Процесс массобемена при ректификации.

Ректификация применяется для разделения жидких смесей на компоненты или фракции, различающиеся летучестью, (фугитивностью), и осуществляется путем многократного двустороннего массо-и теплообмена между противоточно движущимися паровым и жид­костным потоками — флегмой.

Взаимодействие фаз при ректификации представляет собой диф­фузию легколетучего компонента (л.л.к.) из жидкости в пар и труд­нолетучего компонента (т.л.к.) из пара в жидкость. Способ контак­тирования потоков может быть ступенчатый (в тарельчатых колон­нах) или непрерывный (в насадочных колоннах).

Назначение контактных устройств (тарелок, насадки) состоит в создании условий, способствующих максимальному приближению парового и жидкостного потоков. Чтобы эти потоки могли обмени­ваться веществом и энергией, они должны быть неравновесны друг к другу. При контактировании парового и жидкостного потоков в результате массо- и теплообмена величина неравновесности уменьшается затем потоки отделяются один от другого, и процесс про­должается путем нового контактирования этих фаз уже на другой смежной ступени, с другими жидкими и паровыми потоками. В результате многократно повторяющегося на последовательных тарелках (ступенях), контактирования движущихся в противотоке по высоте колонны жидкости и пара состав взаимодействующих фаз существенно изменяется: паровой поток при движении вверх обога­щается л.л.к., а жидкостный, стекая вниз, обедняется им, т. е. обо­гащается т.л.к. При достаточно большом пути контактирования противоположно движущихся потоков можно получить пар, выхо­дящий из верхней части колонны, представляющий собой более или менее чистый л.л.к., конденсация которого дает дистиллят, а из нижней части колонны — сравнительно чистый т.л.к., так называе­мый кубовый остаток.

Флегма образуется в результате частичной конденсации паров, выходящих из верхней части колонны, в специальных теплообменных: аппаратах — дефлегматорах — или вводится в колонну в виде питания. Для создания парового потока в колонне в ее ниж­нюю часть вводят определенное количество тепла непосредственным впуском греющего пара (случай открытого обогрева колонны) или подачей его в специальный теплообменник, через поверхность теп­лопередачи которого тепло передается кипящему кубовому остатку (случай закрытого обогрева).

Чаще разделяемую смесь (питание) в жидком, парообразном или смешанном виде подают в середину колонны (рис. 2) между концентрационной, или укрепляющей и отгонной, или исчерпывающей частью колонны. Верхнюю тарел­ку отгонной части колонны называют питающей тарелкой. Колонна, имеющая концентрационную и отгонную части, назы­вается полной ректификационной колонной (рис. 2а). В такой колонне создаются наиболее благоприятные условия для получения в практически чистом виде обоих компонентов бинарной смеси, однако возможно и самостоятельное действие отгонной и концентрационной колонны. Такие колонны именуют неполными.

Рис. 2 Схемы ректификационных колон

1 – дефлегматор; 2 – колонна; А – разделяемая смесь; В – вода; Д – дистиллят; П – пар; О – остаток.

Из нижней части неполной отгонной колонны (рис. 2б) в жидком виде отводится практически чистый т.л.к., над верхней тарелкой получается пар, несколько обогащенный л.л.к. В неполную концентрационную колонну, (рис. 2в) разделяемую смесь вводят в парообразном виде под ее нижнюю тарелку. Из верхней части концентрационной колонны отводят в парообразном, виде практически чистый л.л.к., а с нижней тарелки получается флегма, несколько обогащенная т.л.к. В отличие от полной ректификационной колонны в неполных колоннах для дальнейшего обогащения дистиллята отгонной колон­ны л.л.к. или остатка концентрационной колонны т.л.к. нужна их до­полнительная ректификация.

Орошение флегмой, необходимое для осуществления процесса ректификации, в отгонных колоннах достигается подачей питания в жидком виде на верхнюю тарелку. В полных и укрепляющих ко­лоннах орошение проводят за счет части конденсата пара, выходящего из верхней части колонны. Остальной пар образует дистил­лят — верхний продукт колонны, поэтому орошение и отбор дистил­лята количественно связаны между собой.

Отношение количества горячего (при температуре конденсации) орошения или флегмы (L) к количеству дистиллята (D) называет­ся флегмовым числом (R):

R=L/D = (G — D)/D, (1)

где G — количество пара, выходящего из колонны.

Флегмовое число может изменяться от 0 до ∞. При R=0 не бу­дет массообмена и обогащения пара л.л.к. При R =∞ весь конден­сат паров, выходящий из колонны, полностью поступает на ороше­ние; в этом случае отбор дистиллята равен нулю, колонна работает «на себя» (при установившемся процессе нижний продукт колонны будет иметь тот же состав, что и исходное питание). Практически колонна должна работать при 0<R<∞.

Отбирать дистиллят можно после частичной или полной конден­сации пара (рис. 3). В 1 варианте обеспечивается дополнительное обогащение дистиллята л.л.к. вследствие частичной конденсации пара и массообмена между флег­мой и паром при противоточном движении их в дефлегматоре. Во 2варианте пар, выходящий из колонны, дистиллят и флегма имеют одинаковый состав, и дефлегматор не дает никакого укреп­ляющего эффекта. В спиртовой промышленности обычно исполь­зуют первый вариант.

Рис. 3. Способы орошения колонн: 1 — дефлегматор; 2 — колонна; 3 — кон­денсатор.