ВОПРОС 4. РЕКТИФИКАЦИЯ

Ректификацияпредставляет собой разделение смеси на состав­ляющие ее компоненты путем многократного частичного испаре­ния жидкости и конденсации паров. Проводят ректификацию в колонных аппаратах, снабженных контактными устройствами (та­релками различной конструкции) либо заполненных насадкой, изготовленной из различных материалов (керамика, металл, дере­во). Пар взаимодействует с жидкостью в противотоке, и в каждом контактном устройстве пары конденсируются, а жидкость частич­но испаряется за счет теплоты конденсации пара. Таким образом, пар обогащается легколетучим компонентом, а жидкость, стекаю­щая в низ колонны, — труднолетучим компонентом. В результате многократного взаимодействия пара и жидкости дистиллят содер­жит почти чистый легколетучий компонент, а кубовый остаток — труднолетучий.

При расчете процессов ректификации принимают, что:

1) при конденсации 1 кмоль пара испаряется 1 кмоль жидко­сти, следовательно, количество пара, движущегося в ректифика­ционной колонне, одинаково в любом ее сечении;

2) при конденсации пара в дефлегматоре его состав не изменя­ется, следовательно, состав пара, выходящего из ректификацион­ной колонны, равен составу дистиллята (у_d= х_d);

3) при испарении жидкости ее состав не изменяется, следова­тельно, состав пара, образующегося при испарении, равен составу кубового остатка (y_w⁼х_w).

Рис.6. t—x, у-диаграмма

Процесс ректификации иллюстрируется t—x, у-диаграммой (рис. 6). При нагревании жидкой смеси состава х₁ до темпера­туры кипения t₁ получают пар равновесного состава, после кон­денсации которого образуется жидкость состава х₂, обогащенная легколетучим компонентом. В результате последующего нагрева­ния этой жидкости до температуры кипения t₂ и конденсации па­ров получают жидкость состава х₃. Таким образом, проводя мно­гократное испарение жидкости и конденсацию паров, можно раз­делить исходную смесь на чистые легколетучий и труднолетучий компоненты.

ВОПРОС 3. Расчет числа тарелок и рабочей высоты ректификационной колонны

Расчет числа тарелок и рабочей высоты ректификационной ко­лоннычасто ведут по числу теоретических или действительных ступеней изменения концентраций (см. главу 16). При этом пред­полагается, что в теоретической ступени достигается равновесие между паром, уходящим на вышерасположенную ступень (тарел­ку), и жидкостью, стекающей со ступени (тарелки) на нижераспо­ложенную.

Рассмотрим принцип работы барботажной тарелки (рис. 7, а). Пусть на n-ную тарелку поступает с вышерасположенной жид­кость концентрацией х_n + ₁ а с нижерасположенной тарелки — пар концентрацией у_n-1. В результате массообмена легколетучий ком­понент из жидкости переходит в пар, а труднолетучий — из пара в жидкость. Концентрация легколетучего компонента в паре возра­стает до у_п, а в жидкости уменьшается с х_n + ₁ до х_n - ₁.

При рассмотрении процесса примем следующие широко рас­пространенные допущения: жидкость на тарелке идеально пере­мешана и имеет постоянную концентрацию х_n, а концентрация пара в слое жидкости изменяется от у_n-1 до у_n в режиме идеально­го вытеснения (см. главу 2).

В случае достижения равновесия процесс изменения концент­рации в паре от у_n-1 до у_n = у_пр изображается вертикальным отрез­ком АВ, а изменение концентрации в жидкости от х_n + ₁ до х_n — го­ризонтальным отрезком BD (рис. 7, б). Таким образом, сту­пенька ABD изображает процесс, происходящий на одной теоретической тарелке.

Чтобы определить, сколько теоретических тарелок требуется установить в колонне для разделения исходной смеси в заданных

Рис. 7. К расчету числа ректификационных тарелок:

а — схема взаимодействия пара и жидкости на тарелке; б— изображение процесса в у-х -диаграмме в случае достижения равновесия между паром и жидкостью; в — изображение процесса в у—х-диаграмме в случае, когда равновесие между паром и жидкостью на тарелке не достигается

пределах от х_f до x_W. от х_f до x_d, вписывают между линией равно­весия и рабочими линиями между точками А и С ступенчатую ли­нию. Число полученных ступеней и определит число теоретичес­ких тарелок.

На реальной ступени (тарелке) изменения концентраций ни­когда не достигается равновесие, т. е. у_n < у_пр (рис. 7, в).

Для определения числа действительных тарелок используют коэффициент полезного действия, значе­ние которого находят опытным путем.

Методы расчета числа действительных ступеней изменения концентраций (тарелок), базирующиеся на коэффициентах массопередачи, изложены в главе 16.

Для расчета коэффициентов массоотдачи в фазах можно реко­мендовать следующие уравнения:

в жидкой фазе

(6)

в газовой фазе для ситчатых тарелок

(7)

то же для колпачковых тарелок

(8)

В уравнениях (7) и (8) линейным размером в критерии

Критерий Вебера где σ— поверхностное натяжение, Н/м;

h_ст — высота статического слоя жидкости на тарелке, м.