7.1. Общие сведения о перегонке и ректификации

Перегонка и ректификация широко распространены во многих от­раслях промышленности и применяются для получения разнообразных продуктов в практически чистом виде путем разделения их жидких сме­сей (в производствах! органического синтеза изотопов, полимерных и. полупроводниковых материалов, пищевых продуктов и т. д.), а также для получения чистых газов из сжиженных газовых смесей (кислорода и азота, при разделении воздуха, углеводородных газов и т. д.).

Перегонкой называется процесс частичного испарения разделяемой исходной смеси жидкостей и последующей полной конденсации образу­ющихся паров, осуществляемой однократно или многократно. Составы жидкой и паровой фаз, образующихся при этом, как правило, заметно различаются, но все компоненты исходной смеси оказываются представ­ленными в обеих разделившихся фазах. Поэтому с помощью перегонки нельзя получить (выделить) требуемые компоненты исходного раствора в практически чистом виде.

Получение чистых компонентов может быть осуществлено с помо­щью ректификации – процесса разделения растворов жидкостей на практически чистые компоненты путем испарения за счет возвращения в аппарат части получаемого продукта для осуществления многократ­ного тепломассообмена между парами, движущимися противотоком, и жидкостью.

Состав паров в процессах перегонки и ректификации определяется различной фугитивностью (летучестью) компонентов при одной и той же температуре. Исходя из этого различают низкокипящие (легколету­чие) и высококипящие (труднолетучие) компоненты. Низкокипящий компонент имеет наибольшее давление паров при данной температуре по сравнению с давлением паров любого другого компонента смеси и соответственно наименьшую температуру кипения при одинаковом для всех компонентов давлении. Компонент, обладающий наименьшим дав­лением или наивысшей температурой кипения, называется высококипящим компонентом. Не испарившаяся в результате перегонки или ректи­фикации высококипящая жидкость называется остатком, а низкокипящая жидкость, полученная в результате конденсации паров, – дистил­лятом или ректификатом.

Перегонку можно вести одно- и многократным способами [4]. При однократной перегонке образовавшаяся паровая фаза остается в кон­такте с исходной жидкой фазой до наступления полного равновесия в системе. Многократная перегонка состоит в последовательном повторе­нии конечное число раз однократной перегонки исходной фазы с одно­временным, удалением из системы паровой фазы, образующейся в каж­дом однократном процессе.

Перегонка может осуществляться как непрерывно, так и периодиче­ски. Основными условиями непрерывного процесса являются, постоянст­во во времени составов исходной смеси, в подогревателе и образующих­ся из нее равновесных фаз и неизменность расходов сырой смеси и продуктов перегонки.

Основными элементами перегонных установок являются подогрева­тель (кипятильник) и сепарационное устройство. Разнообразие свойств перегоняемых жидкостей способствовало большому разнообразию аппа­ратов. По технологическим особенностям перегонные аппараты разделяют на емкостные и пленочные. По конструкции они аналогичны вы­парным аппаратам с трубчатыми теплообменниками. Емкостные аппа­раты имеют значительные объемы для перегоняемой жидкости, облада­ют большой инерционностью и поэтому непригодны для переработки термически нестойких (термолабильных) веществ. Такие аппараты при­меняют в установках периодического и непрерывного действия. Пленоч­ные перегонные аппараты, в которых жидкость находится небольшое время, бывают двух типов: с падающей пленкой и роторные (рис. 7.1). В первых жидкость распределяется в виде пленки по стенке внутренней поверхности труб специальными вставками. По направлению относи­тельного движения фаз они делятся на прямоточные и противоточные.

В роторных аппаратах корпус обогревается снаружи рубашкой, а по внутренней его поверхности стекает жидкость, распределяемая по по­верхности вращающимся ротором.

Ректификационные установки, как и перегонные, по принципу дей­ствия разделяются на периодические и непрерывные. В установках пе­риодического действия разделяемую смесь загружают в куб одновре­менно и ректификацию проводят до получения продуктов заданного конечного состава. В установках непрерывного действия разделяемая сырая смесь поступает в колонну и продукты разделения выводятся из лее непрерывно.

Как перегонные, так и ректификационные установки могут приме­няться для разделения бинарных и многокомпонентных смесей.

Рассмотрим принцип работы ректификационной установки для раз­деления бинарной смеси и происходящие в ней процессы тепло- и массообмена (рис. 7.2).

В перегонном кубе 1 за счет подводимой теплоты кипит жидкость. Пары ее поднимаются по колонне // вверх навстречу жидкости, вводи­мой на одну из промежуточных тарелок, из исходного бака и на верх­нюю тарелку из сепаратора IV. Из верхней части колонны богатые низкокипящим компонентом пары выходят в теплообменник-дефлегматор ///, конденсируются, отдавая теплоту охлаждающей воде, и в виде парожидкостной смеси поступают в сепаратор. Из сепаратора часть жид­кости, которая называется флегмой, возвращается в колонну. Другая часть, называемая ректификатором, через холодильник V поступает на склад.

Процессы тепло- и массообмена в ректификационной колонне проис­ходят на тарелках или насадке. Флегма из сепаратора IV в колонне вступает в контакт с парами, образующимися в кубе /. При этом проис­ходит частичная конденсация поднимающихся вверх паров и частичное испарение опускающейся жидкости. Таким образом, в процессе ректификации флегма вступает в тепло- и массообмен с парами. За счет теплоты конденсации паров высококипящего компонента из флегмы испаряется низкокипящий компонент, а сама флегма обогащается высококипящим компо­нентом, пары же, наоборот, подни­маясь, обогащаются низкокипящим компонентом за счет испарений его из флегмы и обедняются высококипящим компонентом. В результате массообмена производится глубокое разделе­ние бинарных и многокомпонентных смесей.

Количество флегмы, кг, приходящейся на 1 кг готового продукта, на­зывается флегмовым числом. Оно мо­жет меняться в зависимости от способа ректификации и интенсивности теп­ло- и массообмена на отдельных та­релках.

Та часть колонны, где вводится сы­рая смесь, называется питательной секцией. Часть колонны, находящаяся выше места ввода сырой смеси, назы­вается укрепляющей секцией (Па), а ниже – исчерпывающей секцией (IIб). В зависимости от назначения колонны могут быть полными, имеющими укрепляющую и исчерпываю­щую секции, или неполными, в которых имеется или только укрепляю­щая, или только исчерпывающая секция. В этом случае исходная смесь в укрепляющей секции вводится под нижнюю тарелку, а в исчерпываю­щей – на верхнюю.

Рис. 7.2. Принципиальная схема ректификационной колонны с мате­риальными потоками для разделения» бинарной смеси

Работа перегонной установки отличается от работы ректификацион­ной принципиально тем, что все образующиеся в верхней части колонны пары направляются в конденсатор V и возврат продукта (флегмы) в колонну отсутствует.

Расчет и конструкции перегонных и ректификационных установок приведены ниже.