§ 13.1. Понятие процесса ректификации
Ректификация — сложный массотеплообменный процесс разделения жидких смесей, состоящих из нескольких взаиморастворимых компонентов. Ректификация основана на многократном частичном испарении жидкости и конденсации ее паров или на однократном испарении смеси с последующей многоступенчатой конденсацией компонентов.
Ректификация — наиболее совершенный и распространенный способ перегонки растворов. Перегонка основана на различной температуре кипения компонентов жидкости. Так, если жидкость является бинарной, то есть состоит из двух компонентов, например бензола с температурой кипения 80° С и толуола с температурой кипения 110° С, то при перегонке этой жидкости пар будет содержать большее количество низкокипящего компонента (бензола). Следовательно, в процессе перегонки жидкая фаза обедняется, а паровая фаза обогащается низкокипящим компонентом (бензолом).
Ректификация позволяет производить глубокое разделение смесей и получать компоненты в чистом виде. Она нашла широкое применение в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, пищевой и других отраслях промышленности.
Ректификация представляет собой процесс многократного частичного испарения жидкости и конденсации паров. При каждом цикле «испарение — конденсация» из жидкости испаряется преимущественно низкокипящий (летучий) компонент, которым обогащаются пары, а из паров конденсируется преимущественно высококипящий компонент (труднолетучий), переходящий в жидкость. Такой процесс обмена компонентами между жидкостью и паром, повторяемый многократно, в конечном счете позволяет получить пары почти чистого низкокипящего компонента. Эти пары после конденсации в отдельном аппарате дают готовый продукт — ректификат. Остаток жидкости после испарения из него низкокипящего компонента представляет собой почти чистый высококипящий компонент.
Ректификация осуществляется в специальных аппаратах — ректификационных колоннах, которые являются основными элементами ректификационных установок.
Ректификационные колонны сложны по устройству, имеют большие габариты, пожаровзрывоопасны. Чтобы правильно оценить их пожаровзрывоопасность и обеспечить противопожарную защиту, следует знать их устройство, понимать суть процессов, в них происходящих.
Сущность процессов перегонки и ректификации рассмотрим на примере разгонки смеси бензол — толуол (с использованием графических зависимостей состава пара и жидкости от температуры кипения раствора): диаграммы t — х, у (температура — состав) и диаграммы у — х (состав пара — состав жидкости).
На рис. 13.1 представлена диаграмма t — х, у для смеси бензол—толуол.
Рис. 13.1. Изобарные кривые кипения и конденсации паров; I—кривая кипения раствора; //—кривая конденсации пара; ха — молекулярная доля легкокипящего компонента (бензола); уа — молекулярная доля легко-кипящего компонента в паровой фазе
Диаграмма имеет две ветви: нижняя представляет линию кипения жидкости, каждая точка которой отвечает температуре кипения смеси состава ха; верхняя — представляет линию конденсации пара, каждая точка которой отвечает температуре конденсации пара состава уа. По оси ординат отложена температура в градусах Цельсия, по оси абсцисс — молекулярная доля бензола (легкокипящего компонента) в растворе ха и молекулярная доля бензола в паровой фазе уа.
При пользовании диаграммой t — х, у на оси абсцисс находят состав жидкой смеси ха и из этой точки проводят вертикаль до пересечения с линией кипения. Точка пересечения указывает температуру кипения этой смеси. Если провести горизонталь до пересечения с линией конденсации, абсцисса точки пересечения укажет состав равновесного пара уа.
Например, пусть жидкость имеет концентрацию бензола 32% мольных (точка N). Процесс нагревания идет по вертикали до пересечения с линией кипения. В точке а жидкость закипит при 98° С. Образующийся равновесный пар будет иметь концентрацию, соответствующую точке б, находящейся на кривой конденсации. Абсцисса этой точки равна 53% мольным. Значит, уа = 53% мольных. Следовательно, при кипении раствора образующийся пар богаче легколетучим компонентом (по сравнению с кипящей жидкостью).
Если получающиеся при кипении пары отбирать и конденсировать, можно достигнуть частичного разделения раствора. Такое разделение растворов называют простой перегонкой.
Если получающийся при кипении пар частично сконденсировать, жидкость, получающаяся при конденсации, и оставшийся не-сконденсированным пар будут иметь разный состав. Пар будет содержать больше легкокипящего компонента, чем конденсат. Следовательно, при частичной конденсации происходит обогащение оставшегося (несконденсированного) пара легколетучим компонентом.
Допустим, исходный пар (см. рис. 13.1) имеет концентрацию бензола 53% мольных (точка б на кривой II). Охладим его" до 94°С (точка в). При этом часть пара сконденсируется; получится дистиллят, концентрация которого будет равна 43% мольным (точка д на кривой I). Оставшийся пар будет иметь концентрацию бензола 65% мольных (точка г на кривой II). Этот процесс, называемый перегонкой с дефлегмацией пара, также позволяет достигнуть частичного разделения растворов
Рис. 13.2. Кривые равновесия фаз (p2>р1): ха — молекулярная доля легкокипящего компонента в растворе;
уа — молекулярная доля легкокипящего компонента в паровой фазе
При расчетах процессов ректификации обычно используют кривые фазового равновесия в виде диаграмм у — х (состав пара — состав жидкости). На рис. 13.2 представлена диаграмма у — х для жидкостей, растворимых в любых отношениях (типа бензол — толуол). По оси ординат откладывают мольную концентрацию легколетучего компонента в паре, по оси абсцисс — мольную концентрацию легколетучего компонента в жидкости. Диаграмму у—х можно построить, используя диаграмму t—x, у. Для ряда значений концентраций ха находят соответствующие равновесные значения концентраций уа (необходимо из точки на абсциссе, соответствующей ха, по вертикали подняться до пересечения с кривой кипения I; по горизонтали следует дойти до кривой конденсации II, а затем опуститься по вертикали до оси абсцисс и прочитать значение уа). Полученные точки наносят на диаграмму у—х и соединяют плавной кривой.
Применительно к идеальным растворам (подчиняющимся закону Рауля) кривые фазового равновесия можно построить на основе расчета. Для каждой температуры кипения раствора определяют молекулярную концентрацию легкокипящего компонента в растворе по уравнению
, (13.1)
где ра и рб — давление насыщенного пара компонентов а и б над чистой жидкостью;
рОбщ — общее давление пара над раствором, равное сумме парциальных давлений его компонентов.
По значению ха определяют парциальное давление легкокипящего компонента в паре:
p’а=pаxа. (13.2)
По величине парциального давления находят молекулярную концентрацию легкокипящего компонента в паре:
. (13.3)
Найденные значения ха и уа наносят на график диаграммы у—х и получают плавную кривую.
При расчетах процессов ректификации обычно используют диаграммы у—х, соответствующие атмосферному давлению. При других давлениях каждому значению давления соответствует своя кривая равновесия.
- Пожарная безопасность
- § 1.1. Аппараты с неподвижным уровнем жидкости
- § 1.2. Аппараты с подвижным уровнем жидкости
- § 1.3. Аппараты с газом
- § 1.4. Аппараты с пылями, порошками и волокнами
- Глава 2. Выход горючих веществ наружу из нормально действующих аппаратов
- § 2.1. Аппараты с открытой поверхностью испарения
- § 2.2. Аппараты с дыхательными устройствами
- § 2.3. Аппараты периодического действия
- § 2.4. Выход пыли в помещение
- Глава 3. Выход горючих веществ наружу из поврежденного технологического оборудования
- § 3.1. Характеристика аварийной ситуации
- § 3.2. Локальное и полное повреждение аппаратов
- § 3.3. Ограничение утечек горючих веществ
- § 3.4. Образование взрывоопасной смеси в помещении и на открытой площадке
- Глава 4. Причины повреждения технологического оборудования
- § 4.1. Основы прочности и классификация причин повреждения оборудования
- § 4.2. Повреждения технологического оборудования в результате механических воздействий
- § 4.3. Повреждения технологического оборудования в результате температурного воздействия
- § 4.4. Повреждения технологического оборудования в результате химического воздействия
- Защита от коррозии
- Глава 5. Производственные источники зажигания
- § 5.1. Понятие источника зажигания
- § 5.2. Открытый огонь, раскаленные продукты горения и нагретые ими поверхности — производственные источники зажигания
- § 5.3. Тепловое проявление механической энергии как производственный источник зажигания
- § 5.4. Тепловое проявление химических реакций — производственный источник зажигания
- § 5.5. Тепловое проявление электрической энергии — производственный источник зажигания
- Глава 6. Подготовка оборудования к ремонтным огневым работам
- § 6.1. Использование естественной вентиляции оборудования перед проведением ремонтных огневых работ
- § 6.2. Использование принудительной вентиляции оборудования перед проведением ремонтных огневых работ
- § 6.3. Пропаривание аппаратов перед проведением ремонтных огневых работ
- § 6.4. Промывка аппаратов водой и моющими растворами перед проведением ремонтных огневых работ
- § 6.5. Флегматизация среды в аппаратах инертными газами — способ подготовки их к проведению ремонтных огневых работ
- § 6.6. Заполнение аппаратов пеной при проведении ремонтных огневых работ
- § 6.7. Организация ремонтных огневых работ
- Раздел второй. Предотвращение распространения пожара
- Глава 7. Ограничение количества горючих веществ и материалов, обращающихся в технологическом процессе
- § 7.1. Выбор технологической схемы производства
- § 7.2. Режим эксплуатации технологического процесса производства
- Производства,их удаление
- § 7.4. Замена горючих веществ, обращающихся в производстве, негорючими
- § 7.5. Аварийный слив жидкостей
- § 7.6. Аварийный выпуск горючих паров и газов
- Глава 8. Огнезадерживающие устройства на производственных коммуникациях
- § 8.1. Сухие огнепреградители
- Расчет огнепреградителя по методу я. Б. Зельдовича
- § 8.2. Жидкостные огнепреградители (гидрозатворы)
- § 8.3. Затворы из твердых измельченных материалов
- § 8.4. Автоматические заслонки и задвижки
- § 8.5. Защита трубопроводов от горючих отложений
- § 8.6. Изоляция производственных помещений от траншей и лотков с трубопроводами
- Глава 9. Защита технологического оборудования и людей от воздействия опасных факторов пожара
- § 9.1. Опасные факторы пожара
- § 9.2. Защита людей и технологического оборудования от теплового воздействия пожара
- § 9.3. Защита технологического оборудования от разрушений при взрыве
- § 9.4. Защита людей и технологического оборудования от агрессивных сред
- Пожарная профилактика основных
- § 10.2. Пожарная профилактика процессов измельчения твердых веществ
- § 10.3. Пожарная профилактика процессов механической обработки древесины и пластмасс
- § 10.4. Замена л вж и гж пожаробезопасными моющими средствами в технологических процессах обезжиривания и очистки поверхностей
- Глава 11. Пожарная профилактика средств транспортировки и хранения веществ и материалов
- § 11.1. Пожарная профилактика средств перемещения горючих жидкостей
- § 11.2. Пожарная профилактика средств перемещения и сжатия газов
- § 11.3. Пожарная профилактика средств перемещения твердых веществ
- § 11.4. Пожарная профилактика технологических трубопроводов
- § 11.5. Пожарная профилактика хранения горючих веществ
- Глава 12. Пожарная профилактика процессов нагревания и охлаждения веществ и материалов
- § 12.1. Пожарная профилактика процесса нагревания водяным паром
- § 12.2. Пожарная профилактика процесса нагревания горючих веществ пламенем и топочными газами
- § 12.3. Пожарная профилактика теплопроизводящих установок, используемых в сельском хозяйстве
- § 12.4. Пожарная профилактика процесса нагревания высокотемпературными теплоносителями
- Глава 13. Пожарная профилактика процесса ректификации
- § 13.1. Понятие процесса ректификации
- § 13.2 Ректификационные колонны: их устройство и работа
- § 13.3. Принципиальная схема непрерывно действующей ректификационной установки
- § 13.4. Особенности пожарной опасности процесса ректификации
- § 13.5. Пожарная профилактика процесса ректификации
- Пожаротушение и аварийное охлаждение ректификационной установки
- Глава 14. Пожарная профилактика процессов сорбции и рекуперации
- § 14.1. Пожарная опасность процесса абсорбции
- § 14.2. Пожарная профилактика процессов адсорбции и рекуперации
- Возможные пути распространения пожара
- Глава 15. Пожарная профилактика процессов окраски и сушки веществ и материалов
- § 15.1. Пожарная опасность и профилактика процесса окраски
- Окраска окунанием и обливанием
- Окраска в электрическом поле высокого напряжения
- § 15.2. Пожарная опасность и профилактика процессов сушки
- Глава 16. Пожарная профилактика процессов, протекающих в химических реакторах
- § 16.1. Назначение и классификация химических реакторов
- § 5. По конструктивному оформлению теплообменных устройств
- § 16.2. Пожарная опасность и противопожарная защита химических реакторов
- Глава 17. Пожарная профилактика экзотермических и эндотермических химических процессов
- § 17.1. Пожарная профилактика экзотермических процессов
- Процессы полимеризации и поликонденсации
- § 17.2. Пожарная профилактика эндотермических процессов
- Дегидрирование
- Пиролиз углеводородов
- Глава 18. Изучение технологических процессов
- §18.1. Информация о технологии производств, необходимая работнику пожарной охраны
- § 18.2. Источники информации о технологических процессах производств
- § 18.3. Методы изучения технологии производств
- Глава 19. Исследование и оценка пожаровзрывоопасности технологических процессов производств
- § 19.1. Категории пожаровзрывоопасности производств согласно требованиям сНиПов
- § 19.2. Соответствие технологии производств системе стандартов безопасности труда
- § 19.3. Разработка пожарно-технической карты
- Глава 20. Пожарно-техническая экспертиза технологических процессов на стадии проектирования производств
- § 20.1. Особенности пожарного надзора на стадии проектирования технологических процессов производств
- § 20.2. Использование норм проектирования по обеспечению пожарной безопасности технологических процессов производств
- § 20.3. Задачи и методика пожарно-технической экспертизы проектных материалов
- § 20.4. Основные решения пожарной безопасности, разрабатываемые на стадии проектирования производств
- Глава 21. Пожарно-техническое обследование технологических процессов действующих производств
- § 21.1. Задачи и организация пожарно-технического обследования
- § 21.2. Бригадный метод пожарно-технического обследования
- § 21.3. Комплексное пожарно-техническое обследование предприятий отрасли
- §21.4. Нормативно-технические документы пожарно-технического обследования
- § 21.5. Пожарно-техническая анкета как методический документ обследования
- § 21.6. Взаимодействие госпожнадзора с другими надзорными органами
- Глава 22. Обучение рабочих и инженерно-технических работников основам пожарной безопасности технологических процессов производств
- § 22.1. Организация и формы обучения
- § 22.2. Учебные программы
- § 22.3. Методика и технические средства обучения
- § 22.4. Программированное обучение
- Литература
- Оглавление