Перегонка і Ректифікація.

8.1 Основні поняття.

8.2 Проста перегонка

8.3 Ректифікація

8.4 Матеріальний і тепловий баланси

Розділення рідких однорідних сумішей (розчинів), що складаються з двох або більшого числа летючих компонентів, проводиться перегонкою або ректифікацією. Якщо початкову суміш, що складається з рідин з різними температурами кипіння, частково випаровувати, а потім пари, що утворилися, конденсувати, то отримана рідина відрізнятиметься по складу вищим вмістом легколетучего, або низькокиплячого, компоненту (НК). У початковій суміші, що залишилася, міститься більша кількість труднолетучего, або висококиплячого, компоненту (ВК). Ця рідина називається залишком, а рідина, отримана в результаті конденсації пари, — дистилятом або ректифікатом.

Якщо в простому випадку початкова суміш складається тільки з двох компонентів, то розділення відбувається тим повніше, чим більше відмінності в пружності пари цих компонентів, тобто їх летючість. При атом після розділення в дистиляті міститься більше низькокиплячого компоненту, а в залишку більше висококиплячого компоненту.

Застосовують два способи розділення сумішей — просту перегонку і ректифікацію. Проста перегонка є процесом одноразового часткового випаровування рідкої суміші і конденсації пари, що утворюється. Цей спосіб розділення компонентів застосовний у разі, коли не вимагається повного розділення і, коли летючість компонентів істотно відрізняється між собою. Просту перегонку застосовують або для грубого розділення сумішей, або для попереднього очищення продуктів від небажаних домішок. Існує декілька варіантів простій перегонки, які будуть розглянуті нижче.

Ректифікація — процес, при якому випаровування початкової суміші і конденсація пари, що утворюється, проводяться багато разів в колонних апаратах, званих колонами ректифікацій. При кожному контакті рідини і пари з рідини

випаровується переважно легколетучий компонент, а з парової фази конденсується в основному висококиплячий компонент. В результаті такої взаємодії пари, що піднімаються по колоні, збагачуються низькокиплячим компонентом, а стікаюча рідина — висококиплячим компонентом. Пари, які відводяться з верхньої частини колони і конденсуються, складаються в основному тільки з НК і називаються дистиллатом. Рідина, що видаляється з нижньої частини колони, по складу близька до чистого ВК і називається кубовим залишком.

Для створення хорошого контакту між паровою і рідкою фазами колону зрошують частково повертаним дистиллатом — флегмою.

Ректифікація забезпечує повніше в порівнянні з простій перегонкою розділення, дає чистіші кінцеві продукти, але вимагає великих витрат праці і енергії.

Спосіб розділення суміші на компоненти шляхом ректифікації є основним технологічним прийомом в таких галузях промисловості, як переробка нафтопродуктів, спиртна промисловість, промисловість отримання запашних речовин. Існує декілька модифікацій цього способу. Процеси перегонки здійснюються головним чином як періодичні, тоді як ректифікація, особливо для великотоннажних виробництв, в основному проводиться по схемі, що безперервно діє.

Всі рідкі двокомпонентні суміші залежно від ступеня їх взаємної розчинності підрозділяються на: 1) рідини, взаиморастворимые в будь-яких відносинах; 2) рідини, частково розчинні один в одному; 3) рідини, взаимонерастворимые.

Рідини першої і найбільш важливої групи у свою чергу підрозділяються на: а) суміші, у яких склад пари, що піднімається над рідиною, відрізняється від складу початкової рідкої суміші вищим вмістом низькокиплячого компоненту на всьому інтервалі концентрацій; би) суміші, у яких тільки при деякому певному складі рідини пар містить більше за легколетучего компонент, чим початкова рідина.

При розгляді процесів перегонки і ректифікації склад фаз — рідкою і паровою — виражають в молярних відсотках (мовляв. %) або молярних долях легколетучего компоненту в суміші.

Для перекладу масових відсотків (мовляв. %), в яких зазвичай задані склади сумішей, що розділяються, в молярні відсотки або молярні долі використовують рівняння (11.1) і (11.2), розглянуті в розділі «Основи теорії массообменных процесів».

Для виразу складу рідкої і парової фаз двокомпонентної суміші зручно користуватися діаграмою рівноваги (рис.117). На цій діаграмі, по осі абсцис від 0 до 1 відкладений склад рідини в долях моля легколетучего компоненту А. Равновесний склад пари відкладається від 0 до 1 по осі ординат, також в молярних долях. Діаграма рівноваги для сумішей з двох рідин, у яких пар містить більше низькокиплячого компоненту, чим рідина на всьому інтервалі концентрацій, є кривою, розташованою вище за діагональ. Такі суміші підкоряються закону Рауля: парціальний тиск будь-якого компоненту в парах над сумішшю, рівно пружності насиченої пари цього компоненту при даній температурі, помноженого на його мольну частка в рідині X:

(13.1)

Ріс.117 Залежність складу рідини і

пара над нею (крива рівноваги)

Ріс.118 Крива рівноваги для сумішей

що мають азеотропну крапку

Закону Рауля підкоряються суміш бензол — толуол, суміші вуглеводнів і багато інших. Проте далеко не все повністю взаиморастворимые рідини підкоряються закону Рауля і мають вміст легколетучего компоненту в парах у вище на всьому інтервалі концентрацій X. Так, суміші етилового спирту з водою, етилового спирту з бензолом і ряд інших мають криві рівноваги, подібні зображеним на рис.118.

Криві рівноваги таких сумішей розташовані вище за діагональ тільки на інтервалі 0 – Х1 і перетинають діагональ в крапці А з абсцисою Х=х1. У цій крапці склад пари У1 рівний складу рідини Х1, тому при випаровуванні рідини і подальшої конденсації не відбувається збагачення парової фази низькокиплячим компонентом. Крапка А перетини кривої рівноваги з діагоналлю називається азеотропною крапкою.

Суміші, які мають азеотропну крапку, можуть бути піддані розділенню звичайними методами ректифікації тільки в межах зміни концентрації НК в рідині від 0 до Х1, тобто тільки на тому інтервалі кривої, де при випаровуванні рідини відбувається збагачення парової фази низькокиплячим компонентом.

Рідини, частково розчинні один в одному, зустрічаються значно рідше. Для розділення таких рідин методи перегонки або ректифікації практично не застосовуються.

У рідинах взаимонерастворимых кожен з компонентів повністю зберігає свої властивості. Така суміш може бути легко розділена на складові частини механічним шляхом, за допомогою відстоювання. Прикладом служить розділення змішай масла з водою, аніліну з водою і ін. У суміші, що складається з взаимонерастворимых компонентів, парціальний тиск кожного компоненту не залежить від його вмісту в суміші і рівно тиску насиченої пари цього компоненту. Ця властивість використовується при перегонці (очищенню), висококиплячих рідин, взаимонерастворимых один в одному, наприклад при очищенні аніліну, нітробензолу і ін. при їх перегонці з водяним, пором. Витрата водяної пари на перегонку складає: (13.2)

де Рв, РА – пружності насиченої пари води і речовини, що перегониться;

Мв, МА – молекулярні ваги води і речовини, що перегониться; ц<1 – ступінь насичення пари води парами даного речовин. Цим рівнянням користуються для визначення необхідної кількості водяної пари на перегонку.

Проста перегонка

Проста перегонка проводиться на установці (рис.119), що складається з перегінного куба 1 з підігрівачем-сорочкою, поверхневого конденсатора 2 і приймачів 3, 4, 5. Початкову суміш завантажують в куб.1, який обігрівається парою або іншим теплоносієм залежно від необхідної температури. Початкова суміш в кубі кипить, пари поступають в охолоджуваний водою конденсатор 2. Дистилят з конденсатора поступає в приймачі 3, 4, 5; На початку перегонки отримуваний дистилят переважно складається з легколетучего компоненту і збирається в приймач 3. Поступова кількість легколетучего компоненту в кубі зменшується, унаслідок чого склад дистиляту по легколетучему компоненту також обідняється. Тому подальші фракції збираються окремо в збірки 4 і 5. Після закінчення процесу перегонки в кубі залишається кубовий залишок, який спускається в розташовану нижче ємкості через нижній спуск або передавлюється в приймальну ємність стислим газом.

Ріс.119 Установка для простій

перегонки:

1 – перегінний куб

2 – конденсатор

3, 4 5 – приймальні ємкості

Ріс.120 Установка для перегонки з дефлегмацією:

1 – перегінний куб

2 – дефлегматор

3 – холодильник

4, 5, 6 – приймальні ємкості

Розглянута схема розділення речовин може бути застосована у тому випадку, коли температури кипіння компонентів значно відрізняються, а також коли не вимагається високої чистоти отримуваних фракцій.

В деяких випадках проста перегонка може проводитися при зниженому тиску — під вакуумом. При пониженні тиску знижується температура кипіння розчинів. Це властивість дуже часто використовують при розділенні сумішей нестійких легко розкладаних з'єднань, проводячи процес перегонки при зниженому тиску. Для створення вакууму в перегінному апараті до приймачів дистиляту через спеціальні пастки підключають вакуумнacoc.

Для кращого розділення сумішей при перегонці застосовують схему простій перегонки з дефлегмації (рис.120). Початкову суміш завантажують в куб 1, на якому є дефлегматор2. Як і в попередній схемі, конденсація пари відбувається в холодильнику 3, звідки дистиллат поступає в приймальні ємності 4, 5, 6. Дефлегматор 2 є холодильником, в міжтрубний простір якого для охолоджування пари, що виходить з куба, подається вода. Регулюючи витрату води, що охолоджує, можна змінювати кількість пари, що конденсується в дефлегматорі, повертаної назад в куб. Витрата води, що охолоджує, викликає лише часткову конденсацію пари. У дефлегматорі 2 конденсуються переважно пари висококиплячого компоненту, і низькокиплячий компонент виходить з дефлегматора в пароподібному стані, поступаючи в конденсатор. Склад пари, що виходить з дефлегматора, відрізняється від складу вхідної в нього пари вищим вмістом легколетучего компоненту.

Таким чином, досягається підвищення якості дистиллата, що виходить з холодильника 3 і що поступає в приймальні ємності 4, 5, 6. Проте при цьому продуктивність установки знижується, оскільки частина конденсату, що складається переважно з висококиплячого компоненту, повертається з дефлегматора в перегінний куб. Перегонку з дефлегмацією проводять як при атмосферному тиску, так і під вакуумом.

Проста перегонка з водяною парою застосовується головним чином для очищення високо-киплячих рідин, що не змішуються з водою (наприклад, ани-лина, нітробензолу і ін.). Установка (рис.121) складається з куба 2, снаб-женного сорочкою 1 для обігріву, барботера 3 для подачі пари, конденсатора 4, відстійника 5 і приймальних ємкостей 6 і 7. Продукт, що підлягає перегонці, завантажують в куб і нагрівають, а потім через барботер 3 починають подавати водяну пару. Зазвичай температура

Мал. 121. Схема перегонки з водяною парою: 1 – сорочка, 2 – куб

3 – паровий барботер

4 – конденсатор

5 – відстійник

6, 7 – приймальні емкост

кипіння продуктів, що перегоняться, перевищує температуру кипіння води, тому для перегонки застосовують перегріту водяну пару. Пара грає двояку роль: він служить, по-перше, теплоносієм, що підтримує тепловий баланс початкових компонентів в кубі, і, по-друге, агентом, що знижує температуру кипіння. Пари з куба поступають в конденсатор 4, вода і продукт розділяються у відстійнику 5 і подаються в ємкості 6 і 7.

Окрім перегонки в струмі водяної пари (Мв = 18), в деяких випадках використовують інертні газы—азот (MN2 = 28), вуглекислий газ (Мco2 = 44). Проте навіть теоретична витрата газів на перегонку, що володіють значно більшою молекулярною масою, сильно зростає в порівнянні з водяною парою, як видно з рівняння (13.2). Крім того, конденсація пари речовини, що перегониться, розподіленої у великому об'ємі інертного газу, зв'язана з великими труднощами. Можливе туманообразование, неповнота конденсації і ін. Через ці обставини такі теплоносії для цілей перегонки застосовують значно рідше.

Ректифікація

Ректифікацією називається процес багатократного випаровування і конденсації пари, що проводиться в установках ректифікацій періодичної або безперервної дії з метою повному розділення компонентів суміші.

Схема установки ректифікації періодичної дії для розділення двокомпонентної суміші представлена на мал. 122. Установка складається з куба 1, забезпеченого підігрівачем, колони ректифікації 2, дефлегматора 3, холодильника 4, оглядового ліхтаря 5 і збірки дистиляту 6.

Початкова суміш завантажується в куб 1, нагрівається до температури

кипіння і підтримується в стані кипіння. Пари, що утворюються, поступають в нижню частину колони 2. У колоні розташовані контактні пристрої, за допомогою яких пара, що піднімається, входить в зіткнення з флегмою, що отримується в дефлегматорі 3. Парова і рідка фази взаємодіють таким чином. Пари

висококиплячого компоненту суміші частково конденсуються, а тепло, що виділяється при їх конденсації, витрачається на випаровування частини легкокипящего компоненту з флегми, що стікає вниз. Цей процес в колоні повторюється багато разів у міру того, як пари піднімаються вгору по колоні.

В результаті взаємодії пари, що піднімаються з верхньої частини колони, значно збагачуються легколетучим компонентом.

Ріс.122 Схема установки ректифікації, що періодично діє

1 – куб

2 – колона ректифікації

3 – дефлегматор

4 – холодильник

5 – оглядовий ліхтар

6 – приймач дистиляту

Ці пари поступають далі в дефлегматор, де конденсуються за рахунок охолоджування водою. Потік отриманої рідини ділиться на дві частини: одна частина повертається у вигляді флегми назад в колону для зрошування, а друга поступає на охолоджування в холодильник 4. Далі ця частина проходить оглядовий ліхтар 5 і поступає в ємність 6 як дистиллат, що складається переважно з легколетучего компоненту. Флегма, що стікає в нижнюю частині колони і що містить в основному висококиплячий компонент, через сифон повертається в куб колони. Таким чином, в результаті процесу ректифікації отримують досить повне розділення компонентів суміші: легколетучий компонент збирається в ємкості 6 у вигляді дистиллата, а висококиплячий компонент — в кубі 1 у вигляді кубового залишку.

В деяких випадках в дефлегматорі проводять тільки часткову конденсацію пари, повертаної в колону у вигляді флегми. Несконденсовані пари поступають в холодильник 4, в якому спочатку проводиться їх конденсація, а потім охолоджування отримуваного дистиллат до заданої температури.

Відношення кількостей повертаної в колону флегми і отримуваного дистиллата називається флегмовым числом, що позначається зазвичай R. Якщо флегмовое число R протягом процесу перегонки зберігається постійним, то кількість НК в дистиллате у міру вичерпання складу кубової рідини легколетучим компонентом зменшується. В цьому випадку дистиллат по ходу процесу збирають окремими порціями в декілька ємностей з складом, що поступово погіршується.

Можна, проте, підтримуючи, постійним заданий склад дистиллата. Для цього необхідно збільшувати флегмовое число у міру вичерпання НК в кубовому залишку. При такому веденні процесу кількість отримуваного дистиллата у міру вичерпання їх в кубі зменшуватиметься.

Установки ректифікацій, що періодично діють, застосовують головним чином в тих випадках, коли продуктивність по продуктах, що розділяються, невелика. У тих випадках, коли необхідне розділення великих кількостей продуктів, застосовують ректификацион-ные установки, що безперервно діють. На рис.123 представлена схема установки ректифікації, що безперервно діє, для розділення бінарної суміші. Початкова двухкомпо-нентная суміш з ємкості 2 насосом 1 через вимірника витрати 3 подається в підігрівач 4. У підігрівачі початкова суміш нагрівається до температури кипіння і подається в середню частину колони ректифікації, що безперервно діє, 5, що має контактні массообменные пристрої для взаємодії пари і стікаючої рідини. Частина колони вище за точку введення початковою суміш називається зміцнюючою частиною, нижняя — вичерпною.

Ріс.123. Схема установки ректифікації, що безперервно діє:

1— насоса, 2 — ємкість початкової суміші, 3 — вимірник витрати, 4 — підігрівач, 5 — колона ректифікації, 6 — дефлегматор 7 — дільник флегми, 8, 12 - холодильник, 9- вимірника складу, 10 - ємкість дистиллата, 11 — ємкість кубової рідини, 13— дільника кубової рідини, 14 — кип'ятильник

Пари, що піднімаються по колоні, взаємодіють із стікаючою флегмою і поступово збагачуються легколетучим компонентом. З верхньої частини колони пари поступають в дефлегматор 6, конденсуються і розділяються на два потоки в дільнику флегми 7. Одна частина повертається е колону на зрошування у вигляді флегми, інша поступає в холодильник 8 для охолоджування. Пройшовши вимірника складу 9, дистиллат збирається в ємність 10. До нижньої частини колони приєднаний кип'ятильник 14. У дільнику 13 потік рідини, що поступає із зайвої частини колони, розділяється на кубовий залишок, який відводиться через холодильник 12 в приймач 11, і частину, яка у вигляді пари повертається в колону через кип'ятильник 14.

Пара в колоні безперервно подається від низу до верху, а рідина (флегма) стікає зверху вниз. Взаємодія пари і рідини на контактних пристроях, що супроводжується тепло- і массообменными процесами, приводить до розділення бінарної суміші на два компоненти. Пара збагачується легколетучим компонентом, а в рідині . збільшується зміст висококиплячого компоненту. Температура по висоті колони зменшується від нижньої частини до верхньої. Пари, що виходять з верхньої частини колони, є легколетучий компонентом, а кубова рідина в нижній частині колони — висококиплячий компонент.

Точку введення початкової суміші вибирають так, щоб склад початкової суміші відповідав складу рідини на даній тарілці (контактному пристрої). У колоні ректифікації відбувається безперервне і достатньо повне розділення початкової суміші на дистиллат і кубовому залишку. Дістіллат є майже чистим легколетучий компонентом, а кубовий залишок містить висококиплячий труднолетучий компонент.

Установки ректифікацій безперервної і періодичної дії працюють як під тиском, близьким до атмосферного, так і під вакуумом. У останньому випадку до приймальних ємкостей дистиллата через пастки приєднують вакуум. При ректифікації під вакуумом знижуються температури кипіння рідин, унаслідок чого сповільнюється їх розкладання. Крім того, в цьому випадку досягається повніше розділення суміші із-за збільшення різниці пружності пари компонентів.

Основні параметри установок ректифікацій: продуктивність, якість отримуваного дистиллата, витрата гріючої пари, флегмовое число і висота колони. Ці величини зв'язані між собою. Збільшення числа взаємодій (числа тарілок) між парою, що піднімається, до стікаючою флегмою покращує ступінь розділення, але збільшує висоту колонного апарату. Збільшення потоку флегми зменшує продуктивність колони (кількість отримуваного дистиллата), але одночасно покращує умови масообміну на контактних пристроях, що кінець кінцем покращує склад дистиллата. В той же час збільшення флегмового числа (кількості повертаної рідини) вимагає збільшення витрати пари в кип'ятильнику колони. Вплив цих параметрів на кінцевий результат враховується при проектуванні і експлуатації установок ректифікацій.

Кількість тепла, необхідну для нагріву колони і підтримки температури кипіння кубового залишку, розраховують з рівняння теплового балансу. Тепловий баланс колони ректифікації безперервної дії складається з наступних показників

.

Прихід тепла

З початковою сумішшю QF

З теплоносієм в кип'ятильнику Qкип

З флегмою Qф

Витрата тепла

З парами, що поступають з колони в дефлегматор, Qпар

З кубовим залишком Qщ

Втрати тепла в навколишнє середовище Qпот

Рівняння теплового балансу записує з умови рівність приходу і витрати тепла:

(13.4)

Підставляючи розгорнені значення окремих величин, вирішують це рівняння відносно Qкип і знаходять витрату гріючої пари в кип'ятильнику колони.

Витрата гріючої пари в підігрівачі і що охолоджує вози в дефлегматорі і холодильнику визначають з рівнянь теплових балансів цих апаратів.