4 Процесс ректификации, схема, материальный и тепловой баланса

Сущность процесса ректификации, происходящего в ректификационной колонне, заключается в обмене компонентами между газом, поднимающемся вверх по колонне, и жидкостью (флегмой), стекающей в колонне вниз навстречу газу.

В тарельчатых ректификационных колоннах такой массообмен между газом и жидкостью осуществляются во время барботажа – т.е. прохождения пузырьков и струек газа через слой жидкости на тарелке.

В процессе ректификации происходит частичное испарение низкокипящих компонентов из жидкости и переход их в газовую фазу и частичная конденсация высококипящих компонентов из газа и переход их в жидкую фазу. В процессе такого обмена компонентами поднимающийся вверх газ обогащается низкокипящими компонентами, а стекающая вниз флегма постепенно обогащается высококипящими компонентами.

Ректификационная колонна состоит из трех частей: нижней – отгонной, верхней (укрепляющей) и средней (рисунок 1).

Рисунок 1 – Схема ректификационной колонны

1 – отгонная часть колонны; 2 – питательная часть; 3 – укрепляющая часть; 4 – конденсатор; 5 – насос; 6 – емкость; 7 – кипятильник

В такой колонне можно разделить смесь двух компонентов, имеющих различные температуры кипения, или в случае сложной смеси получить две фракции, имеющих различные интервалы температур кипения.

Исходящая смесь F подается в среднюю (питательную) часть колонны. Пары с верха колонны отводятся в конденсатор, в котором отнимается тепло Q_к и пары подвергаются полной или частичной конденсации. Некоторое количество конденсата возвращается в колонну в качестве орошения О, образуя поток флегмы, необходимой для осуществления в колонне процесса ректификации. Дистиллят D отводится в качестве верхнего целевого продукта колонны. Флегма Р с низа колонны отводится в кипятильник, где за счет подвода тепла Q_кип подвергается частичному испарению, образуя поток паров R, возвращающихся обратно в колонну для осуществления процесса ректификации.

Жидкий остаток из кипятильника W отводится в качестве нижнего целевого продукта.

Материальный баланс ректификационной колонны выражается следующими уравнениями:

Для всей смеси F=W+D (15)

Для низкокипящего компонента в смеси FZ_F=Wх_W+DZ_D, (16)

где Z_F – концентрация низкокипящего компонента в исходной смеси F;

х_W – концентрация низкокипящего компонента в нижнем продукте W;

Z_D - концентрация низкокипящего компонента в дистилляте D.

Тепловой баланс всей колонны равен (17)

где H_F– энтальпия исходной смеси F; H_W – энтальпия нижнего продукта W; H_D – энтальпия дистиллята; Q_K – тепло отнимаемое в конденсаторе; Q_кип – тепло, сообщаемое в кипятильнике.Обозначим (H_W – q_кип) = Θ_W (18)

и (H_D+q_к) = Θ_D (19)

Подставив (18) и (19) в (17) имеем FH_F=WΘ_W+ DΘ_D (20)

Решая совместно уравнения (15) и (16), определим значения W и D. (21)

(22)

Для установления зависимости между содержанием в жидкости данного компонента х и содержанием его в парах y в произвольном сечении I – I укрепляющей части колонны составляем материально – тепловые балансы части колонны выше этого сечения и конденсатора колонны.

Общий материальный баланс (23)

где G – количество поднимающихся паров в данном сечении;

L – количество стекающей флегмы.

Материальный баланс по данному компоненту (24)

Общий тепловой баланс (25)

где H_Gи H_L– энтальпия потоков G и L.

Решая совместно уравнения (24) и (25), получим (26)

Соответственно из уравнений (23) и (25) будем иметь после соответствующих преобразований (27)

(28)

Подставляя выражения (27) и (28) в (26) будем иметь уравнение материального теплового баланса, устанавливающего зависимость между у и х в сечении I – I (29)

- уравнение рабочей линии, укрепляющей часть колонны.

Аналогично, составляя материальные балансы части колонны ниже сечения II – II и кипятильника колонны, найдем зависимость для отгонной секции колонны.

Общий материальный баланс (30)

Материальный баланс по данному компоненту (31)

Общий тепловой баланс по данному компоненту (32)

Решая совместно (30) и (31), получим (33)

Из уравнений (30) и (32) после преобразований будем иметь (34)

(35)

Подставив выражения (34) и (35) в (33) будем иметь (36)

- уравнение рабочей линии для отгонной части колонны.

Соотношение между величинами ив отгонной секции и величинами L и G в укрепляющей секции зависит от состояния исходной смеси, поступающей в колонну. Исходная смесь может подаваться в колонну в виде жидкости при температуре кипения, смеси насыщенных газов и жидкости или насыщенных газов.

Питание колонны переохлажденной жидкостью или перегретыми парами практически стараются не осуществлять.