Теоретические основы процесса ректификации

 

Ректификация - это последовательное многократное противоточное осуществление процессов испарения и конденсации. Для иллюстрации процесса ректификации рассмотрим разделение воздуха в предположении, что воздух может рассматривать­ся как двухкомпонентная смесь азота и кислорода. Схема ректификационной колонны представлена на рис. 4.4, характерные точки процесса ректификации показаны в диаграмме температура - концентрация (рис. 4.5.).

 

 

 

 

концентрация

 

Рис. 4.4. Схема ректификационной колонны

I - купол; II - конденсатор; III – ситчатая или колпачковая тарелка; IV – испаритель (куб)

 

Рис. 4.5. Процесс ректификации в диаграмме температура - концентрация

 

 

Предположим, что в колонну поступает насыщенный пар (точка 1). В идеальном установившемся процессе слой жидкости выше уровня питания имеет тот же состав, что и питающая жидкость, хотя жидкость в точке 2 имеет меньшую температуру, чем температура жидкости подпитки. Пар поднимается вверх по колонне и барботирует

через жидкость, тогда как жидкость, проходящая через тарелку, опускается на следующую нижнюю тарелку через трубу (или слив). В процессе барботажа через слой жидкости пар, имеющий более высокую температуру, передает теплоту жидкости, как показано на рис. 4.6.

 

Рис. 4.6. Тепло- и массообмен пузырька при движении через жидкость в колонне

 

 

В результате передачи теплоты небольшая порция пара высококипящего компонента (в данном случае кислорода) конденсируется из парового пузырька, а небольшая порция

низкокипящего компонента (в данном случае азота) испаряется из объёма жидкости.

Таким образом, пар, движущийся вверх через слои жидкости, на тарелках обогащается азотом, а жидкость, стекающая вниз, через которую барботируют пузырь­ки пара,

обогащается кислородом.

На идеальной или теоретической тарелке пар, выходящий из жидкости, будет иметь ту же температуру, что и жидкость на тарелке, т. е. пар будет покидать тарелку в состоянии, определяемом точкой 3 на рис. 4.5. Затем пар будет проходить через

следующий слой жидкости (на следующей тарелке, точка 4), и весь процесс повторится. При движении пара вверх по колонне через последующие слои жидкости он будет все

более и более обогащаться азотом. Жидкость, стекающая вниз по колонне от одной тарелки к другой, будет все более обогащать­ся кислородом за счет из

паровой фазы. Используя большое число тарелок, можно достигнуть весьма высокой

чистоты обоих компонентов. К нижней части колонны (кубу) необходимо подводить некоторое количество теплоты для обеспечения снабжения паром пространства колонны, находяще­гося ниже уровня питания, а от вершины колонны необходимо отводить теплоту для обеспечения снабжения жидкостью части колонны выше уровня питания. В

действительности обычно никогда не достигается полное разделение. В ре­альной ректификационной колонне пар покидает тарелку при температуре, отличной от средней температуры жидкости на тарелке. Следовательно, для достижения заданного уровня разделения требуется число тарелок больше тео­ретического. Действительные процессы, происходящие в ректификационных колоннах, характеризуются существенной необратимостью, кроме того, при ректификации возникают потери, связанные с гидравлическим сопротивлением, конечным временем контакта фаз, неадиабатичностью процесса и т.д. Расчет процесса ректификации состоит в определении числа теоретических и действительных тарелок.

Теоретическая тарелка – то место в колонне, где достигается равновесие между жидкостью и паром.

Для определения числа действительных тарелок при известном числе теоретических часто пользуются понятием коэффициента полезного действия тарелки h, который определяют как отношение числа теоретических тарелок n_т к числу действительных тарелок n_д h = n_т / n_д. Коэффициент полезного действия тарелки h зависит от типа тарелки, разделяемой смеси и т.д.

Для определения числа теоретических тарелок ректификационной колонны приведём вывод основных уранений, характеризующих её работу. С этой целью рассмотрим выделенный участок ректификационной колонны (рис. 4.7.).

 

Рис. 4.7. К расчёту процесса ректификации

 

 

Для участка колонны между сечениями n и n + 1 запишем три уравнения - общий материальный баланс (1), материальный баланс по низкокипящему компоненту (2), энергетический баланс (3)

 

 

(4.1)

 

 

Приведенные выше уравнения лежат в основе методов определения числа теоретических

ректификационных тарелок.