Материальный баланс ректификационной колонны.

В колонну поступает F кмоль исходной смеси состава X_F (мольные доли НК); сверху из колонны выходит G кмоль паров, из конденсата которых образуются дистиллят и флегма. Р – количество дистиллята, Х_р – состав дистиллята. На орошение колонны возвращается флегма Ф состава Х_ф = Х_р. Внизу колонны удаляется W кмоль остатка состава X_w.

Тогда уравнение материального баланса по потокам:

F + Ф = G + W; так как G = P + Ф, то F + Ф = P + Ф + W, то есть F=P+W.

Материальный баланс по НК: Fx_F = Px_P + Wx_W.

Уравнения рабочих линий

Исходим из общего для всех массообменных процессов уравнения рабочей линии:

L, G – расходы жидкой и паровой фаз; х, у, х_к, у_н – концентрация жидкости и пара текущие и на верхнем конце колонны.

Всё считаем в мольных единицах!

Укрепляющая часть колонны. Выразим количество жидкости (флегмы), которая стекает вниз по верхней части колонны: L = Ф = RP, где . R – флегмовое число. Флегмовое число равно отношению количества флегмы Ф к количеству дистиллята Р. Количество паров, поднимающихся по укрепляющей. части колонны G=P+Ф=P+RP=P(R+1). Для верха колонны: у_н = х_p, так как у_G = у_p = х_p и х_ф = х_р, т.есть х_к = х_р.

Подставим в уравнение:

– уравнение рабочей линии верхней укрепляющей части колонны.

Исчерпывающая часть колонны. Количество жидкости L′ = Ф + F. Обозначим: f = F/P; f – показывает, какое количество питания приходится на 1 кмоль дистиллята.

Количество пара, поднимающегося по исчерпывающей части равно количеству пара поднимающегося по укрепляющей части G = G′ = P(R + 1). Состав пара из кипятильника у_н=у_w=х_w Состав жидкости х_к=х_w. - уравнение рабочей линии исчерпывающей части колонны.