Простая перегонка (дистилляция) и ректификация

Перегонка–метод разделения гомогенных жидких смесей,состоящих издвух или большего числа компонентов, путем частичного испарения разделяемой смеси с последующей конденсацией образующихся паров, осуществляемый однократно или многократно.

Кубовый остаток–неиспарившаяся жидкость,обогащеннаятруднолетучими (высококипящими) компонентами.

Дистиллят (ректификат)–отгонная фракция,полученная конденсациейпаров и обогащенная легколетучими (низкокипящими) компонентами.

Классификация процессов перегонки.

I. В зависимости от степени обогащения паровой фазы легколетучими компонентами.

1. Простая перегонка (дистилляция):

а) однократная перегонка (из исходной смеси отгоняется одна фракция); б) фракционная перегонка (отгоняется несколько фракций);

в) перегонка с дефлегмацией (позволяет повысить степень разделения компонентов);

г) перегонка с водяным паром или инертным газом (используется при необходимости снижения температуры процесса);

д) молекулярная дистилляция (используется для разделения высокомолекулярных органических веществ, имеющих высокие температуры кипения и не обладающих термической стойкостью).

Ректификация.

По принципу организации.

1. Периодические (фракционная перегонка, перегонка с дефлегмацией, перегонка с водяным паром или инертным газом, периодическая ректификация).

2. Непрерывные (однократная перегонка, непрерывная ректификация).

Простая перегонка (дистилляция)-процесс частичного испарения жидкой фазы с последующей конденсацией образующихся паров осуществляемый однократно.

Установка для перегонкисостоит из обогреваемой емкости(куба),конденсатора и одной или нескольких емкостей для дистиллята (соответственно при простой или фракционной перегонке).

Технологическая схема простой перегонки показана на рис. 2.8. В дистилляционный куб 1, снабженный змеевиком, заливается исходная бинарная смесь в количестве L_Н молей с начальной концентрацией НК х_Н при температуре t₀. Теплота Q подводится через змеевик. В результате жидкость нагревается до начальной температуры кипения, а затем происходит её частичное испарение с понижением концентрации НК и повышением температуры кипения.

Рис. 2.8. Схема простой перегонки:

1 – дистилляционный куб, 2 – конденсатор халодильник, 3 - приемник

Образовавшиеся пары отводятся из дистилляционного куба в конденсатор-холодильник 2, после которого в виде жидкого дистиллята собираются в приёмнике 3. В конце стадии перегонки количество оставшейся в кубе жидкости равно L_К c концентрацией х_К. Концентрация НК в дистилляте составляет х_Д, а количество последнего Д.

Целью расчета процессов разделения смесей путем простой перегонкиявляется определение количества исходной смесиF,необходимойдля получения кубового остатка W и дистиллята (F-W) с определенным средним составом x_ср.

Для этого используют уравнения материального баланса - уравнение материального баланса по НКК за бесконечно малый интервал времени d  и общее балансовое уравнение процесса (2.37, 2.38):

       (2.37)

           (2.38)

Тепловой расчёт. Он включает в себя определение количеств теплоты Q и теплоносителей. В качестве греющего агента чаще всего применяют водяной пар под давлением – обозначим его энтальпию i_гр, температуру конденсации Т. Тепловой расчёт ведётся раздельно для разных стадий.

Расчёт стадии нагрева кубовой жидкости. Здесь затраты теплоты при теплоёмкости исходной жидкой смеси с_Н и изменении её температуры от t₀ до t_Н составляют (2.39):

         (2.39)

Расход греющего пара на стадии нагрева равен (2.40):

(2.40)

где r_гр – теплота конденсации греющего пара.

Поверхность нагрева F определим из уравнения теплопередачи для кубовой жидкости (2.41):

(2.41)

где k_Н– коэффициент теплопередачи от греющего пара к нагреваемой исходной смеси; Т – температура конденсации греющего пара, определяется по заданному его давлению.

Расчёт расхода хладоагента G на конденсацию пара. Пусть вода с теплоёмкостью с_В входит в конденсатор с температурой t_ВН и выходит из него с t_ВК. Количество теплоты Q_КОНД, забираемой водой от конденсирующегося пара за весь процесс, находим из теплового баланса для конденсирующихся паров. По их результирующему составу х_Д определим теплоту конденсации паров r_Д и запишем (2.42):

      (2.42)

Расход охлаждающей воды найдём из уравнения теплового баланса (2.43, 2.44):

     (2.43)

(2.44)

Ректификация–процесс разделения жидких однородных систем путеммногократного частичного испарения жидкой фазы с последующей частичной конденсацией образующихся паров, основным условием проведения процесса ректификации является различие температур кипения или летучести компонентов смеси.

Непрерывная ректификация.

При проведении данного процесса исходная смесь, нагретая до температуры кипения, подается в среднюю часть колонны, так называемую питающую тарелку, непрерывно. Питающая тарелка колонны делит весь аппарат на верхнюю и нижнюю части. Часть колонны, находящаяся выше точки ввода исходной смеси, называется укрепляющей, в ней происходит обогащение паровой фазы легколетучим компонентом. Нижняя часть аппарата называется исчерпывающей (отгонной) – легколетучий компонент удаляется из разделяемой смеси. В результате процесса ректификации образуется дистиллят,почти чистый легколетучий низкокипящий компонент(НКК),икубовый остаток,содержащий высококипящий труднолетучий компонент.Часть дистиллята, возвращаемая обратно в колонну для орошения и обогащения паров легколетучим компонентом, называется флегмой. Установка в этом случае обычно работает в установившемся режиме, что позволяет получать продукт и кубовый остаток с постоянной по времени концентрацией легколетучего компонента.