Тепловой баланс ректификационной колонны.

Лекция 12

Ректификация.

Ректификация - процесс разделения жидких смесей, который сводится к одновременно протекающей и многократно повторяемых процессов частичного испарения и конденсации разделяемый смеси на поверхности контакта фаз.

Рассмотрим непрерывную бинарную ректификацию (рис.3.13).

Рис. 3.13. Схема установки непрерывной ректификации: 1 - ректификационная колонна; 2 - дефлегматор; 3 - холодильник дистиллята; 4 - холодильник кубового остатка; 5 - кипятильник кубового остатка; 6 - подогреватель исходной смеси; 7 - делитель флегмы; 8 - делитель кубового остатка; 9 - сборник кубового остатка; 10 - сборник дистиллята.

 Рассмотрим работу ректификационной установки на примере тарельчатой колонны(принципиальных отличий в работе колонн других конструкций нет). Исходная смесь состава  с расходом  поступает в подогреватель 6, где нагревается до температуры, как правило, близкой к температуре кипения и подается в колонну 1. Обычно исходная смесь подается в колонну в жидком состоянии, но иногда может подаваться в виде пара или смеси пара и жидкости. Тарелка, на которую поступает исходная смесь, называется питательной или тарелкой питания.

Она делит колонну на две части: верхнюю, называемую укрепляющей, и нижнюю - исчерпывающую. Жидкость стекает с каждой тарелки на более нижнюю, контактируя с восходящим неравновесным потоком пара.

При этом из пара в жидкость переходит ВК, а из жидкости в пар - НК. Таким образом, жидкость, стекая вниз, обогащается ВК и из нижней части колонны отводится кубовый остаток, в котором преобладает ВК по сравнению с исходной смесью . Часть кубового остатка, разделяясь в делителе 8, отводится в виде конечного продукта в сборник 9, а другая - поступает в кипятильник 5, испаряется и подается в виде пара в колонну под нижнюю тарелку.

    Пар проходит через тарелки, контактируя с жидкостью, обогащается НК и отводится из верхней части колонны в дефлегматор 2, где, как правило, полностью конденсируется. Конденсат разделяется в делителе 7 на две части, одна из которых отводится в виде дистиллята в сборник готового продукта 10. Содержание НК в нем выше, чем в исходной смеси . Другая часть конденсата, называемая флегмой, подается на верхнюю тарелку и стекает вниз для обеспечения контакта с паром в верхней части колонны. Если в дефлегматоре весь пар конденсируется то составы пара , дистиллята  и флегмы  одинаковы  и в делителе 7 происходит лишь разделение жидкого потока на части без изменения его состава.

При взаимодействии поднимающихся паров со стекающей жидкостью происходит частичная конденсация паров и частичное испарение жидкости (флегмы) за счет теплоты конденсации. При этом из пара конденсируется в основном ВК, а из флегмы, в основном, НК. Таким образом отекающая флегма непрерывно обогащаются ВК, а поднимающиеся пары – НК.

Если вся жидкость, поступающая в кипятильник 5, испаряется, то состав пара, поступающего в колонну  равен составу кубового остатка .

Исходная смесь состава x₁ нагрета до Т₁ кипения (рис.3.14). При этом получим пар, находящийся в равновесии с жидкостью. При конденсации этого пара образуется жидкость (конденсат) состава х₂ =y₁*, которая обогащена НК. Нагрев эту жидкость до Т₂, и сконденсировав образующие пары, получим конденсат состава х₃=y₂*. Как видно .Таким образом можно получить жидкость, практически из НК.

Поскольку жидкость бинарная, кубовый остаток получил в виде почти чистого ВК.

Рис.3.14. Фазовая диаграмма Т – x,y при Р=const.

Процесс ректификации осуществляется периодически или непрерывно, при  р_атм, р_вак и р_изб.

Для непрерывного процесса ректификации необходимо, чтобы исходная смесь соприкасалась со встречным потоком пара с несколько большей концентрацией ВК, чем в жидкой смеси. Положение питающей тарелки рассчитывают с учетом этого обстоятельства.

Для удобства анализа и расчета процесса ректификации вводят понятие о флегмовом числе R. Отношение киломолей флегмы Ф, приходящейся на 1 кмоль отбираемого дистиллята D, называют флегмовым числом:

R=Ф/D                                                 (3.16)

3.4.1. Материальный баланс непрерывной ректификации бинарных смесей.

Известно два основных метода анализа работы и расчета ректификационных колонн: графоаналитический (проще графический) и аналитический. Рассмотрим более простой и наглядный графический метод.

Введем основные допущения:

- молярные теплоты испарения или конденсации компонентов при одной и той      же температуре приблизительно одинаковы. Отсюда следует, что при конденсации 1кмоль ВК в колонне испаряется 1кмоль НК, т.е. количество паров (в кмолях), поднимающихся по колонне постоянно;

- дефлегматоре не происходит изменение состава пара. Если пар полностью конденсируется в дефлегматоре, то .

- при испарении жидкости в кипятильнике не происходит изменения ее состава. Следовательно, состав пара, образующегося в кипятильнике, соответствует составу кубового остатка: y_W=x_W;

- теплоты смешения компонентов разделяемой смеси равны нулю.

Кроме того, смесь, подлежащая разделению, поступает в колонну нагретая до температуры кипения на питающей тарелке. Эти допущения мало искажают реальный процесс, но существенно упрощают расчет. 

Материальный баланс колонны по всему потоку:

                                                   (3.17)

                         но , поэтому

                                                  (3.18)

Материальный баланс по НК:

                             (3.19)

Уравнения рабочих линий.

Поскольку условия работы укрепляющей и исчерпывающей частей ректификационной колоны различны, поэтому материальный баланс для них рассмотрим отдельно (рис.3.15).

Рис. 3.15. Схема материального баланса ректификационной колонны: а – укрепляющая часть, б – исчерпывающая часть.

Укрепляющая часть. Верх

 Составим материальный баланс по НК для верха этой части колонны:

                             (3.20)

Количество поднимающихся паров по колонне:

По (3.20) находим y:

                                    (3.21)

По условию y_D=x_D, и меняя  получим:

          (3.22)

Окончательно:

                                           (3.23)

Это и есть уравнение рабочей линии укрепляющей части колонны, которая является уравнением прямой линии. Это уравнение справедливо до сечения ввода исходной смеси, т.е. до точки b, соответствующий концентрации x_F.

Рис.3.16. Рабочие линии и линия равновесия ректификационной колонны.

   Исчерпывающая часть. Низ Рассмотрим материальный баланс для низа исчерпывающей части колонны - ниже произвольного сечения В-В, где текущие концентрации НК в фазах x и y (рис. 5.38):

                              (3.24)

Здесь ,

         , ,     f>1

Находим y (y_W=x_W):

                         (3.25)

При х=х_W, у=у_W=x_W, т.е. рабочая линия исчерпывающей части колонны проходит через точку, лежащей на диагонали с абсциссой х_W.

ИТОГО

                     Верхняя

          Нижняя

Положение точек  и c определены, они лежат на диагонали. Точка в пересечении линий  и сВ₁. Положение точки b соответствует x_F, т.е. соответствует сечению, на уровне которого подают питание в колонну.

Для определения числа теоретических ступеней изменения концентрации между рабочей и равновесной линиями строят ступень в интервале концентраций . При ректификации рабочие линии располагаются ниже линии равновесия.

Выбор флегмового числа.

Практически R не бывает задано, и его нужно правильно выбрать. Точка пересечения рабочих линий  зависит от величины , которая однозначно меняется с изменением R, так как . Для точки  и  и движущая сила процесса равно нулю. Для точки ,  и движущая сила максимальная. Минимальное значение флегмового числа определяется для точки  по формуле:

                                              (3.26)

  На практике применяют

  От R зависит размеры аппарата и расход теплоносителей. Следовательно капитальные и эксплуатационные затраты. Эксплуатационные затраты (расход теплоносителей) возрастают прямо пропорционально R. С увеличением R возрастает движущая сила процесса и уменьшается необходимое число теоретических ступеней. При некотором R рабочий объем колонны станет минимальным, минимальным будет стоимость колонны. Найти R_опт достаточно сложно, поэтому выбор действительного R производят приближенно.

Тепловой баланс ректификационной колонны.

Составим тепловой баланс колонны непрерывного действия, изображенной на рис. 3.17.

Рис. 3.17. Схема теплового баланса ректификационной колонны.

                                     (3.24)

приход теплоты с теплоносителем в кипятильнике,                   

расход теплоты с уходящим из колонны паром,

приход теплоты с исходной смесью,             

расход теплоты с уходящим из колонны кубовым остатком,                                           

приход теплоты флегмой                          

потери тепла в окружающую среду.                                                     

      C учетом того, что ( )

, имеем

            (3.25)

Решив (3.25) относительно  получим :

         (3.26)

Здесь: - теплота испарения флегмы,

        - теплота на испарение дистиллята,

        - теплота на обогрев кубового остатка от температуры исходной смеси, до температуры остатка.

Расход греющего пара в кипятильнике определяется по формуле:

 ,                                      (3.27)

где r- теплота парообразования греющего пара.

Потери тепла в окружающую среду при наличии тепловой изоляции, обычно, невелики и составляют 3-5% от полезной нагрузки кипятильника.

Расход теплоты на ректификацию велик. Поэтому необходимо предусмотреть рекуперацию части тепла.

3.5 Периодическая ректификация

Ректификационные установки периодического действия используются преимущественно в малотоннажных производствах.

Исходную смесь загружают в куб и подогревают до кипения. Образующиеся в кубе пар, поднимаясь по колонне, обогащается НК в результате контакта со стекающей вниз флегмой, которая по мере движения к кубу обогащается ВК. Пары из колонны отводится в дефлегматор, где они конденсируются (полностью или частично). Жидкость в кубе постепенно обогащается ВК, теряя НК, который уносится паром. После достижения заданного состава кубовый жидкости, что можно установить по температуре кипения, ее сливают, а в куб загружают новую порцию исходной смеси (рис.3.18)

Таким образом, колонна работает в режиме укрепляющей части, роль исчерпывающей части играет куб.

Рис.3.18. Схема установки периодической ректификации:

1 – куб – испаритель, 2 – ректификационная колонна, 3 – дефлегматор, 4 – делитель флегмы, 5 – холодильник дистиллята, 6 – сборник дистиллята, 7 – холодильник кубового остатка, 8 – сборник кубового остатка.

Периодическую ректификацию можно провести двумя способами:

- при постоянном флегмовом числе (R=const)

- при постоянном составе дистиллята ( =const)

Случай R=const. Поскольку ввод питания в колонну отсутствует ,то расходы жидкости и пара по высоте колонны не изменяются, что обуславливает единственную рабочую линию, соответствующую рабочей линии верхней части колонны непрерывного действия. Отличие будет заключаться в уменьшении состава дистиллята с течением времени , что приводит к параллельному переносу рабочей линии вниз для каждого последующего момента времени (рис.3.19 и рис.3.20) .

Рис.3.19. Рабочие линии и линия   Рис.3.20. Зависимость состава

равновесия для периодической      дистиллята от состава

периодической ректифика-               кубовой жидкости.              

фикации при R=const.                

Между рабочими линиями и линией равновесия вписываются прямоугольные треугольники, определяющие количество теоретических ступеней (тарелок).

Случай  х_D = const. Количество флегмы по мере уменьшения содержания НК в кубе должно постепенно возрастать. Поэтому для проведения этого процесса требуется управляющие автоматизированные системы.

Рис.3.21. Рабочие линии и ли-   Рис.3.22. Определение рабочего

ния равновесия для перио-        флегмового числа в зависимости             

дической ректификации при    от состава кубовой жидкости.

х_D = const.

На рис.3.21 рабочие линии построены для различных значений R. По этим данным строится зависимость  (рис.3.22).

Установка для проведения процесса аналогична изображенной на рис.3.18. Только отпадает необходимости в нескольких сборниках дистиллята.

Зависимости  и  строятся на основе уравнений материального баланса.

3.6. Ректификация многокомпонентных смесей.

Если в составе многокомпонентной смеси k компонентов, то количество аппаратов для их разделения N=k-1. (с последнего аппарата снимается дистиллят и кубовый остаток). При этом каждая колонна простая (рис.3.23).

Рис.3.23. Схема установок для ректификации 3-х компонентных смесей.

Если не требуется четкого разделения исходной смеси на составляющие компоненты, а достаточно получать фракции определенного состава, то процесс можно осуществлять в одной колонне, отбирая по ее высоте нужные фракции компонентов. Такая колонна называется сложной.