Ректифікація, сутність процесу

Одним з найбільш поширених методів розділення рідких однорідних сумішей, що складаються з двох або більшої кількості компонентів, є перегонка (дистиляція і ректифікація). У широкому сенсі перегонка являє собою процес, що включає часткове випаровування суміші, і подальшу конденсацію утворюються пари, які здійснюються одноразово або багаторазово. В результаті конденсації виходить рідина, склад якої відрізняється від складу вихідної суміші.

Ректифікація являє собою процес багаторазового часткового випаровування рідини і конденсації пари. Процес здійснюється шляхом контакту потоків пари і рідини, що мають різну температуру, і проводяться зазвичай в колонних апаратах. При кожному контакті з рідини випаровується переважно низькокиплячі компонент (НКК), яким збагачуються пари, а з парів конденсуються переважно висококиплячий компонент (ВКК), що переходить в рідину. Такий двосторонній обмін компонентами, повторюваний багаторазово, дозволяє отримати, в кінцевому рахунку пари, що представляють собою майже чистий НКК. Ці пари після конденсації в окремому апараті дають дистилят (ректифікат) і флегму - рідина, що повертається для зрошення колони і взаємодії з піднімаються парами. Пари отримують шляхом часткового випаровування знизу колони залишку, що є майже чистим ВКК.

Ректифікація є одним з найважливіших технологічних процесів спиртової та нафтової промисловості. В даний час ректифікацію все ширше застосовують в самих різних областях хімічної технології, де виділення компонентів у чистому вигляді (в виробництвах органічного синтезу, ізотопів, полімерів, напівпровідників і різних інших речовин високої чистоти) має важливе значення. Процеси перегонки здійснюються періодично або безперервно при різних тисках: при атмосферному тиску, під вакуумом (для поділу сумішей висококиплячих речовин), а також під тиском більше атмосферного (для поділу сумішей, які є газоподібними при нормальних температурах). Більш повне, економічне і чіткий поділ сумішей на компоненти досягається в процесах ректифікації, що проводяться в апаратах - ректифікаційних колонах.

Процес ректифікації здійснюється шляхом багаторазового контакту між нерівновагими рідкої і парової фазами, що рухаються в апараті назустріч один до одного.

При взаємодії фаз між ними відбувається масо-і теплообмін, обумовлені прагненням системи до стану рівноваги. В результаті кожного контакту компоненти перерозподіляються між фазами: пар кілька збагачується НКК, а рідина - ВКК. Багаторазове контактування призводить до практично повного поділу вихідної суміші.

Процеси ректифікації здійснюються в апаратах, технологічна схема яких залежить від призначення апарату і тиску в ньому, а конструкція - від способу організації контакту фаз.

При ступінчастому здійсненні процесу ректифікації в колонних апаратах контакт пара і рідини може відбуватися в противотоке (на тарілках провального типу), в перехресному струмі (на ковпачкових тарілках), в прямотоке (струменеві тарілки).

Якщо процес ректифікації здійснюється безперервно у всьому обсязі колонного апарату, то контакт пара і рідини при русі обох фаз може відбуватися тільки в противотоке. Сучасні ректифіков апарати можна класифікувати в залежності від технологічного призначення, тиску і внутрішнього пристрою, що забезпечує контакт між парою і рідиною.

За технологічним призначенням ректифікаційні апарати поділяються на колони атмосферно-вакуумних установок, термічного і каталітичного крекингов, вторинної перегонки нафтопродуктів, а також для ректифікації газів, стабілізації легких нафтових фракцій і т.д.

До сучасних ректифікаційних апаратів ставляться такі вимоги: висока роздільна здатність і продуктивна здатність, достатня надійність і гнучкість в роботі, низькі експлуатаційні витрати, невелика вага і простота, технічність конструкції.

Останні вимоги не менш важливі ніж перші, оскільки вони не тільки визначають капітальні витрати, а й значною мірою впливають на величину, експлуатаційних витрат, забезпечують легкість і зручності виготовлення апарату, монтажу і демонтажу, ремонту, контролю, випробування, а також безпеку експлуатації і пр.

Крім перерахованих вище вимог ректифікаційні апарати повинні відповідати також вимогам державних стандартів, відомчих нормалей і інспекцій Держтехнагляду.

Технологічна схема апарату залежить від складу суміші, що, вимог до якості одержуваних продуктів, від можливостей зменшення енергетичних витрат, призначення апарату, його місця в технологічному ланцюжку всієї установки і від багатьох інших факторів.

Процес ректифікації рідких сумішей здійснюється на ректифікаційних установках, що складаються з декількох апаратів. Розглянемо принцип поділу двухкомпонентной суміші ректифікацією на прикладі роботи подібної установки (рис. 10.1). Що підлягає поділу суміш безперервно подається в колону ректифікації через введення, розташований трохи нижче середини корпусу колони. Введена рідка суміш опускається по контактних пристроях (тарілкам) в нижню частину колони, звану кубом. Назустріч потоку рідини піднімається пара, що утворюється в результаті кипіння рідини в кубі колони. Пари, що утворюються містять в основному НКК і деяку кількість ВКК. При взаємодії пара з рідиною на тарілках колони ВКК конденсується і несеться вниз колони потоком рідини. За рахунок цього в піднімаються парах зростає кількість НКК. Таким чином, при підйомі парів вони збагачуються НКК. в той час як рідина, що стікає вниз, збагачується ВКК.

Вихідна суміш з проміжної ємності 1 відцентровим насосом 2 подається в теплообмінник 3, де підігрівається до температури кипіння. Нагріта суміш надходить на поділ в колону ректифікації 5 на тарілку харчування, де склад рідини дорівнює складу вихідної суміші. Стікаючи вниз по колоні, рідина взаємодіє з під-приймаються вгору парою, що утворюється при кипінні кубової рідини в кип'ятильник 4. Початковий склад пара приблизно дорівнює складу кубового залишку, т. Е. Збіднений легколетучим компонентом. В результаті масообміну з рідиною пар обо-гащается легколетучим компонентом

Мал. 10.1. Принципова схема ректифікаційної установки:

1 - ємність для вихідної суміші; 2, 9 - насоси; 3 теплообменнік- підігрівач вихідної сировини; 4 - кип'ятильник; 5 - колона ректифікації; 6 - дефлегматор; 7 - холодильник дистиляту; 8 - ємність для збору дистиляту; 10 - холодильник кубової рідини; 11 - ємність для кубової рідини.

Для більш повного обо-чення верхню частину колони зрошують відповідно до за-даними флегмовое числом рідиною (флегмою), яка виходить в дефлегматоре 6 шляхом конденсації пара, що виходить з колони. Частина конденсату виводиться з де-флегматора у вигляді готового продукту поділу - дистиляту, який охолоджується в теплообміннику 7, і направляється в проміжну ємність 8.

З кубової частини колони насосом 9 безперервно виводиться кубова рідина - продукт, збагачений труднолетучим компонентом, який охолоджується в теплообміннику 10 і право-вляется в ємність 11.

Ректифікацію багатокомпонентних сумішей, а вони в практиці зустрічаються частіше, ніж двокомпонентні, протікає по розглянутої вище схемі, хоча число використовуваної при цьому апаратури збільшується.

У ректифікаційних установках використовують головним чином апарати двох типів: колони зі ступінчастим контактом фаз (тарілчасті) і безперервним контактом (плівкові та насадки).

Ректифікацію багатокомпонентних сумішей можна проводити в різній послідовності, з використанням багатьох простих колон (на одну менше числа компонентів вихідної суміші) і з використанням однієї складної колони.

Для процесу ректифікації в основному застосовують тарілчасті колони. У них встановлюють горизонтальні тарілки з пристроями, що забезпечують хороший контакт між рідиною і парою.

Діаметр колони визначають залежно від продуктивності установки і швидкості парів в колоні, яку вибирають в межах 0,6 - 1,0 м / с. Знаходять застосування ректифікаційні колони різних розмірів: від невеликих колон діаметром 300 - 400 мм до високопродуктивних установок, з колонами діаметром 6, 8, 10, 12 м і більше.

Відстань між тарілками, мм 200 -350, 350 - 400, 400 - 500

Відстань між тарілками, мм 500 - 600, понад 600.

Число тарілок ректифікаційної колони або висота насадки визначаються технологічним розрахунком; воно залежить від фізико-хімічних властивостей поділюваних компонентів, необхідної чистоти поділу і к.к.д. тарілки. Зазвичай ректифікаційні колони мають 10 - 30 тарілок, але колони для поділу сумішей з близькими температурами кипіння налічують сотні тарілок і мають відповідно висоту до 30 - 90 м.

Ректифікаційні колони працюють зазвичай при атмосферному або невеликим надлишковим тиском. Обмежене застосування знаходять вакуумні колони і колони, що працюють при підвищеному тиску. Ректифікацію під вакуумом застосовують в тому випадку, коли хочуть знизити температуру в колоні, що буває необхідно при поділі компонентів з високою температурою кипіння або речовин, нестійких при високій температурі. Ректифікацію під підвищеним тиском використовують для поділу зріджених газів і легколетких рідин.