3- Ректификация. Перегонка и ректификация
 Скачать 272.5 Kb.
|
|
ПЕРЕГОНКА И РЕКТИФИКАЦИЯ Процессы разделения жидких смесей, компоненты которых имеют разные температуры кипения, основаные на взаимодействии пара и жидкости. Можно разделить ректификацией и газовую смесь, если охладить ее ниже критической температуры. равновесие идеальных двухкомпонентных смесейЖидкие смеси могут состоять из компонентов с полной растворимостью, с ограниченной растворимостью и полной нерастворимостью компонентов. Смеси с полной взаимной растворимостью делятся на идеальные и неидеальные. Идеальные смеси подчиняются закону Рауля, неидеальные не подчиняются. Закон Рауля: Парциальное давление компонента идеальной смеси  над раствором при равновесии пропорционально его мольной доле в жидкости  . ,Обозначим низкокипящий компонент (НКК) через  , его температура кипения tКА, а высококипящий компонент (ВКК) через  , его температура кипения tКВ.   ,  ,где  - давление насыщенных паров компонентов А и В; - парциальное давление;x - мольная доля НКК в жидкости; 1-x - мольная доля ВКК в жидкости.
Согласно закону Дальтона парциальное давление компонента равно общему давлению, умноженному на мольную долю этого компонента в газовой или паровой смеси, т.е.  ,где y - мольная доля низкокипящего компонента в парах; (1-y) - мольная доля высококипящего компонента в парах.   - уравнение равновесной кривой идеальной двухкомпонентной системы.Если делить дробь на РВ и ввести отношение  ( - относительная летучесть компонента А), то
При кипении смеси получают пар, в котором концентрация НКК больше, чем в жидкости:  ,  .Давление насыщенных паров индивидуальных веществ можно рассчитать по уравнению Антуана, если нет в справочнике готовых PA, PB. Для неидеальных смесей данные по равновесию определяют экспериментально и приводят в справочниках. Однократное испарение
Однократное испарение (ОИ) заключается в нагревании жидкой смеси до температуры выше начала кипения и разделении фаз в пустотелом аппарате или в зоне питания ректификационной колонны. При однократном испарении фазы являются равновесными, т.е. имеют одинаковую температуру. Для характеристики равновесия используют мольные концентрации, поэтому G,L,F и e мольные. При необходимости их легко пересчитать в массовые. Запись баланса одна и та же для мольных и массовых единиц. При рассмотрении процесса однократного испарения возникают следующие задачи: - Первая задача, когда известно tf, F, xfи необходимо определить G, L, x, y, e.
Поделив левую и правую части этого уравнения на F, получим баланс для 1кмоль:  .Отсюда,  - уравнение однократного испарения,y,x – концентрации зависят от доли отгона. Определив y и x по диаграмме t – x,y, можно рассчитать долю отгона:  .Так как  следовательно  , а 
Используя уравнение однократного испарения: на диаграмме равновесных составов по двум точкам построим линию ОИ:
Положение линии ОИ зависит от значения доли отгона: при е = 0 линия ОИ проходит вертикально, а при е = 1 линия ОИ идёт горизонтально. Точка пересечения линии ОИ и равновесной кривой (D) характеризует составы равновесных пара и жидкости. Определив по диаграмме x,y составы пара (y) и жидкости (x) как координаты точки D, по диаграмме t-x,yнаходим неизвестную температуру ввода сырья tf. Принцип ректификации
Пары необходимо охлаждать, частично конденсировать и отводить образовавшуюся жидкость. При многократном повторении этой операции растет концентрация низкокипящего компонента в парах т.е. y4y3yхf. Эти процессы происходят при взаимодействии пара и жидкости на контактных устройствах. Принципиальная схема ректификационной установки непрерывного действия
в основном низкокипящий компонент, а остаток – высококипящий компонент. При ректификации получить продукты 100 % чистоты нельзя! Температура в кубе колонны близка к температуре кипения высококипящего компонента, а температура верха близка к температуре кипения низкокипящего, т.е. tw>tD. Чем выше расположена тарелка, тем ниже на ней температура. Пары, выходящие из куба колонны, содержат преимущественно высококипящий компонент. Пары, выходящие из верха колонны, содержат в основном низкокипящий компонент. Состав флегмы равен составу дистиллята. Изменение составов пара и жидкости происходит при их взаимодействии на контактных устройствах. При контакте пара с более холодной жидкостью происходит его охлаждение и частичная конденсация. За счет тепла, выделенного при конденсации, происходит нагревание и частичное испарение жидкости. При многократном взаимодействии пара и жидкости в паре концентрируется низкокипящий компонент, а в жидкости - высококипящий компонент. Материальный баланс Баланс для всей колонны F = D + W, а по низкокипящему компоненту  .Допущения, используемые при расчете ректификации. 1. Мольный расход паров по высоте колонны не меняется; это условие выполняется, если испаряется столько же молей, сколько конденсируется. В натуре это невозможно, так как теплоты парообразования НКК и ВКК не равны. rНКК rВКК, где r – удельная теплота парообразования. 2. Состав пара, выходящего из куба колонны, равен составу кубовой жидкости. Это условие выполняется, если в кипятильнике, печи происходит полное испарение жидкости, т.е. yw = xw. Точка с координатами yw = xw лежит на диагонали. 3. Состав пара, выходящего сверху колонны, равен составу флегмы. Это выполняется при полной конденсации пара. Точка с координатами  также лежит на диагонали.Тепловой баланс Уравнение теплового баланса имеет вид:  ,где  - количество тепла, подводимое в куб колонны; – количество тепла, уносимое дистиллятом; - количество тепла, уносимое остатком; – количество тепла, вносимое сырьём; - количество тепла, отводимое в дефлегматоре; – тепловые потери. , , , ,где  – теплоемкость соответственно дистиллята, сырья и кубового остатка; - энтальпии соответственно дистиллята, сырья и кубового остатка.Температуры дистиллята, сырья, остатка определяются по диаграмме t-x, y.
Например, используя для подогрева сырья тепло отходящих потоков, можно нагреть его до более высокой температуры и уменьшить подвод тепла в куб колонны. Обычно в кипятильнике используется более дорогой теплоноситель, т.е. уменьшая его расход, можно уменьшать энергозатраты. Уравнение рабочей линии верхней части колонны
Связь между рабочими концентрациями х и у линейная:  .Определяющая величина процесса ректификации – флегмовое число. Флегмовое число – отношение расхода флегмы к дистилляту  (безразмерная величина).  - уравнение рабочей линии верхней части колонны.
AC – рабочая линия нижней части колонны, (при  , т.е. когда сырье подают в жидком состоянии).Минимальное, рабочее и оптимальное флегмовое число
При бесконечном флегмовом числе, когда колонна работает “на себя”, рабочие линии проходят по диагонали. При этом движущая сила, т.е. разность концентраций Δу = ур – у становится max, а число теоретических тарелок (N) при этом min. При переводе колонны "на себя" в парах верха колонны увеличивается концентрация НКК, а в кубовой жидкости – концентрация ВКК. Этот режим "на себя" используют для исправления брака, т.е. когда не получаются продукты нужного качества, а также при пуске установки (при выводе на рабочий режим). При уменьшении флегмового числа точка пересечения рабочих линий перемещается по вертикали от точки С до точки С3. Точка С3 - предельное положение, соответствующее минимальному флегмовому числу. В точке С3 рабочие концентрации равны равновесным, а при достижении равновесия процесс заканчивается.     - угол наклона рабочей линии.В процессе эксплуатации фактическое флегмовое число можно установить равным минимальному (ошибка персонала). Тогда при конечном числе тарелок нужного качества продукты не получаются.
В нефтепереработке используют формулу Джиллиланда:  .Оптимальное флегмовое число соответствует минимуму суммарных приведенных затрат на ректификацию.
Металлоёмкость и стоимость колонны зависят от объёма, а объём равен произведению площади поперечного сечения на высоту. При стремлении флегмового числа к минимуму объем колонны стремится к бесконечности за счет высоты. С увеличением флегмового числа кривая снова уходит в бесконечность за счет сечения, т.е. на кривой имеется минимум.
С увеличением количества отводимого в дефлегматоре тепла требуется увеличить подвод тепла в куб колонны так как  .С увеличением флегмового числа эксплутационные затраты (Э) увеличиваются. |
,
,
, т.е. 
,
.
(точка А),
(точка В).
.
.
.
,
,
коэффициент избытка флегмы.
.
,