Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии.

РЕКТИФИКАЦИЯ.

Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии.

 

Различают три метода простой дистилляции: 1) однократный, 2) многократный и 3) постепенный. Метод о д н о к р а т н о й простой дистилляции, протекающий обычно в непрерывном режиме, осуществляется на установке (рис. 11-1), состоящей из нагревательной камеры, сепарационного сосуда и конденсатора. Потоку исходной смеси сообщается в нагревательной камере (обогрев паром или горячими газами) определенное количество тепла, за счет которого часть этой смеси испаряется. Образовавшаяся парожидкостная смесь поступает через конденсатор в сборник дистиллята, а неиспарившаяся жидкость – в сборник кубового остатка.

Метод м н о г о к р а т н о й простой дистилляции представляет собой сочетание двух или большего числа последовательных актов однократной дистилляции.

Метод п о с т е п е н н о й простой дистилляции состоит в непрерывном испарении жидкой смеси и удалении паров в момент их образования. Процесс можно осуществлять как в периодическом, так и в непрерывном режимах с применением тех же аппаратов, что и для выпаривания растворов твердых веществ (рис.11-1, б). В данном случае эти аппараты называются д и с т и л л я ц и о н н ы м и к у б а м и. При периодическом режиме можно получить несколько дистиллятов с различными концентрациями низкокипящих компонентов. Дистилляционные кубы непрерывного действия работают с непрерывным питанием исходной жидкой смесью и непрерывным отводом образующихся парови кубового остатка; при этом получается лишь дистиллят одного среднего состава.

 

а б

Рис. 11-1. Схемы аппаратов для простой дистилляции жидких смесей:

 

а – аппарат для непрерывной однократной дистилляции: 1- нагревательная камера; 2 – сепарационный сосуд; 3 – конденсатор; 4 – выход дистиллята; 5 – выход кубового остатка; б – аппараты для постепенной дистилляции: 1 – с нагревательными змеевиками и рубашкой; 2 – с горизонтальной нагревательной трубчатой камерой; 3 – с горизонтальной U-образной нагревательной камерой; 4 – с внутренней вертикальной трубчатой камерой и центральной циркуляционной трубой; 5, 6 – соответственно с вертикальной и горизонтальной выносными трубчатыми нагревательными камерами.

 

Молекулярная дистилляция

 

При молекулярной дистилляции дистиллируемая жид­кая смесь стекает тонкой пленкой по наружной поверхности обогреваемого ци­линдра, параллельно которому располагается охлаждаемая (конденсирующая) поверхность (рис. 11-4). Расстояние между этими поверхностями меньше длины свободного пробега молекул (обычно 20—30 мм), поэтому они движутся с мини­мальным числом столкновений в одном направлении — от поверхности испаряю­щейся жидкости к охлаждаемой (конденсирующей) поверхности. Образующийся на последней конденсат отводится в качестве дистиллята, а неиспарившаяся часть жидкости стекает с нагреваемой поверхности, представляя собой кубовый остаток. Для полной конденсации паров на охлаждаемой поверхности поддер­живается значительно более низкая температура (на 40 °С и ниже), чем на по­верхности испарения.

 

 

Рис. 11-4. Схема аппарата для молекулярной дистилляции:

1 – поверхность испарения (внутри циркулирует теплоноситель или размещен электронагреватель); 2 – поверхность охлаждения; 3 – охлаждающая рубашка; 4 – вход исходной смеси; 5, 6 – вход и выход хладоагента; 7 – выход кубового остатка; 8 – выход дистиллята; 9 – штуцер к вакуум-насосу.

 

Ректификация бинарных смесей

Непрерывная ректификация смесей компонентов с неограниченной взаимной растворимостью

 

В ряде случаев возникает необходимость возможно более полного извлечения низкокипящего компонента смеси при любой его концентрации в дистилляте. Для осуществления такого процесса достаточно одной исчерпывающей колонны (рис. 11-11).

 

 

Рис. 11-11. Исчерпывающая ректификационная колонна.

Экстрактивная ректификация

 

Ректификация жидких смесей с использованием разделяющего агента, получившая название э к с т р а к т и в н о й ректификации, осуществляется по схеме, приведенной на рис. 11-12, а. Установка состоит из двух обычных ректификационных колонн, в первую из которых на одну из верхних тарелок укрепляющей части вводится поток разделяющего агента. Последний растворяется в стекающем потоке флегмы, повышает относительную летучесть и, следовательно, интенсивность отгонки низкокипящего компонента, увлекая вниз, как бы э к с т р а г и р у я из паровой фазы высококипящий компонент. Кубовая жидкость первой колонны, представляющая собою смесь разделяющего агента и высококипящего компонента исходной смеси, р е к т и ф и ц и р у е т с я во второй колонне, откуда дистиллят (высококипящий компонент исходной смеси) отводится по назначению, а кубовый остаток (регенерированный разделяющий агент) возвращается на повторное использование в первую колонну.

Для определения требуемого числа теоретических тарелок удобно пользоваться, как и в предыдущих случаях, диаграммой фазового равновесия х-у, построенной в относительных концентрациях компонентов разделяемой смеси, т.е. без учета присутствия разделяющего агента в жидкой фазе (его концентрация в паровой фазе практически равна нулю). Тогда сохраняются приведенные выше уравнения и способы построения рабочих линий укрепляющей и исчерпывающей колонн. Необходимо только учесть, что в исчерпывающей колонне благодаря вводу исходной смеси концентрация разделяющего агента ниже, чем в укрепляющей колонне. Так как относительная летучесть компонентов разделяемой смеси падает с уменьшением концентрации разделяющего агента в жидкой фазе, то участок кривой равновесия в зоне исчерпывающей колонны скачкообразно приблизится к диагонали (рис. 11-12, б).

 

 

а б

 

Рис. 11-12. Экстрактивная ректификация:

а – схема установки: 1, 2 – ректификационные колонны; 3 – вход исходной смеси; 4 – вход разделяющего агента; 5 – насос для подачи регенерированного разделяющего агента; б – к расчету числа теоретических тарелок.

 

Азеотропная ректификация

Тарельчатые колонны

Зависимость КПД барботажных тарелок от средней скорости пара характеризуется кривой, показанной на рис. 11-22, а. При прочих равных условиях величина КПД резко падает с уменьшением скорости пара ниже некоторого минимального значения (вследствие плохого контакта жидкости и пара) и при увеличении скорости пара выше некоторой предельной величины (из-зи уноса паровым потоком брызг и капель жидкости с нижележащих тарелок на вышележащие).

А к т и в н о й называется площадь тарелки за вычетом площадей, занятых переточным устройством (сегмента на рис. 11-22, б) и колпачками.

Опытами установлено, что на величину КПД при допустимой скорости пара Wп оказывает определенное влияние расстояние между тарелками H (рис. 11-22, в). С ростом последнего уменьшается возможность уноса капель и брызг жидкости с нижележащих на вышележащие тарелки, поэтому допустима более высокая скорость пара Wп без заметного падения величины КПД. При прочих равных условиях допустимая скорость пара Wп снижается с увеличением диаметра колпачка Dо и плотности пара (ρп), а также с уменьшением флегмового числа R и плотности жидкости ρж.

 

 

 

Рис. 11-22. К определению основных размеров колонн с колпачковыми тарелками:

а – зависимость КПД тарелки от скорости пара в незаполненном сечении колонны; б – активная поверхность тарелки; в – скорости пара Wп, Wа и Wт.

 

РЕКТИФИКАЦИЯ.

Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии.

 

Различают три метода простой дистилляции: 1) однократный, 2) многократный и 3) постепенный. Метод о д н о к р а т н о й простой дистилляции, протекающий обычно в непрерывном режиме, осуществляется на установке (рис. 11-1), состоящей из нагревательной камеры, сепарационного сосуда и конденсатора. Потоку исходной смеси сообщается в нагревательной камере (обогрев паром или горячими газами) определенное количество тепла, за счет которого часть этой смеси испаряется. Образовавшаяся парожидкостная смесь поступает через конденсатор в сборник дистиллята, а неиспарившаяся жидкость – в сборник кубового остатка.

Метод м н о г о к р а т н о й простой дистилляции представляет собой сочетание двух или большего числа последовательных актов однократной дистилляции.

Метод п о с т е п е н н о й простой дистилляции состоит в непрерывном испарении жидкой смеси и удалении паров в момент их образования. Процесс можно осуществлять как в периодическом, так и в непрерывном режимах с применением тех же аппаратов, что и для выпаривания растворов твердых веществ (рис.11-1, б). В данном случае эти аппараты называются д и с т и л л я ц и о н н ы м и к у б а м и. При периодическом режиме можно получить несколько дистиллятов с различными концентрациями низкокипящих компонентов. Дистилляционные кубы непрерывного действия работают с непрерывным питанием исходной жидкой смесью и непрерывным отводом образующихся парови кубового остатка; при этом получается лишь дистиллят одного среднего состава.

 

а б

Рис. 11-1. Схемы аппаратов для простой дистилляции жидких смесей:

 

а – аппарат для непрерывной однократной дистилляции: 1- нагревательная камера; 2 – сепарационный сосуд; 3 – конденсатор; 4 – выход дистиллята; 5 – выход кубового остатка; б – аппараты для постепенной дистилляции: 1 – с нагревательными змеевиками и рубашкой; 2 – с горизонтальной нагревательной трубчатой камерой; 3 – с горизонтальной U-образной нагревательной камерой; 4 – с внутренней вертикальной трубчатой камерой и центральной циркуляционной трубой; 5, 6 – соответственно с вертикальной и горизонтальной выносными трубчатыми нагревательными камерами.

 

Молекулярная дистилляция

 

При молекулярной дистилляции дистиллируемая жид­кая смесь стекает тонкой пленкой по наружной поверхности обогреваемого ци­линдра, параллельно которому располагается охлаждаемая (конденсирующая) поверхность (рис. 11-4). Расстояние между этими поверхностями меньше длины свободного пробега молекул (обычно 20—30 мм), поэтому они движутся с мини­мальным числом столкновений в одном направлении — от поверхности испаряю­щейся жидкости к охлаждаемой (конденсирующей) поверхности. Образующийся на последней конденсат отводится в качестве дистиллята, а неиспарившаяся часть жидкости стекает с нагреваемой поверхности, представляя собой кубовый остаток. Для полной конденсации паров на охлаждаемой поверхности поддер­живается значительно более низкая температура (на 40 °С и ниже), чем на по­верхности испарения.

 

 

Рис. 11-4. Схема аппарата для молекулярной дистилляции:

1 – поверхность испарения (внутри циркулирует теплоноситель или размещен электронагреватель); 2 – поверхность охлаждения; 3 – охлаждающая рубашка; 4 – вход исходной смеси; 5, 6 – вход и выход хладоагента; 7 – выход кубового остатка; 8 – выход дистиллята; 9 – штуцер к вакуум-насосу.