Простая ректификация

Многократно чередуя процессы частичного испарения и неполной конденсации, можно получить достаточно чистый дистиллят (практически чистый НК) и кубовый остаток, т.е. разделить смесь на компоненты. В этом и заключается, сущность процесса простой ректификации.

Процесс ректификации осуществляют в ректификационной колонне, в которой происходит многократное противоточное взаимодействие пара и кипящей жидкости, в результате чего исходная смесь разделяется на со­ставляющие компоненты. Принципиальная схема процесса разделения смеси в ректификационной колонне показана на рис. 6.26.

Простая ректификационная колонна состоит из укрепляющей части (I) и отгонной (исчерпывающей) части (II). Среднюю часть колонны, куда поступает исходная кипящая смесь, называют эвапорационным объемом (///), а нижнюю часть колонны с кипятильником - кубовой частью (IV).

При проведении расчетов процессов ректификации приняты сле­дующие допущения:

- количество пара, движущегося по колонне снизу вверх, одинаково в любом сечении аппарата;

- состав пара, уходящего из ректификационной колонны, равен соста­ву дистиллята, т.е. у_п = x_р;

- состав пара, образующегося в кубовой части, равен составу остатка, т.е. y₀=x₀

- количество стекающей жидкости по высоте каждой части колонны (I и II) не из­меняется, а меняется лишь ее состав;

- исходная смесь подается в колонну подогретой до температуры кипения.

Введем обозначения:

V - расход паровой фа­зы, кмоль/с;

L - расход жидкой фа­зы, кмоль/с.

Индексы означают: и.с - исходная смесь, п - пар, о - остаток, ф - флегма, р - рек­тификат (дистиллят).

Уравнение материаль­ного баланса процесса рек­тификации для всего коли­чества смеси имеет вид:

, (6.44)

а для низкокипящего компонента (НК)

, (6.45)

Решая совместно уравнения (6.44) и (6.45), можно найти количество и составы веществ, участвующих в процессе ректификации (обычно опреде­ляют G_p и G_o, задаваясь величинами G_и.с., x_и.с., x_р, x₀). Если количество об­ращающихся в процессе веществ выражено не в кмоль/с, а в кг/с, то соста­вы потоков должны выражаться в весовых долях, а не в молярных.

Для определения материальных потоков фаз в любой части ректифи­кационной колонны рассмотрим произвольные сечения а-а и б-б. В этих сечениях состав пара обозначим y, а жидкости - x; индекс «1» соответству­ет содержанию НК в паре и жидкости ниже сечений, а индекс «2» - выше сечений.

Тогда уравнения материального баланса по НК для частей колонны, расположенных выше рассматриваемых сечений, имеют вид:

или . (6.46)

Аналогично составим уравнения материального баланса по НК для частей колонны, расположенных ниже сечений:

или . (6.47)

Уравнения (6.46) и (6.47) называются уравнениями рабочих линий процесса ректификации. Они характеризуют изменение рабочей концен­трации НК в паровой фазе в зависимости от состава жидкой фазы.

Составим уравнение материального баланса для дефлегматора:

. (6.48)

Разделим обе части уравнения (6.48) на G_p и получим:

(6.49)

Отношение количества возвращаемого в колонну продукта (флегмы) к количеству отбираемого дистиллята называется флегмовым числом R = G_ф/G_p.

Тогда V = G_p(R+1), т.е. для отбора одного кмоля дистиллята необхо­димо испарить в кубовой части (R+1) кмолей остатка.

В укрепляющей части колонны количество стекающей жидкости (флегмы)

.(6.50)

Согласно допущению х_ф = х_р = у_п, а в соответствии с принятыми обо­значениями y_п =y₂=x₂

Подставляя значения L₁ V, у₂ и х₂ в уравнение 6.46 и учитывая, что y₂ =x₂ получим:

или . (6.51)

Уравнение (6.51), являющееся рабочей линией верхней (укрепляющей) части колонны, представлено графически в у-х координатах на рис. 6.27.

При х = x_p и у = y_p рабочая линия укрепляющей части колонны про­ходит через точку с, лежащую на диагонали. Тангенс угла наклона рабочей линии tga = R/(R+l) а отрезок b, отсекаемый на оси ординат, равен x_p/(R+1).

Количество жидкости, стекающей в нижней части колонны

. (6.52)

Разделив обе части данного уравнения на G_Р и обозначив G_и.с./G_p = F (здесь F- число питания), получим:

. (6.53)

Согласно допущению y₀ =x₀. Тогда в соответствии с принятыми обо­значениями у₀-у₁. Подставим значения L_п,V,y₁,x₁ в уравнение (6.47):

или . (6.53)

Уравнение (6.54) является рабочей линией нижней (исчерпывающей) части колонны. При х = х₀ и у = х₀ рабочая линия исчерпывающей части проходит через точку а, лежащую на диагонали (см. рис. 6.27). Рабочая линия исчерпывающей части колонны пересекает рабочую линию укреп­ляющей части в точке d, абсцисса которой равна составу исходной смеси x_и.с. (приравняв уравнения 6.51 и 6.54 и умножив обе части на (R+1), полу­чим x_p=Fx-(F-l)x₀; подставив сюда F=G_и.с./G_P получим х = х_и.с.).

Из уравнений (6.51) и (6.54) видно, что при изменении флегмового числа изменяется положение рабочих линий. При отсутствии отбора дис­тиллята (при пуске в работу колонна работает «на себя») рабочие линии совпадают с диагональю, так как при бесконечно большом флегмовом числе отре­зок b обращается в нуль.

Флегмовое число может уменьшаться, но до опреде­ленного предела, когда у =у_р (при этом движущаяся сила процесса ∆у = 0 и для проведения процесса ректи­фикации потребуется ко­лонна бесконечно большой высоты).

Положение рабочих ли­ний ad'c соответствует ми­нимальному флегмовому числу R_min. Тангенс угла на­клона линии c d'

или , что было показано ранее.

Отсюда (6.55)

Здесь y_и.с.р. - состав пара, который находится в равновесии с жидко­стью состава x_и.с..

При графоаналитическом расчете процесса ректификации проводят прямую линию через точки с и d' до пересечения с осью ординат в точке е. Измеряют полученный отрезок Ое = b₀ и находят

При R = для разгонки смеси требуется ректификационная колонна минимальной высоты, но при этом нет отбора готового продукта - дистил­лята и имеет место большой расход тепла. Оптимальное значение флегмового числа, при котором общие затраты минимальны, определяют из тех­нико-экономических расчетов. Обычно принимают