ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Ректификация бинарных смесей из "Гидродинамика, теплообмен и массообмен" В этой главе мы рассмотрим процесс разделения бинарных смесей методом ректификации. Знание основных положений процесса ректификации бинарных смесей важно не только вследствие его промышленного применения. Эти положения помогают понять процессы многокомпонентной ректификации, где используется большинство тех же основных положений, осложненных, однако, множеством зависимостей, описывающих поведение всех компонентов. [c.629] Периодическая ректификация бинарной смеси этанол — вода практиковалась пивоварами и винокурами на протяжении столетий. Но лишь в этом столетии ректификация получила широкое развитие как непрерывный процесс. Наибольший вклад внесли в эту область инженеры нефтяной промышленности, в которой находится в эксплуатации много ректификационных колонн непрерывного действия. [c.629] При кипении гомогенной смеси жидкостей уходящий пар богаче легколетучим компонентом, в то время как остающаяся жидкость богаче высококипящим компонентом. Если загрузку жидкости обрабатывать таким способом до тех пор, пока, скажем, не испарится половина ее, то оставшаяся жидкость будет иметь состав, отличающийся от первоначальной смеси. Уходящий пар, если его непрерывно отводить и конденсировать, будет иметь состав, также отличающийся от первоначальной смеси. Таким образом, будет достигнуто некоторое разделение смеси. [c.629] Если в системе не образуется азеотропа, то иногда можно добиться большего разделения, чем в выбранном примере. Но при периодической дистилляции жидкость обогащается высококипящим компонентом, причем количество ее с течением процесса все уменьшается. В выбранном примере, если непрерывно отводить пар и продолжать подогревать жидкость, пока она не испарится почти полностью, концентрация оставшейся жидкости будет приближаться к 100% компонента В. Отогнанный пар будет, конечно, почти того же состава, что первоначально загруженная жидкость, так что никакого практически ценного результата не получается. [c.630] В процессе непрерывной ректификации разделение смеси на почти чистые компоненты требует большего числа ступеней по сравнению с числом ступеней, например, для получения продуктов 90%-ной чистоты. Трудность получения очень чистых продуктов путем ректификации отражается в термодинамических расчетах минимальной работы разделения, которые показывают, что минимальная потребная работа резко возрастает при приближении чистоты продуктов к 100%. [c.630] Простейший процесс, который мы называем периодической дистилляцией, можно осуществить в аппарате, называемом перегонным кубом, снабженном обогревательной рубашкой или змеевиком. Пузырьки пара, образующиеся на поверхности нагрева, поднимаются сквозь жидкость и уходят из верхней части аппарата в конденсатор, где превращаются в жидкость и накапливаются в сборнике. Как мы видели в гл. 36, массопередача к пузырькам пара или от пузырьков пара, поднимающихся через слой жидкости, происходит очень быстро, так что состав пара при прохождении его через свободную поверхность жидкости в кубе редко отличается сколько-нибудь значительно от равновесного. [c.630] Перегонный куб, описанный нами, представляет собой аппарат, дающий в пределе одну ступень равновесия. Ректификационная колонна обычно работает в установившихся условиях и состоит из ряда ступеней, каждая из которых имеет эффективность менее одной ступени равновесия. Эти два аппарата обычно объединяют, направляя пары из перегонного куба в ректификационную колонну тогда происходит ректификация в ряде последовательно работающих ступеней. Состав в любом сечении ректификационной колонны периодического действия является функцией времени. Такая колонна работает только на протяжении некоторого периода, достаточного для получения желаемых составов дистиллата и кубового остатка. [c.631] В расчетах процессов дистилляции и ректификации широко используются принципы фазового равновесия. В гл. 33 мы рассмотрели применение правила фаз для определения числа независимых переменных в равновесной системе. Из уравнения (33. 1) мы видели, что в двухфазной бинарной системе два переменных могут быть выбраны произвольно. Поскольку в процессе расчета давлением обыкновенно задаются, то для любой бинарной системы достаточно задаться дополнительно еще одним переменным чтобы определить этим самым все остальные переменные в системе. Например, если жидкость кипит в перегонном кубе при давлении в 1 ат и содержит 65% мол. этанола и 35% мол. воды, то как температура паро-жидкостной системы, так и состав пара тем самым строго определены. Если давление в ректификационной колонне равно 1 ат, а температура жидкости, уходящей с верхней тарелки, известна, то для данной бинарной системы тем самым предопределены составы как паровых, так и жидкостных потоков, уходящих с каждой тарелки, если эти потоки находятся в равновесии. [c.631] В нашу задачу не входит разбор термодинамических расчетов на основании которых определяются величины К. Их можно найти в большей части учебников по химической термодинамике. Здесь важно лишь напомнить студенту, что К является функцией температуры, давления и, в общем случае, состава. Хотя значения К приводятся во многих источниках, мы будем пользоваться только величинами, приведенными в справочнике Перри, Эти величины зависят только от давления и температуры следовательно, они применимы только к жидкостям и парам, ведущим себя как идеальные растворы. Для получения более точных значений мы отсылаем студента к серии из 276 диаграмм, известной под названием диаграмм Келлога [83, 36, 43], применимых к неидеальным растворам. [c.633] Таким же образом мы находим значения у в зависимости от х, которые представлены на рис. 41. 1. [c.634] Величины усоответствующие Хд, были рассчитаны подобным образом для ряда температур от 68,3 до 154,4° С и нанесены на рис. 41. 1. [c.635] Следует отметить, что на рис. 41. 1 кривая зависимости у он х для абсолютного давления 8,08 ат располагается ближе к диагонали квадрата, чем кривая для 1,4 ат. Диагональ квадрата соответствует зависимости у = х] совпадение кривой равновесия пар — жидкость с этой прямой обозначает, что никакого разделения смеси путем ректификации достичь нельзя. С другой стороны, кривая равновесия пар — жидкость, далеко отстающая от диагонали, соответствует случаю, когда можно достичь значительного разделения смеси путем ректификации. Таким образом, разделение смеси к-бутан — к-гексан легче провести при 1,4 ат, чем при 8,08 ат. Отсюда мы делаем вывод, что при 1,4 ат потребуется меньшее число ступеней для достижения определенного разделения в ректификационной колонне или большая разность концентраций пара и жидкости при одноступенчатой периодической дистилляции. [c.635] Схема работы ректификационной колонны с колпачковыми тарелками. [c.636] Исходная смесь, поступающая в колонну, может представлять собой жидкость при температуре кипения, насыщенный пар, паро-жидкостную смесь, переохлажденную жидкость или перегретый пар. Как мы увидим дальше в этой главе, состояние исходной смеси влияет на работу колонны. [c.636] Все переменные правой части этого уравнения известны или были определены в приведенных выше расчетах, поэтому решаем уравнение (41. 12) непосредственно относительно у . Зная состав и температуру этого потока, мы можем определить его теплосодержание /2 по таблицам и таким путем проверить величину 1 , которой мы ранее задались в расчетах. [c.638] Расчет, изложенный применительно к тарелкам 1 и 2, повторяют для последующих тарелок вплоть до точки ввода исходной смеси. Наилучшим местом подачи исходной смеси является то сечение колонны, где состав одного из потоков совпадает с составом исходной смеси (этот вопрос будет рассмотрен ниже). Для тарелки питания следует учитывать ноток исходной смеси в уравнениях материального и теплового балансов. Расчеты для тарелок, лежащих ниже тарелки питания, продолжают так же, как для части колонны над тарелкой питания, за исключением того, что уравнение (41. 13), если им пользуются, должно содержать член, учитывающий поток исходной смеси. [c.639] Расчеты для следующих друг за другом тарелок продолжают до тех пор, пока не доходят до потока пара, состав которого равен равновесному по отношению к кубовой жидкости х . Этот паровой поток будет выходить из кипятильника и является конечным этапом работы. Главной задачей было, конечно, определить число ступеней, необходимых для разделения исходной смеси на дистиллат и кубовый остаток предварительно заданных составов и х . В ходе расчетов были найдены составы и теплосодержания всех потоков. Определение количеств тепла, переданных в конденсаторе и кипятильнике, сводится к простому составлению теплового баланса потоков, входящих и выходящих из этих вспомогательных аппаратов установки. Кроме того, были определены положение тарелки питания и величины всех потоков. Температуры также были подсчитаны (или могут быть легко найдены по полному давлению и составу потока), так что можно узнать объемные расходы для всех потоков. Эти величины необходимы для расчета диаметра колонны, переточных трубок и колпачков тарелки. [c.639] Это уравнение выражает зависимость между г/з я а равно и между любыми рабочими составами потоков, показанных на рис. 41, 3. Таким образом, модификация Льюиса приводит метод Сореля к ряду чередующихся уравнений равновесия и материальных балансов по легколетучему компоненту, решаемых без последовательных приближений. [c.640] Согласно рис. 41. 3, на основании равновесных данных и определяют Затем п уравнению (41. 14) находят у . Далее определяют агз, как концентрацию потока, находящегося в равновесии с г/з- После этого по уравнению (41. 14) вычисляют у (у 2 и XI в этом уравнении заменяют на у и х ). Расчеты продолжают для тарелок, расположенных ниже. Для тарелки питания и всех лежащих ниже нее тарелок в уравнении материального баланса нужно учесть добавление потока исходной смеси в остальном метод расчета остается без изменений. [c.640] Метод Мак Кэба — Тиле [109] представляет собой графическое решение уравнений Сореля, упрощенных предложенным Льюисом допущением о постоянстве потоков пара и жидкости по высоте колонны. Преимущество метода Мак Кэба — Тиле заключается в том, что уравнение (41. 4) описывает прямую. Мак Кэб и Тиле предложили нанести эту прямую (рабочую линию) на тот график у — X, на котором представлена кривая равновесия, после чего можно определить число ступеней равновесия графическим построением, Число ступеней между равновесной и рабочей линиями определяется так, как было показано в гл. 39 и 40. [c.640] Вернуться к основной статье