Основы теории. Одним из наиболее распространенных способов разделения жид­ких одно-родных смесей

Одним из наиболее распространенных способов разделения жид­ких одно-родных смесей, состоящих из двух или большего числа ком­понентов, является перегонка (дистилляция и ректификация), осно­ванная на различии температур кипения отдельных компонентов сме­си. Перегонка представляет собой процесс, включающий частичное испарение разделяемой смеси и последующую конден-

сацию образую­щихся паров, осуществляемый однократно или многократно.

При перегонке бинарной смеси, т.е. состоящей из двух компо­нентов, по-лучаемый пар содержит относительно большее количество легколетучего или низкокипящего компонента (НК), чем исходная смесь. Следовательно, в про-цессе перегонки жидкая фаза обедняется, а паровая фаза обогащается НК. Не-испарившаяся жидкость имеет состав, более насыщенным труднолетучим или высококипящим компонентом (ВК). Неиспарившуюся жидкость называют ку-бовым остатком, а жидкость, получен­ную в результате конденсации паров – дистиллятом.

Степень разделения исходной смеси при прочих равных условиях зависит от вида перегонки. Существуют два принципиально отличных вида перегонки: простая перегонка (дистилляция) и ректи­фикация.

Дистилляция представляет собой процесс однократного частичного испа-рения жидкой смеси и конденсации об­разующихся паров. Обычно ее использу-ют для предварительного гру­бого разделения жидких смесей.

Ректификация представляет собой процесс многократного час­тичного ис-парения жидкости и конденсации паров. Процесс ректификации осуществляет­ся при противоточном движении неравновесных фаз (жидкости – сверху, пара – снизу), имеющих различную температуру. Взаимодействие жидкости и пара происходит путем их контакта обычно с использованием специальных контак-тных устройств (тарелок, насадок), расположенных по высоте колонных аппа-ратов. При каж­дом контакте из жидкости испаряется преимущественно НК, ко-торым обогащаются пары, а из паров конденсируется преимущественно ВК, пе-реходящий в жидкость. Такой двухсторонний обмен компонентами, повторяю-щийся многократно в одном аппарате, позволяет получить в конечном счете па-ры, представляющие собой почти чистый НК. Эти пары после кон­денсации в отдельном аппарате (дефлегматоре) дают жидкость, которая подвергается раз-делению на дистиллят – целевой продукт, направляемый в сборники дистилля-та, и флегму – жидкость, возвращаемую для орошения колонны и взаимодейст-вия с поднимающимися парами. Участвующие в процессе пары получают пу-тем частичного испарения жидкости, являющейся почти чистым ВК, в нижней части колонны.

Процесс ректификации обеспечивает более полное разделение смеси на практически чистые конечные продукты.

Сущность ректификации может быть более понятна, если рассмотреть происходящие процессы с помощью диаграммы t – x, y (рис. 4.1). Эта диаг-рамма устанавливает зависимость температур кипения и конденсации соответ-ственно от состава жидкости или пара при постоянном давлении (на диаграмме t_А и t_В – температуры кипения чистых компонентов: А – низкокипящего; В – высококипящего). Нижняя ветвь на диаграмме t – x, y отвечает температурам кипения жидкой смеси, верхняя – температурам конденсации паровой фазы. Нагрев исходную смесь состава x ₁ до температуры кипения t ₁ (точка а), полу-чим находящийся в равновесии с жидкостью пар (точка b). Отбор и конденса-ция этого пара дают жидкость состава x ₂ , обогащенную НК (x ₂ > x ₁). Нагрев

Рис. 4.1 Рис. 4.2

Рис. 4.1. Зависимость температур кипения и конденсации от состава

фaз при постоянном давлении (диаграмма t – x, y)

Рис. 4.2. Построение рабочих линий на у - х – диаграмме для ректифи-

кационной колонны непрерывного действия

эту жидкость до температуры кипения t _2., получим пар (точка d), конденсация которого дает жидкость с еще большим содержанием НК, имеющую состав x ₃ и т.д. Проводя таким образом последовательно ряд процессов испарения жидкос-ти и конденсации паров, можно получить в итоге жидкость (дистиллят), предс-тавляющую собой практически чистый НК. С помощью этой диаграммы можно определить по составу жидкой фазы x равновесный ей состав пара y и темпера-туру в системе t или, например, по известной температуре - содержание НК в кипящей жидкости и конденсируемом паре.

Процесс ректификации осуществляется в ректификационных колоннах, которые могут функциониро­вать в периодическом и непрерывном режимах.

Основное различие между ректификационными колоннами периодичес-кого и непрерывного действия заключается в способе подачи исходной смеси в аппарат, а также способе образования паров.

В колоннах периодического действия исходная смесь единовременно за-гружается в куб-кипятильник, расположенный в нижней части колонны, и дово-дится до кипения. В ходе процесса ректификации из кипящей жидкости образу-ется пар, содержащий в большем количестве (по сравнению с высококипящем компонентом) низкокипящий компонент, увеличивая тем самым содержание ВК в кубовой жидкости. По окончании процесса эта жидкость, называемая ку-бовым остатком, выводится из аппарата.

В колоннах непрерывного действия исходная смесь, предварительно наг-ретая до температуры кипения, подается в среднюю часть колонны на распреде-лительное устройство (питающую тарелку), которое делит колонну на две зоны.

Верхняя, или укрепляющая, часть обеспечивает наибольшее укрепление подни-мающихся паров, т.е. обогащение их низкокипящим компонентом. Нижняя, или исчерпывающая, часть обеспечивает наибольшее удаление из жидкости низко-кипящего компонента. Таким образом в нижней части колонны образуется жид-кость насыщенная высококипящим компонентом. Она отводится из колонны двумя потоками: первый направляется в куб-испаритель, откуда в виде пара воз-вращается в колонну, второй - после охлаждения поступает в сборник кубово-го остатка.

Уравнение материального баланса ректификационной колонны по вхо-дящим и выходящим потокам (расходам) имеет вид:

, (4.1)

где F - количество исходной смеси, поступающей в колонну; W - количество получаемого кубового остатка; Ф - количество флегмы, поступающей на оро-шение колонны; G - количество паров, удаляемых из колонны и образующих флегму и дистиллят, т.е.

,

где D - количество получаемого дистиллята.

Таким образом

. (4.2)

В уравнениях (4.1) и (4.2) расходы участвующих в процессе потоков па-

ра и жидкости выражены в киломолях.

Уравнение материального баланса по НК будет иметь вид:

, (4.3)

где х_F, x_D, x_W - состав исходной смеси, дистил­лята и кубового остатка соот-ветственно, выраженные в мольных долях НК.

Уравнение материального баланса по НК может быть записано с испо-

льзованием массовых расходов:

, (4.4)

где G_F, G_D, G_W - количество исходной смеси, дистиллята и кубовогоостат-ка, кг; ка, кг; а_F, а_D,, а_W - состав исходной смеси, дистил­лята и кубового остатка со ответственно, выраженные в массовых долях НК.

Мольные и массовые доли НК находятся в соотношении:

, , (4.5)

где М_А, М_В - мольная масса НК и ВК в смеси соответственно, кг/кмоль.

Изменение составов жидкой (х, мол. д.) и паровой (у, мол. д.) фаз по вы-соте колонны может быть изображено графически в системе координат у – х, на которую нанесены линия равновесия в системе жидкость-пар у^* = f (x) и диагональ у = х, проведенная на основе принятых допущений. Согласно этим допущениям при конденсации паров в дефлегматоре не происходит изменения

его состава, т.е. состав пара, выходящего из верхней части колонны равен сос-таву получаемого дистиллята и флегмы (у_D = х_D). А также не происходит изме-нения состава кубовой жидкости при ее испарении в испарителе, т.е. состав жидкости, поступающей в испаритель в нижней части колонны, равен составу возвращаемого в колонну пара (у_W = х_W).

Взаимосвязь между изменяющимися по высоте колонны рабочими кон-центрациями распределяемого компонента в жидкой (x) и паровой (y) фазах для произвольного сечения аппарата выражается в виде уравнений рабочих линий. Для колонн непрерывного действия уравнение рабочей линии записывает­ся для верхней (укрепляющей) и нижней (исчерпывающей) части, так как количество жидкости, стекающей по колонне в верхней и нижней частях колонны различны (для укрепляющей количество жидкости L = Ф, для исчерпывающей количест-во жидкости равно количеству флегмы и исходной смеси L = Ф+ F).

Уравнение рабочей линии для укрепляющей части колонны:

, (4.6)

где R = Ф/D - флегмовое число, представляющее собой отношение количества флегмы к количеству дистиллята.

Уравнение (4.6) на диаграмме y – x представляет собой уравне­ние прямой с тангенсом угла наклона , отсекающей на оси ординат отре-зок .

Уравнение рабочей линии для исчерпывающей части колонны:

, (4.7)

где f = F/D - количество питания F, приходящееся на 1 кмоль дистиллята D.

Зависимость (4.7) представляет собой уравнение прямой с танген­сом угла нак-лона , отсекающей на оси ординат отрезок .

Из равенства правых частей уравнений (4.6) и (4.7) следует, что содержа-ние НК в паровой фазе у принадлежит сечению аппарата на границе раздела между укрепляющей и исчерпывающей частей колонны, т.е. в зоне питания. В этом случае содержание НК в жидкой фазе х = х_F.

Для построения рабочих линий процесса непрерывной ректификации на оси абсцисс диаграммы у - х (рис. 4.2) откладывают составы х_F, x_D, x_W. В со-ответствии со сделанными допущениями точки 1 и 2, принадлежащие концам рабочих линий для верхней и нижней частей колонны, располагаются на диаго-нали. Точка 3 характеризуется значением абсциссы х_F и принадлежит обеим рабочим линиям. Для определения ее положения на диаграмме у – х при изве-стном флегмовом числе R из уравнения (4.4) при х = 0 вычисляют отрезок

, откладывают его на оси ординат, получая точку 4. Пересече-ние линии, соединяющей точки 1- 4, и х = х_F, определит положение точки 3. Соединив точки 2 и 3, получают ломаную линию 1 - 3 - 2, отвечающую измене-нию рабочих концентраций в укрепляющей у = f (x) и исчерпывающей

= f (x) частях колонны.

Разделяющая способность ректификационной колонны определя­ется чис-лом ступеней изменения концентрации (числом "теоретичес­ких тарелок"). Чис-ло ступеней изменения концентрации в колонне непрерывного действия можно определить графическим способом путем построения ступенчатой линии меж-ду линией равновесия у^* = f (x) и рабочими линиями в пределах концентраций от х_W до х_D. При этом предполагается, что контакт между жидкостью и па-ром осуществляется до достижения равновесия, определяемого для рассматри-ваемой системы жидкость – пар положением равновесной линии. Построение следует начинать от точки 1.

В случае периодической ректификации колонна работает как колонна для укрепления паров. Процесс описывается единственным уравнением рабочей ли-нии, совпадающим по своему виду с уравнением (4.6) для верхней части колон-ны непрерывного действия.

В колоннах периодического действия процесс ректификации протекает в нестационар­ном режиме и может осуществляться двумя методами:

- с отбором дистиллята постоянного состава (х_D = const);

- с отбором дистиллята переменного состава (фракционирование) при постоян-
ном флегмовом числе (R = const).

При отборе дистиллята постоянного состава в ходе процесса ректифи-кации количество НК в кубовой жидкости исчерпывается. Поэто­му для поддер-жания постоянного состава дистиллята необходимо ко­личество флегмы, возвра-щаемой в колонну, непрерывно увеличивать. В этом случае расчет колонны заключается в определении зависи­мости R = f (τ), где τ - время ведения про-цесса, при этом угол наклона рабочей линии, равный R/(R + 1), постоянно увеличивается.

При отборе дистиллята переменного состава количество флег­мы в об-щем случае сохраняется постоянным, так как по условию R = const; однако на практике чаще флегму сохраняют постоянной в период отбора дан­ной фракции (в пределах заданных интервалов температур). Расчет колонны в этом случае состоит в нахождении количества отби­раемых фракций при заданных составах дистиллята и кубового остат­ка, числа тарелок и флегмы.

В лабораторной работе исследуется колонна периодического действия, ра-ботающая в режиме постоянного флегмового числа. Поэто­му рассмотрим осо-бенности построения рабочих линий для случая R = const. В этом случае сос-тав получаемых продуктов изменяется во времени. Из первоначальной загруз-ки исходной смеси состава х_F по низкокипящему компоненту получают пер-вую фракцию дистиллята среднего состава х_{D 1} и промежуточный остаток сос-тава х_{W 1}. Далее этот остаток подвергается повторному разделению на фракцию среднего состава х_{D 2} и остаток х_{W 2} и т.д. Процесс может быть продолжен до достижения заданного (или минимального) значения состава кубового остатка х_W. Как видно из рис. 4.3. с уменьшением содержания НК в кубовой жидкости

происходит изменение состава дистиллята.

Рис. 4.3 Рис. 4.4

Рис. 4.3. Зависимость состава дистиллята от состава жидкости в кубе

Рис. 4.4. Построение рабочих линий на у - х – диаграмме для ректифи-

кационной колонны периодического действия при R = const

Для графического изображения процесса периодической ректификации при R = const (рис. 4.4) на диаграмме у - х первоначально строят рабочую линию при составе кубовой жидкости х_F и дистиллятасостава х_{D 1}, получен-ного при отборе первой фракции. Построение проводится в соответствии с уравнением (4.6) аналогично построению рабочей линии для укрепляющей части колонны непрерывного действия. Далее по числу теоретических тарелок, вписанных в виде ступенчатой линии между кривой равновесия и рабочей ли-нией в интервале концентраций х_{D 1} и х_F, определяют эффективность процесса ректификации в данной колонне. При отборе последующих фракций рабочие линии будут смещаться параллельно своему первоначальному положению и изображаться прямыми линиями с одинаковым углом наклона R/(R+1). Каж-дая из последующих рабочих линий начинается от точек, расположенных на диагонали с абсциссами, соответствующими концентрациям отобранных проб х_{D 2,} х_{D 3} и т.д. Начиная от этих точек известным способом строят постоянное для этой колонны число теоретических ступеней, определенное ранее при отбо-ре первой фракции. Самая низкая ступень определяет состав кубовой жидкости х_{W 1}, х_{W 2} и т.д., отвечающей составу х_{D 2,} х_{D 3} и т.д. Построив график зависи-мости состава дистиллята х_D от состава жидкости в кубе х (см. рис. 4.3) можно определить состав дистиллята соответствующий концентрации НК в кубовой жидкости в любой момент.

Дата добавления: 2015-10-28