Принципиальные схемы процессов ректификации

В технике широко используются ректификационные установки, построенные на различных принципах; их целесообразно классифицировать путем разделения на периодически и непрерывно действующие.

Рис. 4.31. Принципиальная схема ректификационной установки периодического действия: 1 — куб; 2 — ректи-фикационная колонна; 3 — дефлегматор; 4 —разделительный стакан; 5 — холодильник; 6, 7 — сборники.

Схема периодически действующей ректификационной установки приведена на рис. 4.31. Исходная смесь загружается в куб 1, где нагревается до температуры кипения и испаряется. Пары проходят через ректификационную колонну 2, взаимодействуя в противотоке с жидкостью, возвращаемой из дефлегматора 3. В дефлегматоре 3, богатые легко летучим компонентом пары конденсируются и конденсат поступает в делитель потока 4. Часть жидкости из делителя потока направляется на орошение ректификационной колонны, а другая часть — дистиллят — проходит через холодильник 5 и направляется в сборник 6 или 7.

Установка непрерывного действия для разделения исходной смеси на две составляющие части приведена на рис. 4.32. Исходная смесь поступает в подогреватель 1, где ее температура повышается за счет тепла греющего водяного пара до температуры

 

Рис.4.32. Принципиальная схема ректификационной установки непрерывного действия:

1 — подогреватель; 2 — ректификационная колонна; 3 — дефлегматор; 4 — кипятильник; 5 — холодильник; 6 — сборник кубового остатка; 7 — сборник дистиллята.

 

кипения. Нагретая смесь поступает в питающую секцию ректификационной колонны 2, присоединяясь к орошению, которое обеспечивается конденсацией паров в дефлегматоре 3.

Необходимое для проведения ректификации многокомпонентное испарение жидкости осуществляется в кипятильнике 4. В дефлегматоре 3 происходит полная конденсация паров. Из делителя потока часть дистиллята, отвечающая флегме, возвращается в колонну, а остальная часть проходит через холодильник 5 и направляется в сборник 7. Менее летучая часть исходной смеси непрерывно отбирается из нижней части ректификационного аппарата и поступает в сборник 6.

В рассмотренной схеме не учитывается возможность рационального использования тепла. Практически тепло отходящих потоков можно использовать для нагревания входящих и, в частности, нагревать исходную смесь за счет тепла жидкости, удаляющейся из нижней части колонны.

Ректификация многокомпонентных смесей непрерывным методом осуществляется в аппаратурных агрегатах, построенных по типу многоколонных схем (рис. 4.33). Если исходная смесь должна быть разделена на тричасти А, В и С, то одна колонна может обеспечить разделение либо на А + ВС, либо на АВ + С; для последующего разделения АВ или ВС необходима вторая колонна. Следовательно, для разделения исходной смеси на п частей необходим ректификационный агрегат, состоящий из n — 1 ректификационных аппаратов.

 

Рис. 4.33. Принципиальная схема разделения многокомпонентной смеси.

АБСОРБЦИОННАЯ И РЕКТИФИКАЦИОННАЯ АППАРАТУРА

Аппараты, предназначенные для проведения процессов абсорбции и ректификации, называются соответственно абсорберами или ректификационными колоннами.

Указанные аппараты можно подразделить на три основные группы:

- а) аппараты, в которых поверхностью фазового контакта является поверхность жидкости, растекающейся по специальной насадке;

- б) аппараты, в которых поверхность фазового контакта создается потоками газа (пара) и жидкости;

- в) аппараты, в которых поверхность фазового контакта создается вследствие разбрызгивания жидкости.

Аппараты, в которых поверхностью фазового контакта является поверхность жидкости, растекающейся по насадке. К аппаратам указанного типа относятся пленочные аппараты и аппараты со смоченной насадкой.

Пленочные аппараты выполняются преимущественно в виде трубчатых теплообменников и аппаратов с листовой насадкой. Взаимодействующая с газом (паром) жидкость поступает в верхнюю часть аппарата на трубную решетку, равномерно распределяется по трубам и в виде тонкой пленки и стекает по их внутренней поверхности.

Газ (пар) поступает в нижнюю часть аппарата и движется навстречу жидкости.

Аппараты со смоченной насадкой или просто насадочные колонны выполняются в виде цилиндрической колонны, заполненной насадочными телами.

Насадка, или насад очные тела, могут иметь самую разнообразную форму. Практическое значение имеют хордовая насадка, кольца, фасонные насад очные тела, спиральная и сетчатая металлическая насадка, а также дробленый кусковой материал.

Хордовая насадка (рис. 4.34), как правило, делается из деревянных брусьев, располагающихся правильными рядами друг над другом. Кольцевая насадка (рис. 4.35) состоит из керамических или стальных цилиндров, загружаемых в аппарат либо правильными рядами, либо навалом. Фасонная насадка (рис. 4.36) выполняется из керамики в виде седел, цилиндров с перегородками, пропеллеров и т. д., загружаемых в аппарат навалом.

 

Рис. 4.34.

Хордовая насадка

 

Организованная укладка

Рис. 35. Кольцевая насадка

Навал

 

 

 

Рис. 4.36. Различные типы фасонной насадки

 

 

Спиральная и сетчатая насадки выполняются обычно из стальной оцинкованной ленты и загружаются в аппарат правильными рядами.

В качестве кусковой насадки обычно используют дробленый кокс или кварц в виде кусков размерами 25—75 мм

Наиболее эффективна насадка, имеющая меньший эквивалент-диаметр d_эк, а следовательно, меньший коэффициент свободного объема и большую удельную поверхность.

d_эк = 4f / S,

где f – свободное сечение каналов между насадочными телами; S – суммарный периметр каналов.

В промышленных аппаратах чаще всего используется кольцевая насадка и дробленый кусковой материал.

Аппараты, в которых поверхность фазового контакта развивается потоками газа н жидкости. В рассматриваемую группу аппаратов входят насадочные колонны, работающие в режиме подвисания, и колонны с ситчатыми, решетчатыми, колпачковыми и другими тарелками.

Насадочные колонны, работающие в режиме подвисания. Практика показывает, что насадочные колонны работают наиболее эффективно в условиях режима подвисания, близкого к режиму захлебывания, т. е. такого, при котором вес задержанной на насадке жидкости становится равным силе трения газового потока о жидкость. При этом орошающая жидкость задерживается в свободном объеме колонны в максимальном количестве, образуя в проходах насадки газо-жидкостную смесь — плотную пену. Этот режим отличается тем, что небольшое увеличение скорости газа (пара) приводит к захлебыванию колонны вследствие преобладания сил трения над силами тяжести.

Оптимальный режим работы колонны достигается при скоростях газового (парового) потока, на 15—20% меньших скоростей, вызывающих захлебывание. Очевидно, что в этих условиях массообмен становится весьма эффективным. Поверхность фазового контакта превышает поверхность насадки, а коэффициенты массоотдачи достигают предельных величин для аппаратов подобного типа.

Тарельчатые колонны. Колонны с тарелками, или тарельчатые колонны, являются эффективными и наиболее распространенными аппаратами. Они выполняются в виде вертикальных цилиндров, внутри которых одна под другой размещено определенное количество горизонтальных перегородок — тарелок, обеспечивающих возможность течения жидкости сверху вниз, а газа или пара снизу.

Различают тарельчатые колонны с переливными устройствами колонны с неорганизованным переливом жидкости, или с провальными тарелками.

Колонны с провальными тарелками (рис. 4.37) по характеру гидродинамики потоков аналогичны насадочным колоннам, работающими в режиме подвисания. На тарелках одновременно происходит барботаж газа или пара через слой жидкости и частичное «проваливание» жидкости. Газ (пар) движется снизу вверх только через часть отверстий или щелей пульсирующим потоком. Распределение опускающих газ или жидкость отверстий носит статистический характер, жидкость стекает с тарелки на тарелку в местах макси-ального статического давления.

	Рис. 4.38. Тарельчатая колонна с переливными устройствами: 1 — тарелка; г — переливное устройство.

 

 

 

Рис. 4.37. Тарельчатая колонна

с неорганизованным переливом

жидкости.

Суммарную площадь всех отверстий (щелей), или так называемое свободное сечение тарелок, подбирают так, чтобы при заданной скорости газового (парового) потока через часть отверстий происходило «проваливание» жидкости.

Тарельчатые колонны с переливными устройствами. Эти аппараты (рис. 4.38) имеют горизонтальные тарелки 1 и переливные устройства 2. Жидкость поступает на верхнюю тарелку, переливается через переливные устройства сверху вниз и удаляется из нижней части аппарата. Газ (пар) вводится в нижнюю часть аппарата и перемещается вверх, распределяясь на каждой тарелке в виде пузырьков или факелов. В зависимости от способа распределения газа (пара) на тарелках различают тарелки ситчатые (рис.4.39) и колпачковые (рис.4.40).

Характер распределения газа и жидкости зависит не столько от конструкции распределяющих устройств, сколько от скорости газового потока. При небольшой скорости газа в отверстиях ситчатой тарелки отдельные пузырьки газа (пара) отрываются и перемещаются в жидкости один за другим; при этом тарелка работает неполным сечением. Такой режим распределения газа называется пузырьковым. В интервале скоростей газового потока, соответствующих пузырьковому режиму, отмечаются граница скорости, при которой часть жидкости «проваливается»через отдельные отверстия, граница скорости, при которой «провал» отсутствует, но отверстия работают неравномерно, и, наконец, граница скорости, ответствующая равномерной работе тарелки во сем сечении. При этом на тарелке образуется ячеистая пена.

При увеличении скорости газа происходит разрушение ячеистой пены; подобное распределение газа или пара называется факельным. При сильном возрастании скорости газа (пара) потоки его разбивают пену и начинают подбрасывать жидкость на большую высоту.

 

 

	Рис. 4.39. Ситчатая тарелка: 1, 2— пороги.

 

 

а

 

Рис. 4.40 Колпачковые тарелки с круглыми (а) и с туннельными (б) колпачками.

Эстракция

ЖИДКОСТНАЯ ЭКСТРАКЦИЯ

Экстракция (жидкостная) — извлечение одного или нескольких растворенных веществ из одной жидкой фазы другой, практически не смешивающейся с первой.

Процесс широко используется для извлечения ценных продуктов из разбавленных растворов, а также для получения концентрированных растворов. Но главное, экстракцию следует рассматривать, наряду с ректификацией, как один из основных способов разделения жидких однородных смесей.

 

РЕКТИФИКАЦИЯ

ЭКСТРАКЦИЯ

L + M (разбавленный раствор) G + M (концентрированный раствор) GLM

Рис. 4.41. Принципиальная схема сочетания процессов экстракции и ректификации.

(G – экстрагент; M – распределяемое вещество; G + M – экстракт; L – рафинат)

В большинстве случаев экстракция используется в сочетании сректификацией. Пусть в растворителе L растворено распределяемое вещество М, и концентрация раствора (исходной смеси) незначительна. Можно подобрать второй растворитель G (экстрагент), которым можно экстрагировать распределяемое вещество М из исходного раствора и получить концентрированный раствор распределяемого вещества в растворителе G + М (экстракт) и очищенный от распределяемого вещества растворитель L (рафинат). Поскольку расход тепла на ректификацию резко уменьшается с ростом концентрации исходного вещества в разделяемой смеси, предварительное экстрагирование позволяет значительно сократить затраты тепла на разделение исходной смеси. Принципиальная схема сочетания процессов экстракции и ректификации показана на рис. 4.41.

Для регенерации экстрагента вместо ректификации иногда используют простую перегонку с водяным паром, выпаривание, вторичную экстракцию (реэкстракцию), реже – кристаллизацию и химическую очистку.

Влияние температуры. В большинстве случаев взаимная растворимость компонентов с увеличением температуры повышается и область существования гетерогенных двухфазных систем уменьшается.

Влияние давления. Изменение растворимости малорастворимых жидкостей, вызванное изменением внешнего давления, невелико и в большинстве случаев им можно пренебречь.

Принципиальные схемы экстракции. В химических производствах используются преимущественно следующие схемы экстракции: однократная экстракция, многократная экстракция с перекрестным током растворителя, многократная экстракция с противотоком растворителя, непрерывная противоточная экстракция, ступенчатая противоточная экстракция.

Рис. 4.42. Схема однократной экстракция, проводимой периодическим (а) или непрерывным (б) способом.

Однократная экстракция. Однократная экстракция может быть проведена периодическим или непрерывным способом. Схема однократной периодической экстракции показана на рис. 14.42, а. В аппарат загружается исходный раствор F, содержащий распределяемое вещество концентрацией х_F и к нему прибавляется порция растворителя G концентрацией Y_G. Обе жидкости перемешивают до установления равновесия. По окончании перемешивания жидкости расслаиваются в том же аппарате. После отстаивания сливают сначала нижний слой рафината R концентрацией Х_R, а затем — верхний слой экстракта Е концентрацией Y_е

Для расслаивания фаз часто используют особые отстойники (рис. 4.42, б). В этих случаях процесс однократной экстракции проводят непрерывным способом, так как при непрерывном вводе исходного раствора F и свежего растворителя G из отстойника также непрерывно выводят полученные экстракт Е и рафинат R. Количества F, G, Е и R относят к единице времени.

Эффективность экстракции может быть значительно повышена, если ее проводить многократно, используя каждый раз свежую порцию растворителя для обработки одной и той же порции исходного раствора. Такой способ проведения процесса получил название многократной экстракции с перекрестным током растворителя.

Многократная экстракция с перекрестным током растворителя. Из первой ступени однократной экстракции исходного раствора F растворителем G полученный рафинат состава R₁ вводится во вторую ступень, где обрабатывается свежей порцией растворителя G. Тройная смесь состава N₂ расслаивается на рафинат R₂ и экстракт Е₂. Процесс обработки ведут до тех пор, пока не получат рафинат заданного состава.

Полученные в каждой ступени порции экстракта E₁, Е₂ ,... и т. д. содержат все меньшее количество распределяемого вещества.

Общий расход растворителя равен сумме всех порций G во всех ступенях экстракции.

Процесс многократной экстракции можно провести периодическим способом в одном аппарате с мешалкой (см. рис. 4.42, а). Для этого одну и ту же порцию исходного раствора обрабатывают несколькими порциями растворителя, каждый раз смешивая, расслаивая и выводя порцию экстракта из одного и того же аппарата. Процесс ведут до тех пор, пока рафинат не будет иметь заданную концентрацию.

Недостатками способа являются большой расход свежего растворителя и его недостаточное насыщение в ступенях экстракции. Эти недостатки могут быть устранены, если использовать противоточное движение рафината и экстракта при многократной экстракции.

Многократная экстракция с противотоком растворителя. Исходный раствор перетекает самотеком со ступени на ступень, отдавая распределяемое вещество растворителю G. В каждой ступени осуществляется однократная экстракция очищенного рафината более свежим противоточно движущимся растворителем. В последней ступени рафинат контактирует со свежим растворителем G.

Противоток растворителя от последней ступени к первой (по току рафината) осуществляется насосами. На первой ступени насыщенный распределяемым веществом растворитель контактирует с концентрированным раствором F и выходит в виде экстракта Е предельно насыщенного распределенным веществом.