Ректификация теория

достаточно. Происходит частичная (парциальная) конденсация. В результате из дефлегматора выходит парожидкостная смесь, которая поступает в аппарат, предназначенный для отделения образовавшейся жидкой фазы от пара. Эта жидкая фаза называется флегмой. Она возвращается в перегонный куб. Самое главное, что в составе нового пара концентрация низкокипящего компонента стала существенно больше, чем при простой перегонке (см. рис. 5).

Поставленная цель – получения более концентрированного дистиллята – достигнута. Однако улучшение качества дистиллята потребует дополнительных затрат. Поток флегмы циркулирует по замкнутому контуру: перегонный куб → дефлегматор → перегонный куб. Для перевода флегмы в пар требуется подвод тепловой энергии, а для конденсации пара в дефлегматоре потребуется отвод теплоты, т.е. дополнительный расход хладоагента. Таким образом, улучшение качества дистиллята потребовало, помимо усложнения конструкции установки, дополнительных затрат на подвод и отвод теплоты. Это энергетические или эксплуатационные затраты.

В теории процесса вводится очень важное понятие – флегмо-

вое число R.

От значения флегмового числа зависит как качество получаемого продукта, так и энергетические затраты на его получение. Можно строго доказать, что чем больше флегмовое число, т.е. чем больше возвращается в аппарат флегмы на единицу отбираемого дистиллята, тем чище будет получаться товарный продукт. Но энергетические затраты при этом будут также возрастать.

И простая перегона (рис. 1), и перегонка с дефлегмацией (рис. 4) не позволяют получить чистые НКК и ВКК. Полученные

11

дистиллят и остаток надо снова и снова подвергать перегонке. Это потребует затрат времени и энергии, увеличит потери целевого продукта. Поэтому в промышленности для разделения жидких смесей на чистые компоненты применяется процесс ректификации.

Ректификация

За прошедшие столетия довольно простой с современной точки зрения процесс перегонки превратился в сложный процесс – ректификацию.

Ректификация — это тепло-массообменный процесс, применяемый для разделения жидких смесей, компоненты которых различаются по температурам кипения. Процесс осуществляется при контактировании потоков пара и жидкости, имеющих разные составы и температуры: пар содержит больше высококипящих компонентов и имеет более высокую температуру, чем вступающая с ним в контакт жидкость.

Организация потоков пара и жидкости, а также их взаимодействие реализуются в специальных массообменных аппаратах — ректификационных колоннах (рис. 6). Поток пара создаѐтся за счѐт подвода теплоты в выносной кипятильник ректификационной установки и испарения в нѐм части нижнего продукта. Поток жидкости (флегмы или орошения) организуется за счет конденсации уходящего с верха колонны пара в конденсаторе. Взаимодействие потоков осуществляется на специальных контактных устройствах, размещѐнных по высоте ректификационной колонны. В качестве контактных устройств могут использоваться или так называемые тарелки (ступенчатый контакт), или фигурный кусковой материал – насад-

ка.

Ректификационная колонна – это противоточный колонный аппарат, в котором по всей его высоте реализуется процесс тепломассообмена между стекающей вниз флегмой (жидкостью) и поднимающимся вверх паром, причѐм температура пара на 0.5-2º выше температуры жидкости. Процесс тепломассообмена заключается в непрерывном обмене теплотой и компонентами между жидкой и паровой фазами. Стекающая вниз жидкая фаза обогащается высо-

12

кокипящим компонентом, а поднимающийся пар – низкокипящим, т.е из пара в жидкость уходит ВКК, а из жидкости в пар переходит НКК. В результате пар, дойдя до верха, превращается в практически чистый НКК, а жидкость, дойдя до низа, в почти чистый ВКК. Движущей силой этого обмена на границе двух фаз является стремление жидкой и паровой фазы к их равновесному состоянию5.

Схема взаимодействия потоков до достижения «одноразового» равновесного состояния известна как «теоретическая тарелка» (историческое название, связанное с конструкцией контактного устройства в виде тарелки), однако точнее суть процесса определя-

ется терминами «теоретическая ступень контакта» или «единица переноса».

Процесс ректификации представляет собой многократно повторяющиеся по высоте колонны циклы испарения жидкости и конденсации ее паров (достижение равновесных состояний) в соответствующих «единицах переноса».

Для проведения заданного процесса разделения исходной смеси ректификацией можно рассчитать теоретическое значение числа ступеней контакта, в каждой из которых достигается равновесное состояние фаз. В реальных условиях между покидающими тарелку паром и жидкостью равновесие не достигается. Поэтому для проведения заданного процесса ректификации потребуется большее число ступеней контакта, чем теоретическое.

Мерой совершенства контактного устройства (тарелки) является степень отличия реального состояний пара и жидкости после их взаимодействия в контактном устройстве от предельно возможного (теоретически достижимого) равновесного состояния. Эта степень отличия от теоретически предела характеризуется коэффициентом полезного действия (КПД) контактного устройства η и в значительной степени определяет совершенство самой ректификационной колонны.

5 Равновесным состоянием фаз называется такое их сосуществование, при котором не происходит никаких видимых качественных или количественных изменений этих фаз.

13

Средний КПД контактного устройства определяется как отношение числа теоретических ступеней к фактическому числу ступеней в колонне.

Коэффициент полезного действия ступени контакта зависит от большого числа факторов – скоростей потоков контактирующих фаз, физических свойств системы и т. д., однако, при прочих равных условиях, определяющую роль играют скорости потоков относительно границы их раздела фаз и площадь этой границы. Чем ближе эти скорости к турбулентному течению и чем больше поверхность контакта, тем интенсивнее проходит процесс тепломассообмена и жидкость и пар приближаются к равновесному состоянию.

Для разделения бинарных смесей обычно используется одна колонна, для разделения многокомпонентных и непрерывных смесей (нефть, широкие бензиновые фракции) требуется система колонн, каждая из которых разделяет поступающую в неѐ смесь на соответствующие компоненты (фракции). Число контактных устройств в каждой из таких колонн может достигать нескольких десятков.

Основными рабочими параметрами процесса ректификации являются давление и температура в системе, соотношение потоков жидкости и пара (флегмовое число), число контактных ступеней.

На рис. 6 показана принципиальная схема промышленной ректификационной установки. Основными элементами установки являются колонна 2, конденсатор6 3 и кипятильник 4.

Продуктами процесса ректификации являются дистиллят (верхний продукт) и кубовый остаток (нижний продукт). Если разделяется двухкомпонентная (бинарная) смесь, то дистиллят представляет собой практически чистый НКК, а кубовый остаток - практически чистый ВКК. В лабораторной работе разделяется смесь этилового спирта и воды. В качестве дистиллята при этом будет отбираться концентрированный спирт.

6 На производстве конденсатор часто называют дефлегматором, что не совсем верно.

14

С верха колонны уходит пар G, который поступает в конденсатор, переходит в жидкую фазу и делится на два потока: отводящийся с установки дистиллят D, который является товарным продуктом, и флегму Ф, которая возвращается обратно в колонну и создаѐт в ней поток жидкого орошения

Чтобы создать поток стекающей по колонне флегмы, необходимо сначала создать поток пара, т.е. испарить жидкость в кипятильнике. На это затрачивается тепловая энергия. Затем пар надо сконденсировать и превратить во флегму. Для этого подведѐнную теплоту надо отвести в конденсаторе (дефлегматоре). Таким образом, циркулирующая по установке флегма является энергетической платой за разделение жидкостей на чистые компоненты. Поэтому вполне понятно желание уменьшить эту плату, уменьшить расход возвращаемой в колонну флегмы. На с.7 было сказано, что для количественной оценки соотношения потоков возвращаемой флегмы и получаемого дистиллята вводится понятие флегмового числа R, которое равно отношению расходов флегмы и дистиллята (см. формулу (3)).

В теории процесса ректификации строго доказывается, что нижним пределом флегмового числа R (а значит и потока флегмы) является минимальное флегмовое число Rmin, которое находится из соотношения

где xD – состав дистиллята, yF – состав пара, равновесный с составом питания (см. рис. 6), xF – состав питания.

15

2

Тарелка питания

Рис. 6. Принципиальная схема ректификационной установки. 1 – подогреватель сырья; 2 – ректификационная колонна; 3 – конденсатор; 4 – кипятильник.

Можно строго доказать, что при минимальном флегмовом числе высота ректификационной колонны получается бесконечно большой. Т.е. минимальное флегмовое число – это в некотором смысле абстрактная величина. Поэтому на практике принимают рабочее флегмовое число несколько больше минимального. Выбор этой величины определяется технико-экономическими расчѐтами. Для характеристики превышения рабочего флегмового числа над минимальным вводится коэффициент избытка флегмы

16

Если на работающей колонне уменьшить подачу флегмы, то это вызовет уменьшение концентрации низкокипящего компонента в дистилляте xD (ухудшение состава дистиллята). И наоборот, увеличение флегмового числа приведѐт к получению более чистого верхнего продукта. Контроль состава дистиллята можно вести по изменению температуры верха колонны: если температура увеличивается, то в дистилляте содержание низкокипящего компонента падает, а если температура снижается, то его концентрация увеличивается. Именно такой способ контроля используется в данной лабораторной работе.

Жидкая флегма может возвращаться в колонну или при температуре верха (горячее орошение), или специально охлаждѐнная значительно ниже температуры верха (холодное орошение). Во втором случае на верхней тарелке происходит образование дополнительного потока флегмы за счѐт конденсации части поднимающегося по колонне пара.

Уравнение рабочей линии. Число теоретических тарелок. Коэффициент полезного действия реальной тарелки

И поднимающийся по колонне пар, и стекающая флегма изменяют свой состав: пар обогащается низкокипящим компонентом, а жидкость - высококипящим. Но при этом между составами поднимающегося пара y и стекающей жидкости x существует функциональная связь, которая описывается уравнениями рабочих линий.

Рабочая линия является геометрическим местом точек составов фаз, встречающихся в любом сечении колонны.

Точка ввода сырья (рис. 6) делит колонну на две части – верхнюю и нижнюю. Эти части отличаются материальными потоками: к потоку флегмы, стекающей из верхней части в

17

нижнюю, присоединяется поток питания. Поэтому уравнений рабочих линий будет два: для верхней и нижней частей колонны. В дальнейших расчѐтах будет использоваться уравнение рабочей линии верхней части, которое имеет вид

где у и х – мольные доли компонента в паровой и жидкой фазах, встречающихся на любой тарелке колонны; R - флегмовое число; хD – состав дистиллята.

Уравнение (6) является уравнением прямой вида у Ах В ;

А – угловой коэффициент, равный тангенсу угла наклона α рабочей линии к оси абсцисс

а 0В – отрезок, отсекаемый этой линией на оси ординат (рис. 7)

Если проанализировать выражение (6), то нетрудно прийти к выводу, что:

угловой коэффициент А и, следовательно, тангенс угла наклона рабочей линии всегда меньше единицы, но больше нуля: 0 < А < 1. Это означает, что угол наклона рабочей линии α всегда меньше 45º, но больше 0º. Напомним, что угол наклона диагонали квадрата (рис. 7) равен 45º, а тангенс 45º равен 1;

рабочая линия верхней части колонны пересекает диагональ квадрата в точке а, абсцисса которой равна составу дистиллята хD .

18

отрезок 0В, отсекаемый на рабочей линией верхней части колонны на оси ординат, всегда больше нуля, но меньше единицы: 0 <В < 1.

Также можно доказать, что рабочие линии верхней и нижней частей колонны7 пересекаются в точке b, абсцисса которой равна составу разделяемой смеси xF.

7 С целью упрощения рисунка 7 рабочая линия нижней части колонны не показана.

19

Эти сведения используются при построении графика рабочих линий.

Ранее были введены понятия теоретической тарелки (теоретической ступени контакта фаз) и коэффициента полезного действия реальной тарелки. Для определения числа теоретических тарелок nт необходимо между рабочей и равновесной линиями вписать ступени изменения концентраций, как это показано на рис. 7. Первая ступень начинается из точки а. Число вписанных ступеней будет равно необходимому числу теоретических тарелок.

Реальные тарелки имеют эффективность разделения ниже теоретических. Как уже отмечалось, для характеристики разделяющей способности действительных тарелок вводится понятие к.п.д. тарелки η, которое можно найти из соотношения

где nд – число действительных (фактических) тарелок в

колонне.

В конденсаторе 3 (рис. 6) происходит передача теплоты от конденсирующегося пара к воде. Тепловую нагрузку конденсатора Qконд можно найти по расходу воды Gвод и разности еѐ температур

20