3.2.1 Призначення і суть процесу ректифікації

Процес ректифікації служить для розділення суміші рідин, які мають різні температури кипіння, на окремі компоненти. Компонент, який кипить при нижчій температурі, називається низькокиплячим (н.к.к.), а другий, який кипить при вищій температурі, називається висококиплячим (в.к.к.).

Суть ректифікації полягає у багатократному контактуванні нерівноважних парової і рідкої фаз, в результаті якого протікають процеси тепло- та масообміну і система досягає стану рівноваги. При цьому проходить вирівнювання температур і тисків у фазах та перерозподіл компонентів між ними. Процес ректифікації проводиться в колонах, які представляють собою вертикальні циліндричні апарати всередині яких на різних висотах змонтовані пристрої (тарілки або насадки) для контакту парів з рідиною. В залежності від кількості одержуваних продуктів колони є прості і складні. У простих колонах одержують один або два цільових продукти, а в складних – три і більше. В тарільчатих колонах контакт між парою і рідиною проходить при барботажі парів через шар рідини, яка знаходиться на контактному пристрої. В ректифікаційних колонах використовують тарілки різних конструкцій: ковпачкові, клапанні, S-подібні, струйні, провальні, каскадні та інші. В насадочних колонах контакт між фазами проходить на поверхні насадочних тіл, а також у просторі між ними. В якості насадок використовують тверді тіла різної форми (кільця Рашига, Палля, Лессінга, сідла Берлі, сітки, пакети, складчаті кубики), які виготовлені з металу, кераміки, пластмаси.

Прикладом використання процесу ректифікації є: стабілізація конденсату або бензину; розділення суміші компонентів на окремі продукти (блоки ректифікації) на установках піролізу, коксування, каталітичного крекінгу та реформінгу, гідрокрекінгу; розділення суміші вуглеводнів на метан, етан, пропан і бутани на газофракціонуючій установці(ГФУ).

Розглянемо більш детально суть процесу ректифікації. Для розділення на компоненти суміш рідин (сировина) в кількості G складу x_G нагрівається звичайно в теплообміннику Т-1 (рис.3.1) до температури кипіння н.к.к. і у вигляді паро-рідинної суміші вводиться в секцію живлення колони К-1. У момент вводу в колону сировина розділяється на парову у₀ і рідку х₀ фази. Пари в основному складаються з н.к.к., але в них міститься і деяка кількість в.к.к.. У подальшому задача полягає в тому, щоб виділити з парів в.к.к.. Це досягається пропусканням парів через шар рідини на кожній тарілці при проходженні їх вверх колони.

Розглянемо, що проходить на одній із тарілок в колоні (рис.3.2). На тарілці знаходиться рідина, температура якої менше температури парів. Ця рідина складається з в.к.к. і н.к.к.. Пари, які проходять через рідину на тарілці, охолоджуються. При цьому частина в.к.к., який є у парах конденсується і у вигляді рідини залишається на тарілці. Рідина на тарілці нагрівається. Низькокиплячий компонент, який є у рідині на тарілці, випаровується і піднімається вверх. Пари, які залишають тарілку, містять більше н.к.к. порівняно з парами, що піднімаються на тарілку. При проходженні парів через ряд тарілок наступає такий момент, коли практично весь в.к.к. сконденсується і залишиться у вигляді рідини на тарілках, а пари будуть складатися тільки з н.к.к., які відродяться з верху колони у вигляді дистиляту в кількості D, складу . Пари дистиляту конденсуються та охолоджуються в холодильнику-конденсаторі ХК-1 і відокремлюються від повітря в сепараторі С-1. Частина дистиляту в кількості g повертається в колону на першу тарілку в якості гострого зрошення.

Рисунок 3.1 – Схема простої ректифікаційної колони

Вернемося до рідини на тарілці. Після конденсації в.к.к. з парів, концентрація його в рідині зростає. Після того, як рівень рідини на тарілці 5 підніметься на висоту зливної перегородки 7, рідина по склянці 4 зливається на тарілку, яка знаходиться нижче. На ній конденсується нова порція в.к.к. з парів, які проходять через патрубки 3, прорізі в ковпачках 6 і барботують через рідину, що знаходиться на даній тарілці. В результаті цього концентрація в.к.к. в рідині знову зростає. Рідина, яка стікає з тарілки на тарілку, називається зрошенням. По мірі стікання рідини з тарілки на тарілку наступає такий момент, коли уся рідина практично буде складатися з в.к.к., який у вигляді залишку R складу відкачується з низу колони К-1 насосом Н-2. І так, вирішена технологічна задача – суміш(сировина), розділена на компоненти: н.к.к. у вигляді парів дистиляту відведений з верху колони, а в.к.к. у вигляді залишку відведений з низу колони.

1 – корпус колони; 2 – ковпачок; 3 – патрубок для проходження парів; 4 – зливна склянка; 5 – днище тарілки; 6 – прорізи в ковпачках; 7 – зливна перегородка

Рисунок 3.2 – Схема ковпачкової тарілки

Для створення достатньої кількості зрошення, необхідно відводити теплоту з верхньої частини колони, а для створення достатньої кількості парів і забезпечення нормальної роботи колони необхідно підводити теплоту в низ колони.