Схемы ректификационных установок для разделения бинарных смесей

СХЕМЫ РЕКТИФИКАЦИИ.

Непрерывно действующие установки. Рассмотрим, как реализуются указанные выше условия в ректификационных колоннах непрерывного действия (рис. ХII-14), которые наиболее широко применяются в про­мышленности.

Ректификационная колонна 1 имеет цилиндрический корпус, внут­ри которого установлены контактные устройства в виде тарелок или насадки (используемые конструкции тарелок и типы насадок не отличаются от описанных в главе XI). Снизу вверх по колонне движутся пары, поступающие в нижнюю часть аппарата из кипятильника 2, кото­рый находится вне колонны, т. е. является выносным (как показано на рисунке ХII-14), либо размещается непосредственно под колонной. Следо­вательно, с помощью кипятильника создается восходящий по­ток пара. Пары проходят через слой жидкости на нижней тарелке, которую будем считать первой, ведя нумерацию тарелок условно снизу вверх.

Пусть концентрация жидкости на первой тарелке равна х₁ (по низ­кокипящему компоненту), а ее температура t₁. В результате взаимодействия между жидкостью и паром, имеющим более высокую темпера­туру, жидкость частично испаряется, причем в пар переходит преимуще­ственно НК. Поэтому на следующую (вторую) тарелку поступает пар с содержанием НК y₁> х₁.

Испарение жидкости на тарелке происходит за счет тепла конденса­ции пара. Из пара конденсируется и переходит в жидкость преимуществен­но ВК, содержание которого в поступающем на тарелку паре выше рав­новесного с составом жидкости на тарелке. При равенстве теплот испаре­ния компонентов бинарной смеси для испарения 1 моль НК необходимо сконденсировать 1 моль ВК, т. е. фазы на тарелке обмениваются эквимолекулярными количествами компонентов.

Рис ХII-14 Схема непрерывно действующей ректификационной установки:

1 — ректификационная колонна (а — укрепляющая часть, б — исчерпывающая часть); 2 — кипятильник, 3 — дефлегматор, 4 — делитель флегмы, 5 — подогреватель исходной смеси; 6 — холодильник дистиллята (или холодильник-конденсатор); 7 — холодильник остатка (или нижнего продукта); 8, 9 — сборники; 10 — насосы.

На второй тарелке жидкость имеет состав x₂, содержит больше НК, чем на первой (х₂ > х₁), и соответственно кипит при более низкой темпе­ратуре t₂ < t₁. Соприкасаясь с ней, пар состава y₁ частично конденси­руется, обогащается НК и удаляется на вышерасположенную тарелку, имея состав у₂ > x₂, и т. д.

Таким образом пар, представляющий собой на выходе из кипятильника почти чистый ВК, по мере движения вверх все более обогащается низко­кипящим компонентом и покидает верхнюю тарелку колонны в виде почти чистого НК, который практически полностью переходит в паровую фазу на пути пара от кипятильника до верха колонны.

Пары конденсируются в дефлегматоре 3, охлаждаемом водой, и полу­чаемая жидкость разделяется в делителе 4 на дистиллят и флегму, которая направляется на верхнюю тарелку колонны. Следовательно, с помощью дефлегматора в колонне создается нисходящий поток жид­кости.

Жидкость, поступающая на орошение колонны (флегма), представляет собой почти чистый НК. Однако, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, жидкость все более обогащается ВК, конденсирующимся из пара. Когда жидкость достигает нижней тарелки, она становится практически чистым ВК и поступает в кипятильник, обогреваемый глухим паром или другим теплоносителем.

На некотором расстоянии от верха колонны к жидкости из дефлегма­тора присоединяется исходная смесь, которая поступает на так называе­мую питающую тарелку колонны. Для того чтобы уменьшить тепловую нагрузку кипятильника, исходную смесь обычно предваритель­но нагревают в подогревателе 5 до температуры кипения жидкости на питающей тарелке.

Питающая тарелка как бы делит колонну на две части, имеющие раз­личное назначение. В верхней части 1а (от питающей до верхней тарелки) должно быть обеспечено возможно большее укрепление паров, т. е. обо­гащение их НК с тем, чтобы в дефлегматор направлялись пары, близкие по составу к чистому НК. Поэтому данная часть колонны называется укрепляющей. В нижней части 1б (от питающей до нижней та­релки) необходимо в максимальной степени удалить из жидкости НК, т. е. исчерпать жидкость для того, чтобы в кипятильник стекала жидкость, близкая по составу к чистому ВК. Соответственно эта часть колонны называется исчерпывающей.

В дефлегматоре 3 могут быть сконденсированы либо все пары, посту­пающие из колонны, либо только часть их соответствующая количеству возвращаемой в колонну флегмы. В первом случае часть конденсата, остающаяся после отделения флегмы, представляет собой дистиллят (ректификат), или верхний продукт, который после охлаждения в холо­дильнике 6 направляется в сборник дистиллята 9. Во втором случае не­сконденсированные в дефлегматоре пары одновременно конденсируются и охлаждаются в холодильнике 6, который при таком варианте работы служит конденсатором-холодильником дистиллята.

Жидкость, выходящая из низа колонны (близкая по составу ВК) также делится на две части. Одна часть, как указывалось, направляется в кипя­тильник, а другая — остаток (нижний продукт) после охлаждения водой в холодильнике 7 направляется в сборник 8.

На рис. ХII-14 приведена лишь принципиальная схема непрерывно действующей ректификационной установки. Такие установки оснащаются необходимыми контрольно-измерительными и регулирующими прибора­ми, позволяющими автоматизировать их работу и проводить процесс с помощью программного управления в оптимальных условиях. Путем автоматического регулирования сводятся к минимуму колебания коли­чества, состава и температуры исходной смеси, давления и расхода грею­щего пара и расхода охлаждающей воды.

Периодически действующие установки. В производствах небольшого масштаба используются ректификационные установки периодического действия (рис. ХII-15). Исходную смесь загружают в куб 1, снабженный нагревательным устройством. Смесь подогревается до кипения и ее пары поступают под нижнюю тарелку ректификационной колонны 2. Подни­маясь по колонне, пары обогащаются НК, которым обедняется стекаю­щая вниз флегма, поступающая из дефлегматора 3 на верхнюю тарелку колонны. Пары из колонны направляются в дефлегматор 3, где они пол­ностью или частично конденсируются. В случае полной конденсации жид­кость разделяется с помощью делителя 4 на флегму и дистиллят. Конеч­ный продукт (дистиллят) охлаждают в холодильнике 5 и направляют в сборники 6.

После того как достигнут заданный состав остатка в кубе (об этом су­дят по температуре кипения жидкости в нем) остаток сливают, загружают куб исходной смесью и операцию повто­ряют.

Сопоставляя периодически действую­щую колонну (см. рис. ХП-15) с ректи­фикационной колонной непрерывного дей­ствия (см. рис. ХП-14), можно заметить, что первая работает, подобно верхней части непрерывнодействующей колонны, как колонна для укрепления паров, а куб играет роль исчерпывающей части.