ГЛАВА 15. ПЕРЕГОНКА И РЕКТИФИКАЦИЯ

Общие сведения

Разделение жидких однородных смесей (растворов), состоящих из двух или большего числа летучих компонентов, производится пе^: регонкой или ректификацией. Если исходную смесь, состоящую из жидкостей с различными температурами кипения, частично испа­рять, а затем образовавшиеся пары конденсировать, то полученная жидкость будет отличаться по составу более высоким содержанием легколетучего, или низкокипящего, компонента (НК). В остав­шейся исходной смеси содержится большее количество труднолету­чего, или вьгсококилящего,' компонента (ВК). Эта жидкость назы­вается остатком, а жидкость, полученная в результате конденса­ции паров, — дистиллатом или ректификатом.

Если в простейшем случае исходная смесь состоит только из
двух компонентов, то разделение происходит тем полнее, чем боль­
ше различия в упругости паров этих компонентов, т. е. их летуче­
сти. При этом после разделения в дистиллате содержится больше
низкокипящего компонента, а в остатке — больше высококипящего
компонента.                                                                           /

Применяют два¹ способа разделения смесей — простую перегон­ку и ректификацию. Простая перегонка представляет собой процесс однократного частичного испарения жидкой смеси и конденсации образующихся паров. Этот способ разделения компонентов приме­ним в случае, когда не требуется полного разделения и когда лету­чести компонентов существенно отличаются между, собой. Простую перегонку применяют или для грубого разделения смесей, или для предварительной очистки продуктов от нежелательных примесей. Существует несколько вариантов простой перегонки, которые будут рассмотрены ниже.

Ректификация — процесс, при котором испарение исходной сме­си и конденсация образующихся паров производятся многократно в колонных аппаратах, называемых ректификационными колонна­ми.. При каждом контакте жидкости и пара из жидкости испаряет-

6*                                                                                                                                      163

ся преимущественно, легколетучнй компонент, а из паровой фазы конденсируется в основном высококипящий компонент. В' резуль­тате такого взаимодействия пары, поднимающиеся по колонне, обо­гащаются низкбкипящим компонентом, а стекающая жидкость — высококипящим' компонентом. Пары, которые отводятся из верхней части колонны и конденсируются,'состоят в основном из НК и на­зываются дистиллатом. Жидкость, удаляемая из нижней части ко­лонны, по составу близка к чистому ВК и называется кубовым ос* татком. Для создания хорошего контакта между паровой и жидкой фазами колонну орошают частично возвращаемым дистиллатом — .флегмой. Ректификация обеспечивает более полное по сравнению с простой перегонкой разделение, дает более чистые конечные про­дукты, но требует больших затрат труда и энергии.

Способ разделения смеси на компоненты путем ректификации является основным технологическим приемом при переработке нефтепродуктов, в производстве спирта, при получении душистых веществ. Существует несколько модификаций этого способа. Про­цессы перегонки осуществляются главным образом, как периодиче­ские, тогда как ректификация, особенно.для крупнотоннажных про­изводств, в основном проводится по непрерывно действующей Схеме.

Все жидкие двухкомпонентные. смеси в зависимости от степени их взаимной растворимо.сти подразделяются на жидкости, взаимо­растворимые в любых отношениях; жидкости, частично раствори­мые друг в.друге; жидкости взаимонерастворимые. Жидкости пер­вой и наиболее важной группы в свою очередь подразделяются на смеси, у которых состав паров, поднимающихся над жидкостью, отличается от-состава-исходной жидкой смеси более высоким со­держанием низкокипящего компонента на всем интервале концен­траций; смеси, у которых только при некотором определенном со­ставе жидкости пар содержит больше легколетучего компонента, чем исходная жидкость.

При рассмотрении процессов перегонки и ректификации состав фаз — жидкой и паровой —выражают в молярных процентах (мол. %.) или мольных долях легколетучего компонента в смеси. Для перевода массовых процентов, в которых обычно заданы соста­вы разделяемых смесей, в молярные проценты или мольные доли используют уравнения (13.1) и (13.2), рассмотренные в гл. .13.

. Для выражения состава жидкой и паровой фаз двухтсомпонент-ной смеси удобно пользоваться диаграммой равновесия (рис. 147). На этой,диаграмме по оси абсцисс от 0 до 1 отложен состав жид­кости в долях моля легколетучего компонента А. Равновесный сое-тав паров откладывается от 0 до 1 по оси ординат также в мольных долях. Диаграмма равновесия для смесей иа двух жидкостей, у ко­торых пар содержит больше низкокипящего компонента, чем. жид­кость на всем интервале концентраций, представляет собой-кривую, расположенную выше диагонали. Такие смеси подчиняются закону Рауля: парциальное давление любого компонента в парах над смесью р_к равно упругости насыщенного пара этого компонента р_в

164

при данной температуре, умноженной на его мольную долю в жид­кости X :

•Лс=РнА^г.

(15.1)

Закону Рауля подчиняются смесь бензол — толуол, смеси угле­водородов и многие другие. Однако далеко не все полностью взаи­морастворимые жидкости "подчиняются закону Рауля и имеют со-

ц % 100 «О § 60 1ч ».- ■*

^

-,1

«3 1

20

О .20 40 60 SO tOO X     L

110 X

 

		! / '			; .,
		' ]. .
		' И	"V
			\/.+-г
			\ ■ ■
	V i/i
	/! / 1		' ' ' :! !
	/\    \		I i i i
	г 1 . !		L I : i

Содержите легколетуче?* б жидкости

Рис. 147. Кривая зависимости соста­ва жидкости и пара иад ней (кривая равновесия)

Рис. 14&. Кривая ■ равновесия для смесей, имеющих азеотропную точку

держание легколетучего компонента в парах у выше на всем интер­вале концентраций X . Так, смеси этилового спирта с водой, этило­вого спирта с бензолом и ряд других имеют кривые равновесия, подобные изображенным на рис. 148.

Кривые равновесия таких смесей расположены выше диагона­ли только на интервале 0—Xi л пересекают диагональ в точке А с абсциссой X = Yi . В этой точке состав пара Y \ равен составу жид­кости Х'и поэтому при испарении жидкости и последующей конден­сации не происходит обогащения паровой фазы низкокипящим ком­понентом. Точка А пересечения кривой равновесия с Диагональю на­зывается азеотропной точкой.

Смеси, которые имеют азеотропную точку, могут быть подверг­нуты разделению обычными методами ректификации только в пределах изменения концентрации НК в жидкости от 0 до Х\, т. е. толбко на том интервале кривой, где при испарении жидкости про­исходит обогащение паровой фазы низкокипящим компонентом. '

Жидкости,'частично растворимые друг в друге, встречаются значительно реже. Для разделения таких жидкостей методы пере­гонки или ректификации практически не применяются.

Во взаимонерастворимых жидкостях каждый из компонентов полностью сохраняет свои свойства. Такая смесь может быть лег-

6*.—2063

165

ко разделена на составные части механическим путем, с помощью отстаивания. Примером служит разделение смеси масла с водой, ■анилина с водой и пр. В смеси, состоящей из взаимонераствори­мых компонентов, парциальное давление каждого компонента не зависит от его содержания в смеси и равно давлению насыщенных паров этого компонента., Это свойство используется при перегонке (очистке) высококипящих жидкостей, взаимонерастворимых друг в друге, например при очистке анилина, нитробензола при их пере­гонке с водяным паром. Расход водяного пара на перегонку 1 кг вещества составляет

О_в = Р_вМ_в/Р_АМ_А!Р,                               (15.2)

где Р_в, Ра —упругости насыщенных паров воды и перегоняемого вещества; М_в, М_А— молекулярные массы воды и перегоняемого вещества; ф<1 — степень насыщения паров воды парами данного вещества. Этим уравнением пользуются для определения необходи­мого количества водяного пара на перегонку,

Простая перегонка

Простая перегонка проводится на установке (рис. 149), состоя-. щей из перегонного куба / с подогревателем-рубашкой, поверхност- . лого конденсатора 2 и приемников 3, 4, 5. Исходную смесь загру-

Рис. 149. Установка для простой         Рис. 150. Установка для перегон-
перегонки:. ^                        ки с дефлегмацией:

J — перегонный куб. 2 — конденсатор, / — перегениый куб. 2 — дефлегматор,

3, 4, 5 —приемные емкоогн             3 — х»л»дильник, 4, 5, .6 — приемные
'                                    '.        емкости

жают в куб /, который обогревается паром или другим теплоноси­телем'в зависимости от требуемой температуры. Исходная смесь в кубе кипит, пары поступают в охлаждаемый водой конденсатор 2._#Дистиллат из конденсатора поступает в приемники 3, 4, 5.

В начале перегонки получаемый дистиллат преимущественно состоит из легколетучего компонента и собирается в приемник 3. Постепенно количество легколетучего компонента в кубе умень­шается, вследствие чего состав дистиллата по легколетучему ком­поненту также обедняется⁴. Поэтому последущие фракции собира­ются отдельно в сборники 4 и 5. По окончании процесса перегонки

166

в кубе остается кубовый остаток, который спускается в располо­женную ниже емкость через нижний спуск .или передавливается в приемную емкость сжатым газом..

Рассмотренная схема разделения веществ может быть примене­на в том случае, когда температуры кипения компонентов значи­тельно отличаются, а также когда не требуется высокой чистоты получаемых фракций.

В некоторых случаях простая перегонка может проводиться
при пониженном давлении — под вакуумом. При понижении давле­
ния понижается температура кипения растворов. Это свойство
очень часто используют при разделении смесей нестойких, легко
разлагающихся соединений, проводя процесс перегонки при пони­
женном давлении. Для создания вакуума в перегонном аппарате
к приемникам дистиллата через специальные ловушки подключа­
ют вакуум-насос.                      -                  -

Для лучшего разделения смесей при перегонке применяют схе­му простой перегонки с дефлегмацией (рис. 150). Исходную смесь загружают в куб 1, на котором имеется дефлегматор 2. Как и в предыдущей схеме, конденсация паров происходит в. холодильнике 3, откуда дистиллат поступает в приемные емкости 4, 5, 6. Дефлег­матор 2 представляет собой холодильник, в межтрубное пространст­во- которого для охлаждения выходящих из куба паров подается вода.-Регулируя расход охлаждающей воды, .можно изменять ко­личество конденсирующихся в дефлегматоре паров, возвращаемых обратно в куб. В дефлегматоре проводится лишь частичная кон­денсация паров. В дефлегматоре 2 конденсируются преимуществен­но пары высококипящего компонента и низкокипящий компонент выходит из дефлегматора в парообразном состоянии, поступая в конденсатор 3. Состав выходящих из дефлегматора паров отлича­ется от состава входящих в него паров более высоким содержани-' ем легколетучего компонента.

Таким образом достигается повышение качества дистиллата, выходящего из холодильника 3 и поступающего в приемные емкос­ти 4, 5, 6. Однако при этом производительность установки снижа­ется, так как часть конденсата, состоящего преимущественно из высококипящего компонента, возвращается из дефлегматора в пе-регениый куб. Перегонку с дефлегмацией проводят как при атмос­ферном давлении, так и под вакуумом. .

Простая перегонка с водяным паром применяется главным об­разом для очистки не смешивающихся с водой высококипящих жидкостей (например, анилина, нитробензола и др.). Установка (рис. 151) состоит из куба 2, снабженного рубашкой / для обогре­ва, барботера 3 для подачи пара, конденсатора 4,' отстойника 5 и приемных емкостей 6 и 7. Продукт, подлежащий перегонке, за­гружают в куб 2, нагревают, а затем через барбртер 3 подают во­дяной пар. Перегонка происходит при температуре более низкой, чем температура кипения воды. Пар играет двоякую роль: он слу^ жит, во-первых, теплоносителем, поддерживающим тепловой ба­ланс исходных компонентов в кубе, и, во-вторых, агентом, снижа-

■ ₆**

167

ющим температуру кипения. Пары из куба поступают в конденса­тор 4, вода и продукт разделяются в отстойнике 5 и подаются в емкости 6 и 7.

Кроме перегонки в токе водяного пара (М_в=18) в некоторых случаях используют инертные газы — азот (/14^2=28), углекислый газ (Мсо2=44). Однако даже теоретический расход газов на пе­регонку, обладающих значительно большей молекулярной массой, сильно возрастает по сравне^: нию с водяным паром, как вид­но из уравнения (15.2). Кроме того,.конденсация паров пере­гоняемого вещества, распреде­ленных в большом объеме инертного газа, сопряжена с

 

Исходник продукт			t	Ш	Уводи
Перегретый
пар ,
Л	\,3				~~V5
,/			Вот

Начальная смесь

 

Греющий пар

Продукт

.Остаток

1ХШГ

Рис. 151. Установка дли перегон­ки с водяным паром:

/ — рубашка, 2 — куб, 3 — паровой бар-

ботер, 4 — конденсатор, 5 — отстойник,

6, 7 — приемные емкости

Рис. 152. Схема периодически действую­щей ректификационной установки:

> — куб, 2 — ректификационная колонна, 3 — дефлегматор, 4— холодильник, *—смотровой фонарь, 6 — приемник днстилдата

большими трудностями. ^Возможны туманообразование, неполнота конденсации и пр. В силу этих обстоятельств такие теплоносители применяют для целей перегонки значительно реже.

Ректификация

Ректификацией называется процесс многократного испарения и конденсации паров, проводимый в ректификационных установ­ках периодического или непрерывного действия с целью полного разделения компонентов смеси.

' Ректификационная установка периодического действия для разделения двухкомпонентной смеси (рис. 152) состоит из куба' 1, снабженного подогревателем, ректификационной колонны 2, деф-лсгм'атора 3, холодильника 4, смотрового фонаря 5 и сборника дистиллата 6. Исходная смесь загружается в куб /, нагревается до температуры кипения и отгоняется. Образующиеся пары посту­пают в нижнюю часть колонны 2. В колонне расположены контакт­ные устройства, с помощью которых поднимающийся- пар входит в соприкосновение с флегмой, получаемой в дефлегматоре 3. Паро­вая и жидкая фазы взаимодействуют следующим образом. Пары

168

высококипящего компонента смеси частично конденсируются, и теплота, выделяющаяся при их конденсации, расходуется на испа­рение части легкокипящего компонента-из стекающей вниз флегмы. Этот процесс в колонне повторяется многократно на каждой тарел­ке по мере того, как пары подним-аются вверх по колонне.

В результате взаимодействия пары, поднимающиеся из верхней части колонны, значительно обогащаются легколетучим компонен­том. Эти пары поступают далее в дефлегматор, где конденсиру­ются за счет охлаждения водой. Поток полученной жидкости де­лится на две части: одна часть возвращается в виде флегмы об­ратно в колонну для орошения, а вторая поступает на охлаждение в холодильник 4. Далее эта часть проходит смотровой фонарь 5 и поступает в приемную емкость 6 как дистиллат, состоящий пре­имущественно из легколетучего компонента. Флегма, стекающая в нижнюю часть колонны и содержащая в основном высококипя-щий компонент, через сифон возвращается в куб колонны. Таким образом, в результате процесса ректификации получают довольно полное разделение компонентов смеси: легколетучий компонент собирается в емкости 6 в виде дистиллата, а высококипящий ком­понент— в кубе / в виде кубового остатка.

В некоторых-случаях в дефлегматоре проводят только частич­ную конденсацию паров, возвращаемых в колонну в виде флегмы.. Несконденсированные пары поступают в холодильник 4, в котором сначала проводится их конденсация, а потом охлаждение получа­емого дистиллата до заданной температуры.

Отношение количеств возвращаемой в колонну флегмы к коли­честву получаемого дистиллата называется флегмовым числом, обозначаемым обычно R . Если флегмовое число R в течение про­цесса перегонки сохраняется постоянным, то количество НК в дис-тйллате по мере исчерпания состава кубовой жидкости легколету­чим компонентом уменьшается. В этом случае дистиллат по ходу процесса собирают отдельными порциями в несколько емкостей- с постепенно ухудшающимся составом.

' Однако заданный состав дистиллата можно поддерживать пос­тоянным. Для этого необходимо увеличивать флегмовое число по мере исчерпания НК в кубовом остатке. При таком ведении про­цесса количество получаемого дистиллата по мере исчерпания их в кубе> будет уменьшаться.

Периодически действующие ректификационные установки при­меняют главным образом в тех случаях,, когда производительность по разделяемым продуктам невелика. В тех случаях, когда необхо­димо разделение больших количеств продуктов, применяют непре­рывно действующие ректификационные установки. На рис. 153 представлена схема ректификационной непрерывно действующей установки для разделения бинарной смеси. Исходная двухкомпо-нентная смесь из емкости^ насосом / через измеритель расхода 3 подается в подогреватель 4. Здесь исходная смесь нагревается до температуры кипения и подается в среднюю часть непрерывно действующей ректификационной колонны 5; имеющей контактные

169

массообменные устройства для взаимодействия пара и стекающей жидкости. Часть колонны выше точки ввода исходной смеси назы­вается укрепляющей частью, нижняя — исчерпывающей. (В нефте­перерабатывающей промышленности верхняя — укрепляющая — часть колонны иногда называется концентрационной, а нижняя — отгонной или эвапорационной).

КдвоЗся-жидкость *Т Ректификат 10

13 12 11

Рис. 153. Схема непрерывно действующей ректификационной

установки: / — насос, 2 — емкость исходной смеси, 3 —измеритель расхода, 4 — по­догреватель, 5 — ректификационная колонна, 6 — дефлегматор, 7 —де­литель' флегмы, 8, 12 — холодильники, 9 — измеритель состава. 10 — ем­кость днстиллата, // — емкость кубовой жидкости, 13 — делитель ку­бовой жидкости, 14 — кипятильник

Пары, поднимающиеся по .колонне, взаимодействуют со стека­ющей флегмой и постепенно обогащаются легколетучим компонен­том. Из верхней части колонны пары поступают в дефлегматор. 6, конденсируются и разделяются на два потока в делителе флегмьг 7. Одна часть возвращается в колонну на орошение в виде флег­мы, другая поступает в холодильник 8 для охлаждения. Пройдя измеритель состава 9, дистиллат собирается в емкость 10, К ниж­ней части колонны присоединен кипятильник 14. В делителе 13 по­ток поступающей из нижней части колонны жидкости разделяется на кубовый остаток, который отводится через холодильник 12 в приемник 11, и часть, которая в виде пара возвращается в колон­ну через кипятильник 14.

Пар в колонне непрерывно подается снизу BBepx_sа жидкость (флегма) стекает сверху вниз. Взаимодействие пара и жидкости на контактных устройствах, сопровождающееся тепло- и массооб-менными процессами, приводит к разделению бинарной смеси на два компонента. Пар обогащается легколетучим компонентом, а в жидкости увеличивается содержание высоко кипящего компонента. Температура уменьшается по высоте колонны от нижней части к верхней. Пары, выходящие из верхней части колонны, представля-. ют собой легколетучий компонент, а кубовая жидкость в .нижней части колонны — аысококипящий компонент.

170

• Точку ввода исходной смеси выбирают так, чтобы состав ис­ходной смеси соответствовал составу жидкости на данной тарелке {контактном устройстве). В ректификационной колонне происходит непрерывное и достаточно полное разделение исходной смеси на дистиллат и кубовый остаток. Дистиллат представляет собой почти чистый легколетучий компонент, а кубовый остаток содер-жит вы-сококипящий труднолетучий компонент.

Ректификационные установки непрерывного и периодического действия работают как под давлением, близким к атмосферному, так и под вакуумом. В последнем случае к приемным " емкостям дистиллата через ловушки присоединяют вакуум-насосы. При рек­тификации под вакуумом снижаются температуры кипения жидкос­тей, вследствие чего замедляется их разложение. Кроме того, в этом случае достигается более полное разделение смеси из-за уве­личения разницы упругости паров компонентов.

Основные параметры ректификационных установок — произво­дительность, качество получаемого дистиллата, расход греющего пара, флегмовое число и высота колонны. Эти величины связаны между собой. Увеличение числа взаимодействий (числа тарелок) между поднимающимся паром гг стекающей флегмой улучшает сте­пень разделения, но увеличивает высоту колонного аппарата. Уве­личение потока флегмы уменьшает производительность колонны (количество получаемого дистиллата), но одновременно улучшает условия массообмена на контактных устройствах, что в конечном счете улучшает состав дистиллата. "В то же время увеличение флег-мового числа (количества-возвращаемой жидкости) требует уве­личения расхода пара в кипятильнике колонны. Влияние этих пара­метров на конечный результат учитывается при проектировании и эксплуатации ректификационных установок.

Количество теплоты, необходимое для нагрева исходной смеси и кипения кубового остатка, рассчитывают из уравнения теплового баланса. Тепловой баланс ректификационной колонны непрерывно­го действия складывается из следующих показателей:

Приход теплоты                                    Расход теплоты

С исходной смесью Q ?                         С парами, -поступающими из

колонны в дефлегматор,

--.                                                                                     Vnap                                                            -  ■     .

С теплоносителем в кипятиль-  ' С кубовым остатком Q»

нике-<2ки11
С флегмой <2ф ■                                Потери тейлоты в окружаю-

щую среду Q_n0T

Уравнение теплового баланса записывают из условия равенства прихода и расхода теплоты:

Q_P+Q_K«n+Qi,=Q_nap+Q_w+Q»or-   '  (15.3)

Подставляя развернутые значения отдельных величин, решают это уравнение относительно Qram и находят расход греющего пара в кипятильнике колонны.

171

Расход греющего пара в подогревателе и охлаждающей воды в дефлегматоре и холодильнике определяют лз уравнений тепловых балансов этих аппаратов.

⇐ Предыдущая28293031323334353637Следующая ⇒

Поделиться: