Простая перегонка, материальный баланс простой перегонки. Схемы фракционной и ступенчатой перегонки, перегонки с частичной дефлегмацией.

Одним из наиболее распространенных методов разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или большего числа компонентов, является перегонка.

Разделение перегонкой основано на различной летучести компонентов смеси при одной и той же температуре или на различии температур кипения компонентов смеси при одном и том же давлении. Поэтому при перегонке все компоненты смеси переходят в парообразное состояние в количествах, пропорциональных их фугитивности, которой характеризуется летучесть компонентов жидкой смеси.

В простейшем случае исходная смесь является бинарной, состоящей только из двух компонентов. Получаемый при ее перегонке пар содержит относительно большее количество легколетучего или низкокипящего компонента (НК), чем исходная смесь. Следовательно, в процессе перегонки жидкая фаза обедняется, а паровая фаза обогащается НК. Неиспарившаяся жидкость, соответственно, имеет состав, более богатый труднолетучим, или высококипящим компонентом (ВК). Эту жидкость называют остатком, а жидкость, полученную в результате конденсации паров, – дистиллятом или ректификатом.

Простая перегонка представляет собой процесс однократного частичного испарения жидкой смеси и конденсации образующихся паров. Простая перегонка применима только для разделения смесей, летучести компонентов которой существенно различаются между собой. Используется простая перегонка обычно для предварительного грубого разделения жидких смесей, а также для очистки сложных смесей от нежелательных примесей, смол и т. п.

Фракционная перегонка. Перегонку проводят путем постепенного испарения жидкости, находящейся в пе­регонном кубе. Образующиеся пары отводятся и кон­денсируются. Процесс осуществляют периодическим или непрерывным способом.

Если простая перегонка проводится периодически, то в ходе отгонки НК содержание его в кубовой жид­кости уменьшается. Вместе с тем, изменяется во вре­мени и состав дистиллята, который обедняется НК по мере протекания процесса. В связи с этим отбирают несколько фракций дистиллята, имеющих различный состав. Простая перегонка, проводимая с получением конечного продукта разного состава, называется фракционной, или дробной, перегонкой.

В периодически действующей установке для фрак­ционной перегонки (рисунок 1) исходную смесь загру­жают в перегонный куб 1, снабженный змеевиком для обогрева, и доводят до кипения. Пары отводят в кон­денсатор-холодильник 2. Фракции дистиллята поступают через смотро­вой фонарь 3 в отдельные сборники 4—6. По окончании операции остаток сливают из куба, после чего в него вновь загружают разделяемую смесь.

1 – перегонный куб; 2 – конденсатор-холодильник; 3 – смотровой фонарь; 4-6 – сборники фракций дистиллята

Для составления материального баланса простой перегонки примем, что в кубе в некоторый момент времени t содержитсяLкг перегоняемойсмеси, имеющей текущую концент­рацию х (по низкокипящему компо­ненту). Масса НК в жидкости в этот момент равнаLx.

Пусть за бесконечно малый про­межуток времени dt испарится dL кг смеси и концентрация жидкости в кубе уменьшится на величику dx. При этом образуются dL кг пара, равновесного с жидкостью и имеюще­го концентрацию у* количество НК в паре будет равно dLy*. Соответст­венно остаток жидкости в кубе соста­вит (L—dL), кг, а ее концентрация будет (х—dx). Тогда материальный баланс по НК выразится уравнением:

Lx = (L — dL) (х — dx) + dLy*

Раскрывая скобки и пренебрегая произведением dLdx, как бесконечно малой величиной второго порядка, после разделения переменных получим:

dL/L = dx /( y* — х).

Это дифференциальное уравнение должно быть проинтегрировано в пределах изменения массы жидкости в кубе от начальнойL = F до L — W(гдеF— масса исходной смеси, или питания, W— масса остатка) и соответствующего падения ее концентрации от x_F до x_Wза всю операцию перегонки:

(1)

Вид функции у* = f (х) определяется формой кривой равновесия и не может быть установлен аналитически для каждого конкретного случая перегонки. Поэтому интегрирование правой части уравнения, проводят графически — путем построения зависимости 1 /(у*—х) от х.

Для ряда значений х в пределах от x_F до x_w находят из диаграммы у—х равновесные им значения у* и по размеру площади под кривой, ограниченной абсциссами x_F и x_W определяют (с учетом масштабов диа­граммы) значение искомого интеграла.

По уравнению. (1), зная массы F загруженной в куб смеси и ее состав x_F, а также заданный состав остатка х_W, находят массу остатка W. Масса перегнанной жидкости составляет F—W.

Средний состав (х_р)_ср получаемого дистиллята рассчитывают из урав­нения материального баланса по низкокипящему компоненту

Расчет простой перегонки обычно имеет целью определить массу жидкости, которую необходимо перегнать, для того чтобы получить в кубе остаток заданного состава и дистиллят требуемого среднего состава.

Простая перегонка с дефлегмацией. Для повышения степени разделе­ния смеси перегонку осуществляют, дополнительно обогащая дистиллят путем дефлегмации. Пары из перегонного куба 1 (рисунок) поступают в дефлегматор 2, где они частично конденсируются. Из пара конденси­руется преимущественно ВК и получаемая жидкость (флегма) сливается в куб. Пары, обогащенные НК, направляются в конденсатор-холодильник 3, где полностью конденсируются. Дистиллят собирается в сборниках 4—6. Окончание операции контролируют по температуре кипения жид­кости в кубе, которая должна соответствовать заданному составу остатка. Последний удаляется из куба через штуцер 7.

1 – перегонный куб; 2 – дефлегматор; 3 – конденсатор-холодильник; 4-6– сборники, 7- штуцер.

Непрерывная ректификация бинарной смеси, материальный и тепловой балансы, рабочая линия ректификации, построение рабочей линии для укрепляющей и исчерпывающей частей ректификационной колонны, минимальное и рабочее флегмовое число.

Ректификациейназывается диффузионный процесс разделения жидких смесей взаимно растворимых компонентов, различающихся по температурам кипения, который осуществляют путем противоточного, многократного контактирования неравновесных паровой и жидкой фаз.

Для получения продуктов с заданной концентрацией компонентов и высокими выходами используют процесс ректификации, который широкоприменяется в нефтегазопереработке, химической, нефтехимической, кислородной, пищевой и других отраслях промышленности.

Отбираемый с верху колонны продукт D, обогащенный НКК, называется ректификатом (или дистиллятом), — а снизу колонны W, обогащенный ВКК, — остатком (или нижним продуктом).

Та часть колонны, куда вводится сырье, называется секцией питания, или эвапорационным пространством, часть ректификационной колонны,находящаяся выше ввода сырья — верхней, концентрационной или укрепляющей, а ниже ввода сырья — нижней, отгонной или исчерпывающей. В обеих частях колонны протекает один и тот же процесс ректификации

Вступающие в контакт пары и жидкость при ректификации не находятся в равновесии, но в результате контакта фазы стремятся достичь его или приблизиться к этому состоянию. При этом происходит выравнивание температур и давлений в фазах и перераспределение компонентов между ними. Контакт пара и жидкости, при котором система достигает состояния равновесия, называется идеальным или теоретическим, а устройство, обеспечивающее такой контакт — теоретической тарелкой.

Сущность ректификации как явления удобно рассматривать на примере работы колонны применительно к разделению бинарной смеси. Схема ректификационного агрегата показана на рис.1а, ей соответствует диаграмма t – х,у для разделяемой смеси (рисунок. 1б). Колонну 1 будем считать адиабатической: она хорошо изолирована в тепловом отношении, так что потери тепла в окружающую среду практически отсутствуют. В нижней части колонны находится куб 2 с обогревающим устройством. На выходе паров сверху колонны расположен конденсатор 3.

Схематизируем явления, происходящие при ректификации. При нагревании исходной смеси состава x_о до температуры кипения t₀ образуется пар, находящийся в равновесии с жидкостью. При его конденсации образуется жидкость (конденсат) состава x₁= y₀, которая обогащена НК. Нагрев эту жидкость до температуры t₁ и сконденсировав образовавшиеся пары, получим конденсат состава x₂= y₁, причем x₂>x₁, т.е. жидкость еще больше обогащена НК.

Таким образом, повторяя многократно процессы испарения и конденсации паров, можно получить жидкость, практически состоящую из одного НК. Параллельно этому в нижней части колонны (в кубе) получаем жидкость обогащённую ВК.

Рисунок 1 - Противоточное контактирование паровой и жидкой фаз:

а) схема ректификационного агрегата (1 – колонна, 2 – обогревающее устройство, 3 – конденсатор);

б) процесс ректификации на диаграмме t – x,y. G_V – выход паров в дефлегматор, G_R – подача флегмы на орошение колонны, G_Д – отбор дистиллята.

Для анализа работы ректификационной колонны необходимо составить материальные балансы потоков. Уравнения последних имеют следующий вид:

-для всей колонны

F=Д+W

-по потокам фаз

G_F=G_Д+G_W

G_F+G_R=G_V+G_W;

- по количеству НК:

G_F·х_F=G_Д·y_Д+G_W·х_W.

Относительный отбор остатка составит:

Процесс ректификации связан с обменом тепловой энергией между паром и жидкостью и если не учитывать потери тепла в окр. среду тепловой баланс можно записать по формуле:

Q_F+Q_B = Q_D+Q_W+Q_d

Q_F– тепло с сырьем; Q_B – тепло входит в низ колонны через кипятильник; Q_D - отводится из колонны парами ректификата; Q_W– отводится жидким остатком; Q_d - отводится хладагентом.

Отдельные составляющие: Q_F = F(1-e)·h_tF + F·e·H_tF= F·h_F

е – массовая доля отгона.е = D/F=W/F.