Ректификация многокомпонентных смесей
Ректификация- процесс разделения компонентов путем многократного контакта потока жидкости и потока пара движущегося противотоком. Извлечение компонента из смеси близких по физико-химическим свойствам веществ методом обычной ректификации невозможно и экономически нецелесообразно, в этом случае пользуются ректификацией в присутствии разделяющего агента и азеотропной ректификации.
Принцип действия и конструкции ректификационных аппаратов применяется для различных вариантов разделения одинакова, имеются лишь отличия в технологических схемах взаимно расположенных и размеров отдельных частей установок. Различие ректификационных аппаратов 4х типов: 1) Тарельчатые 2)Насадочные 3) трубчатые (инжекционные)
4) механические
Трубчатые колонны используют в производстве синтетического каучука. Механические колонны используют редко из за их сложности и наличия движущих частей.
Наиболее простой и распространенный тип установки для разделения смеси из двух веществ приведен на рисунке 6.1. Ректификационная колонна состоит из двух частей - укрепляющей и исчерпывающей. В исчерпывающей части теплообмен может осуществляться с помощью встроенной теплообменной установки в кубе колонны или с помощью выносного кипятильника или если это допустимо по технологическим соображениям подачей в кубовую часть теплоносителя (острого водяного пара). Выносные кипятильники имеют 2 преимущества:
Большая поверхность теплообмена
Возможность чистки без остановки агрегата
В промышленности основного органического синтеза очень часто ректификации подвергают вещества мономеры способные к полимеризации, которые частично оседают на змеевике и выводят его из строя, поэтому используют установки с выносным кипятильником или теплообменником.
Дефлегматор располагается на верху колоны, однако такое расположение во многих случаях нежелательно, так как в этом случае требуется специальные строительные конструкции для его размещения и обслуживания. Если высота колонны значительна, то подача хладагента требует дополнительных насосов. Установка получается сложной и дорогой. В этом случае используют установки с холодным орошением, вместо дефлегматора устанавливают конденсатор, в котором конденсируются все пары поступающие сверху колонны и сборник в который собирают конденсат рис 6.1. часть конденсата выводится в качестве дистиллята, а часть возвращается в качестве флегма в колонну. Конденсатор и сборник могут располагаться на любой высоте. Затраты на перекачку флегмы компенсируют упрощенное строительное решение и сокращение расхода энергии для подачи хладагента. Соотношение между укрепляющей и исчерпывающей частями может быть различной и зависит от 1) Состава разделяющей смеси 2) Задач разделения 3) Агрегатного состояния исходной смеси. Укрепляющая и исчерпывающая части колонны могут различаться как по высоте так и по диаметру, иногда колонна может состоять только из укрепляющей части рис6.2. Или только исчерпывающей рис. 6.3. Такая разбивка позволяет уменьшить высоту колонны, если она слишком велика и имеет большое число тарелок, а также снизить гидравлическое сопротивление. Исчерпывающие и укрепляющие колонны часто применяют в одной установке и соединяют последовательно, образуя, таким образом, полную колонну. Разделение многокомпонентной смеси, возможно, периодическим или непрерывным способом. Для осуществления непрерывной ректификации применяют ряд последовательно соединенных колонн, каждая из которых разделяет поступающий продукт на легколетучий дистиллят и труднолетучий остаток. Если смесь содержит n- компонентов, то требуемое число колонн будет равно n-1.
Различают несколько вариантов разделения многокомпонентных смесей: наиболее часто употребляют 2 крайних варианта рис. 6.15 и 6.16., число промежуточных вариантов возрастает с ростом числа компонентов в разделяемой смеси. Наиболее выгодна вторая схема, так как первая требует наибольших энергетических затрат. Недостаток многоколонных установок-
громоздкость и высокая стоимость, поэтому в ряде случаев для разделения сложных смесей применяют одноколонные установки, сложные колонны рис. 6.4. рис.6.5. и рис.6.6. В этом случае отбор компонентов проводят с определенных тарелок, этот прием используют для разделения смесей мало отличающихся от бинарных, т.е. которые содержат 2 компонента в преимущественных количествах, а остальные в сравнительно небольших. Себестоимость ректификации на 60% зависит от энергетических затрат. Для достижения экономической эффективности используют: 1) Ступенчатый подвод и отвод тепла. 2) Подача питания в виде нескольких потоков различного состава. 3) Применение разрезных колонн в них укрепляющая и исчерпывающая части разделены глухими тарелками в результате пар питания не смешивается с отгонным паром и направляется в дополнительный конденсатор, сконденсированные высококипящие компоненты направляются на ту тарелку укрепляющей части колонны, где имеются пар и жидкость того же состава, подобным же образом работаю разрезные колонны с дополнительным испарителем.
Классификация контактных уст-в ректификационных колонн на рис.6.12.
Методы расчет делят на 3 групп
Основ на выборе ключевых пар компонентов
Основ на расчете состава на все тарелках колоны (по тарельчатый метод)
Смешанный метод , включает фрагменты 1 и 2 ой групп методов
В 1-ой группе система сводится к бинарной результаты расчета не надежны.
Методы второй группы дают хорошее представление о распределении компонентов по высоте колоны и позволяют определить число тарелок с достаточной точностью. Для расчета достаточно задать степень разделения. Эти расчеты громоздки и рассчитываются лишь на ЭВМ.
Смешанные методы сочетают представление о ключевых компонентах, но и учитывается истинные составы на тарелках колонны, а также учитывается влияние компонентов на равновесие ключевых компонентов. Расчеты по объему меньше, но они не дают истинного представления о распределении компонентов по высоте колонны. При расчетах используют потарелочные методы Тиля и Гедеса. Последовательность расчета приведена в бордовом Рейсфельде стр. 391-392.
С большим успехом можно пользоваться смешанным методом Хенгстейбека. Этапы расчета приведены в Рейсфельде стр. 383.
Общие этапы расчетов: все расчеты высоты колонны для многих компонентов (многокомпонентная ректификация) состоит:
Расчет матбаланса
Определение величины минимального и действительного флегмового числа.
3) Аналитическое определение числа теоретических тарелок, с использованием констант фазового равновесия компонентов разделяемой смеси.
Первые два этапа обязательны и идентичны для всех методов. Более подробно расчеты приведены в рейсфельде на стр. 377-397.