Сущность и принципы ректификации

Гораздо проще и со значительно меньшими расходами тепла и холода бинарная жидкая смесь может быть полностью разделена на практически чистые низкокипящий (А) и вышекипящий (В) компоненты по схеме, представленной на рис. 11-5, а. Представим себе ряд террасно расположенных и теплоизолированньтх дистилляционных кубов, из которых самый нижний, снабженный поверхностью нагрева, наполнен исходной бинарной жидкой смесью. При частичном испарении последней образуюищиеся пары равновесного состава поднимутся в конденсатор, откуда конденсат будет стекать в верхний дистилляционный куб. Следующая порция паров до попадания в конденсатор будет уже контактировать с первым конденсатом и, придя в равновесие с ним, обогатится низкокипящим компонентом, образовав, следовательно, второй конденсат, который богаче первого по концентрации низкокипящего компонента. При этом первый конденсат вытеснится во второй (считая сверху) дистилляционный куб, уступив свое место более богатому

второму конденсату. Продолжая процесс, мы заполним дистилляционные кубы до определенного уровня бинарными жидкими смесями (фракциями) с концентрациями изкокипящего компонента, уменьшающимися от верхнего куба к нижнему. Совершенно очевидно, что в результате перемещения нзкокипящего компонента снизу вверх его концентрация в жидкости нижнего куба будет непрерывно понижаться. При достаточно большом числе дистилляционных кубов может быть достигнуто предельное состояние системы, когда в верхнем кубе сосредоточится практически чистый низкокипящий компонент, а в нижнем — высококипящий.

Начиная с этого момента часть дистиллята после конденсатора можно отводить в качестве целевого продукта, обязательно возвращая остальную часть в верхний куб для поддержания в нем концентрации низкокипящего компонента, обеспечивающей требуемый равновесный состав уходящих паров (дистиллята). Очевидно, для сохранения стабильного режима в систему необходимо непрерывно вводить поток исходной бинарной смеси, отводя из нижнего куба вышекипящий компонент (кубовый остаток). Исходную смесь, естественно, вводят в тот промежуточный дистилляцвонный куб, где содержится жидкая смесь того же состава.

Температура кипения бинарной жидкой смеси взаимно растворимых компонентов, как известно, падает с ростом концентрации низкокипящего компонента (рис. 11-5, б). Следовательно, пары, образовавшиеся в любом дистилляционном кубе, контактируя с менее нагретой жидкостью соседнего вышерасположенного куба, конденсируются здесь, вызывая частичное испарение жидкости за счет выделившегося тепла конденсации. Благодаря такому совмещению процессов конденсации и испарения отпадает надобность в конденсаторах и испарителях при каждом кубе; вся система обслуживается одним конденсатором (после верхнего куба) и одним испарителем (в самом нижнем кубе).

В идеальном случае температуры жидкости и пара при их контакте в каждом кубе выравниваются, составы обеих фаз становятся равновесными, низкокипящий компонент (более летучий) диффундирует из жидкости в пар, а выщекипятций — из пара в жидкость. Такой однократный контакт жидкости и пара, завершающийся достижением фазового равновесия, называется, как уже отмечалось р а в н о в е с н о й ступенью, или т е о р е т и ч е с к о й т а р е л к о й. В нашем примере (рис. 11-5) число теоретических тарелок равно числу последовательно соединенных дистилляционных кубов. На рис. 11-5, 6 изображены в диа- грамме 1—х, у изотермы, соответствующие отдельным теоретическим тарелкам. Рассмотренньюй процесс разделения жидкой смеси называется р е к т и ф и к а ц и е й.

 

а б

 

Рис. 11-5. Ректификация бинарной жидкой смеси:

 

а – схема процессов: 1-4 – дистилляционные кубы; 5 – поверхность нагрева; 6 – конденсатор; 7-10 – паровые потоки; 11-14 – перетоки жидкости; 15 – отвод дистиллята (целевого продукта); 16 – возврат части дистиллята в первый куб; 17 – отвод кубового остатка; 18 – приток исходной смеси; 19, 20 – вход и выход охлаждающей воды; б – диаграмма t-x, у процесса: 1-4 – теоретические тарелки.

 

На рис. 11-6 показана схема ректификационной установки, состоящей из колонны с выносным дистилляционным кубом (кипя­тильной камерой), конденсаторов и холодильников дистиллята и кубового остатка. Узел кон­денсации показан в двух воз­можных вариантах. По первому из них пары, уходящие из ко­лонны, полностью конденсиру­ются в одном конденсаторе 3, откуда часть конденсата воз­вращается в колонну для под­держания постоянного состава паров, а остальная часть охлаждается в холодильнике и отво­дится в качестве конечного продукта (дистиллята). По вто­рому варианту в конденсаторе 3конденсируется лишь та часть паров, конденсат которых возвращается в колонну. Пар, обра­зующий дистиллят, конденсируется в отдельном конденсаторе 4, откуда дистиллят отводится через холодильник (движение дистиллята показано пунктирными линиями). Совершенно оче­видно, что в результате частичной конденсации пара в конденса­торе 3остаточный пар поступает в конденсатор 4с несколько более высокой концентрацией низкокипящего компонента. В этом некоторое преимущество второго варианта, сопряженного, однако, с небольшим усложнением схемы и обслуживания установки.

 

 

Рис. 11-6. Схема ректификационной установки:

 

1 – ректификационная колонна; 2 – выносной дистилляционный куб; 3, 4 – конденсаторы; 5- холодильник дистиллята; 6 – холодильник кубового остатка; 7, 8 – вход греющего пара и выход конденсата; 9 – вход исходной смеси; 10 – пар из колонны; 11- возврат дистиллята в колонну; 12, 13 – вход и выход дистиллята из холодильника; 14, 15 – вход и выход охлаждающей воды; 12 – выход обогащенного дистиллята; 16 – поток пара; 17 – поток флегмы.