Сущность ректификации

Ректификацией называют процесс переноса компонентов между кипящей жидкой и насыщенной конденсирующейся паровой фазами при противотоке этих фаз. Или другими словами, ректификацию можно трактовать как совмещение процессов многократной дистилляции и многократной конденсации при противоточном контактировании потоков пара и жидкости. При таком проведении процессов перегонки появляется возможность использования при каждой упомянутой операции теплоты конденсации пара для испарения жидкости – путём непосредственного контактирования паровой и кипящей жидкой фаз.

При чередовании по схеме противотока операций частичной кон­денсации паровой и испарения (дистилляции) жидкой смесей можно получить выходы НК и ВК, примерно соответ­ствующие их содержанию в исходной смеси.

В процессе ректификации подводимая извне теплота затра­чивается только в кипятильнике — в низу колонны однократно для частичного испарения жидкой смеси с получением началь­ного потока пара в обогревающем устройстве в нижней части ректификационного аппарата (чаще всего — колонны). Теплота конденсации паров также отводится только в конденсирующем устройстве — в верхней части ректификационного аппарата.

Сущность ректификации как явления удобно рассмотреть на примере пуска колонны применительно к разделению бинар­ной смеси. Схема ректификационного агрегата показана на рис. 33, а, ей соответствует диаграмма t—х,у для разделяемой смеси (рис. 33, б). Колонну 1 будем считать адиабатической: она хорошо изолирована в тепловом отношении, так что поте­ри теплоты в окружающую среду отсутствуют.

В нижней части колонны находится куб 2 с обогревающим устройством. На выходе паров сверху колонны расположен конденсатор 3.

Пусть в куб залита бинарная жидкая смесь с содержанием НК х₀, нагреем ее до температуры кипения t_ж° и начнем ис­парять. Пары, обогащенные НК, состава у (примем для про­стоты, что они равновесны кубовой жидкости, их температуры одинаковы, т.е. t' = t_ж°) поднимаются вверх, выходят из ко­лонны и полностью конденсируются в конденсаторе до состоя­ния кипящей жидкости. Эта жидкость, естественно, имеет со­став х' = у', но ее температура кипения t_ж^’ < t_п' (см. рис. , б). Она возвращается в колонну, стекает вниз и на та­релке № 1 контактирует с восходящим потоком пара того же состава. Пар имеет более высокую температуру, чем жидкость; поэтому на тарелке № 1 происходит интенсивный теплообмен (прямой контакт, высокие коэффициенты теплоотдачи при конденсации и кипении),

 

Рис. 33. Противоточное контактирование паровой и жидкой фаз (идеализированный процесс): а – схема ректификационного аппарата (1 – колонна, 2 – кипятильник, 3 – конденсатор); б – процесс ректификации на диаграмме t – x, y

сопровождающийся массообменом между жидкой и паровой фазами. В результате пар конденси­руется (реально — частично), выделяется теплота конденсации, и за ее счет частично испаряется жидкость. Подчеркнем: на тарелке № 1 (см. рис. 33, а) жидкость обогащена НК в сравнении с кубовой жидкостью (х^’ > х⁰₎; поэтому при ее испарении по­лучается пар, еще более обогащенный НК (у" > у', его темпе­ратура t" < 4,'). Образовавшийся пар поднимается вверх, кон­денсируется в конденсаторе, откуда жидкость состава х" = у" при температуре кипения t" возвращается в колонну. На та­релке № 2 (рис. 33, а) жидкость встречается с паром того же состава. И поскольку температура пара выше, нежели жид­кости, то и здесь происходит акт конденсации — испарения с получением пара с более высоким содержанием НК: у'" > у".

Так постепенно за счет противоточного контакта фаз на та­релках (в случае насадочной колонны — на поверхности насад­ки) снизу вверх нарастают концентрации НК в паре и жидкости; этот эффект и лежит в основе процесса ректификации.

После установления требуемой концентрации НК (чистоты) на верху колонны, верхний продукт может отбираться в качестве целе­вого. Но если отбирать весь верхний продукт, то жидкая фаза перестанет стекать по колонне противотоком к пару, и процесс ректификации будет нарушен. Поэтому после конденсации верхний продукт отбирается лишь частично, предусматривается возврат определенной части конденсата на орошение колонны для поддержания противоточного контакта фаз.

В отличие от дистилляции при ректификации имеет место двунаправленный процесс переноса компонентов: НК из жидкой фазы в паровую и ВК — в обратном направлении.