Ректифікація
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Ректифікація

Ректифікація (від позднелатінського rectificatio — випрямлення, виправлення), один із способів розділення рідких сумішей, заснований на різному розподілі компонентів суміші між рідкою і паровою фазами. При Р. потоки пари і рідини, переміщаючись в протилежних напрямах (протитечією), багато разів контактують один з одним в спеціальних апаратах (колонах ректифікацій), причому частина пари, що виходить з апарату (або рідини) повертається назад після конденсації (для пари) або випару (для рідини). Такий протиточний рух контактуючих потоків супроводиться процесами теплообміну і масообміну, які на кожній стадії контакту протікають (у межі) до стану рівноваги; при цьому висхідні потоки пари безперервно збагачуються більш леткими компонентамі, а стікаюча рідина — менш леткими. При витраті тієї ж кількості тепла, що і при дистиляції, Р. дозволяє досягти більшого витягання і збагачення по потрібному компоненту або групі компонентів. Р. широко застосовується як в промисловому, так і в препаратівном і лабораторному масштабах, часто в комплексі з ін. процесами розділення, такими, як абсорбція, екстракція і кристалізація .

загрузка...

  Згідно Рауля законам і закону Дальтона, в умовах термодинамічної рівноваги концентрація якого-небудь i -го компонента в парі в K i разів відрізняється від концентрації його в рідині, причому коефіцієнт розподілу K i = / p (де  — пружність насиченої пари i -го компонента; р — загальний тиск). Відношення коефіцієнта розподілу будь-яких двох компонентів K i і K j називається відносною летючістю і позначається a ij . Чим більше відрізняється a ij від одиниці, тим легко виконати розділення цих компонентів за допомогою Р. У ряді випадків удається збільшити a ij в результаті введення в суміш, що розділяється, нового компонента (званого розділяючим агентом), який утворює з деякими компонентамі системи азеотропну суміш . З цією ж метою вводять розчинник, киплячий при значно вищій температурі, ніж компоненти вихідної суміші. Відповідні процеси Р. називаються азеотропними або екстрактними. Величина a ij залежить від тиску: як правило, при пониженні тиску a ij зростає. Р. при зниженому тиску — вакуумна — особливо личить для розділення термічно нестійких речовин.

  Апаратура для ректифікації. Апарати, службовці для проведення Р., — колони ректифікацій — складаються з власне колони, де здійснюється протиточний контакт пари і рідини, і пристроїв, в яких відбувається випар рідини і конденсація пари, — куба і дефлегматора. Колона є порожнистим циліндром, що вертикально стоїть, усередині якого встановлені т.з. тарілки (контактні пристрої різної конструкції) або поміщений фігурний кусковий матеріал, — насадка . Куб і дефлегматор — це звичайно кожухотрубні теплообмінники (знаходять вживання також трубчасті печі і роторні випарники).

  Призначення тарілок і насадки — розвиток міжфазної поверхні і поліпшення контакту між рідиною і парою. Тарілки, як правило, забезпечуються пристроєм для переливу рідини. Конструкції трьох типів переливних тарілок показані на мал. 1 ( а , би , в ). Як насадка колон ректифікацій зазвичай використовуються кільця, зовнішній діаметр яких дорівнює їх висоті. Найбільш поширені кільця Рашига ( мал. 2 , 1) і їх різні модифікації ( мал. 2 , 2—4 ) .

  Як в колонах насадок, так і в тарілчастих кінетична енергія пари використовується для подолання гідравлічного опору контактних пристроїв і для створення динамічної дисперсної системи пар — рідина з великою міжфазною поверхнею. Існують також колони ректифікацій з підведенням механічної енергії, в яких дисперсна система створюється при обертанні ротора, встановленого по осі колони. Роторні апарати мають менший перепад тиску по висоті, що особливо важливе для вакуумних колон.

  За способом проведення розрізняють безперервний і періодичний Р. В першому випадку суміш, що розділяється, безперервно подається в колону ректифікації і з колони безперервно відводяться дві і більше число фракцій, збагачених одними компонентамі і збіднених іншими. Схема потоків типового апарату для безперервного Р. — повної колони — показана на мал. 3 , а. Повна колона складається з 2 секцій — зміцнюючою ( 1 ) і вичерпною ( 2 ). Вихідна суміш (зазвичай при температурі кипіння) подається в колону, де змішується з т.з. рідиною, що витягує, і стікає по контактних пристроях (тарілкам або насадці) вичерпної секції протитечією до потоку пари, що піднімається. Досягнувши низу колони, рідинний потік, збагачений тяжелолетучимі компонентамі, подається в куб колони ( 3 ). Тут рідина частково випаровується в результаті нагріву відповідним теплоносієм, і пара знову поступає у вичерпну секцію. Пара (т.з. отгонний), що виходить з цієї секції, поступає в зміцнюючу секцію. Пройдя її, збагачений легко-леткими компонентамі пар поступає в дефлегматор ( 4 ), де зазвичай повністю конденсується відповідним хладагентом. Отримана рідина ділиться на 2 потоки: дистилят і флегму. Дистилят є продуктовим потоком, а флегма поступає на зрошування зміцнюючої секції, по контактних пристроях якої стікає. Частина рідини виводиться з куба колони у вигляді т.з. кубового залишку (також продуктовий потік).

  Відношення кількості флегми до кількості дистиляту позначається через R і носить назву флегмового числа. Це число — важлива характеристика Р.: чим більше R , тим більше експлуатаційні витрати на проведення процесу. Мінімально необхідні витрати тепла і холоду, пов'язані з виконанням якого-небудь конкретного завдання розділення, можуть бути знайдені з використанням поняття мінімального флегмового числа, яке знаходиться розрахунковим дорогою в припущенні, що число контактних пристроїв, або загальна висота насадки, прагне до нескінченності.

  Якщо вихідну суміш потрібно розділити безперервним способом на число фракцій більше двох, то застосовується послідовне або паралельно-послідовне з'єднання колон.

  При періодичному Р. ( мал. 3 , би) вихідна рідка суміш одноразово завантажується в куб колони, ємкість якого відповідає бажаній продуктивності. Пари з куба поступають в колону і піднімаються до дефлегматора, де відбувається їх конденсація. У початковий період весь конденсат повертається в колону, що відповідає т.з. режиму повного зрошування. Потім конденсат ділиться на флегму і дистилят. У міру відбору дистиляту (або при постійному флегмовом числі, або з його зміною) з колони виводяться спочатку легколетучие компоненти, потім среднелетучие і так далі Потрібну фракцію (або фракції) відбирають у відповідну збірку. Операція триває до повної переробки спочатку завантаженої суміші.

  Основи розрахунку колон ректифікацій. Р. з физико-хімічної точки зору є складним процесом протиточного тепломассообмена між рідкою і паровою фазами в умовах ускладненої гідродинамічної обстановки. Саме такий підхід до математичного опису розрахунку процесу розвивається у зв'язку з вживанням електронних цифрових обчислювальних машин (ЦВМ).

  Все ж при кількісному розгляді роботи колон ректифікацій зазвичай використовується концепція теоретичної тарілки. Під такою тарілкою розуміється гіпотетичний контактний пристрій, в якому встановлюється термодинамічна рівновага між потоками пари і рідини, що покидають його, тобто концентрації компонентів цих потоків зв'язані між собою коефіцієнтом розподілу. Будь-якій реальній колоні ректифікації можна поставити у відповідність колону з певним числом теоретичних тарілок, вхідні і вихідні потоки якої як по величині, так і по концентраціях збігаються з потоками реальної колони. Можна сказати, наприклад, що даний реальний апарат еквівалентний по своїй ефективності колоні з п'ятьма, шістьма і т.з. теоретичними тарілками. Виходячи з цього, можна визначити т.з. ккд(коефіцієнт корисної дії) колони як відношення числа теоретичних тарілок, відповідних цій колоні, до дійсний встановлених тарілок. Для колон насадок можна визначити величину ВЕТТ (висоту, еквівалентну теоретичній тарілці) як відношення висоти шаруючи насадки до теоретичних тарілок, яким він еквівалентний по своїй розділовій дії.

  З концепцією теоретичної тарілки пов'язана плідна ідея відділення конструктивних і гідравлічних параметрів від технологічних параметрів, таких як стосунки потоків і коефіцієнта розподілу. Єдине завдання розрахунку колони ректифікації розпадається при цьому на дві простіші, самостійніші: а) технологічний розрахунок, коли потрібно встановити, які склади виходитимуть на фіксованому числі теоретичних тарілок, або знайдуть, скільки треба узяти теоретичних тарілок, щоб отримати бажаний склад потоків, що виходять; би) розрахунок, коли потрібно встановити, скільки узяти реальних тарілок або яка висота насадки має бути для реалізації бажаного числа теоретичних тарілок. У математичному відношенні перше завдання (а) допускає чітке формулювання і зводиться до вирішення обширної системи нелінійних рівнянь (для колон, що безперервно діють) алгебри або до інтеграції систем звичайних диференціальних рівнянь (для періодичних колон). В разі Р. багатокомпонентної суміші рішення доступне лише за допомогою ЦВМ(цифрова обчислювальна машина). Використання машин дозволяє також розраховувати складні колони, вживання яких на практиці якоюсь мірою гальмувалося раніше відсутністю точних методів розрахунку. При гідравлічному розрахунку (б) можуть бути використані або безпосередньо емпіричні кореляції між величинами ВЕТТ і ккд(коефіцієнт корисної дії), з одного боку, і конструкцією тарілки, типом насадки і гідравлічними параметрами (питомі навантаження по парі і рідині) — з іншою, або співвідношення, зв'язуючі ВЕТТ і ккд(коефіцієнт корисної дії) з кінетичними і дифузійними параметрами (такими, як коефіцієнт массоотдачи і ефективній дифузії).

  Основні сфери промислового застосування Р. — здобуття окремих фракцій і індивідуальних вуглеводнів з нафтової сировини в нафтопереробній і нафтохімічній промисловості, здобуття окислу етилену, акрилонітрилу, капролактаму, алкилхлорсиланов — в хімічній промисловості. Р. широко використовується і в ін. галузях народного господарства: кольоровій металургії, коксохімічній, лісохімічній, харчовій, хіміко-фармацевтичною промишленностях.

  Літ.: Касаткин А. Р., Основні процеси і апарати хімічної технології, 8 видавництво, М., 1971; Александров І. А., Апарати ректифікацій і абсорбції, 2 видавництва, М., 1971; Коган Ст Би., Азеотропна і екстрактна ректифікація, 2 видавництва, М., 1971; Ольовський Ст М., Ручинський Ст Р., Ректифікація термічно нестійких продуктів, М., 1972; Платонов Ст М., Берго Б. Р., Розділення багатокомпонентних сумішей. Розрахунок і дослідження ректифікації на обчислювальних машинах, М. 1965; Холланд Ч., Багатокомпонентна ректифікація, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1969; Крель Е., Керівництво по лабораторній ректифікації, пер.(переведення) з йому.(німецький), М., 1960.

  Ст М. Платонов, Р. Р. Філіппов.

Мал. 1. Схема тарілок з переливним пристроєм: а — колпачковая (1 — підстава з шаром рідини; 2 — патрубки для проходу пари; 3 — ковпачки; 4, 5 — переливні пристрої); б — з s-образніх елементів (6); у — ситчатая.

Мал. 2. Різні типи насадок: 1 — кільця Рашига; 2 — спіральні кільця; 3 — кільця з перегородкою; 4 — кільця Паливши.

Мал. 3. Схеми потоків колон ректифікацій: а — безперервна ректифікація; б — періодична ректифікація; 1 — зміцнююча секція; 2 — вичерпна секція; 3 — куб колони; 4 — дефлегматор.