ПЕРЕГОНКА И РЕКТИФИКАЦИЯ

МОДУЛЬ № 5

МАСООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ

ЛЕКЦИЯ № 27

ПЕРЕГОНКА И РЕКТИФИКАЦИЯ

1. Г.Д. Кавецкий, В.П. Касьяненко «Процессы и аппараты пищевой технологии».- М., КолосС, 2008.-591 с.: ил. 2. Процессы и аппараты пищевых производств. Учебник для вузов в 2 книгах/…  

ВОПРОС №1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Перегонка и ректификация — наиболее распространенные ме­тоды разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или нескольких летучих… Процессы перегонки и ректификации широко применяют в пищевой промышленности… Процессы перегонки и ректификации основаны на разной летучести компонентов смеси при одной и той же температуре.…

ВОПРОС 2. ПРОСТАЯ ПЕРЕГОНКА

Простую перегонку можно проводить с отбором фракций, де­флегмацией, водяным паром или под вакуумом (молекулярная пе­регонка). Фракционная перегонказаключается в постепенном испарении жидкости, находящейся…  

Рис. 3. Диаграмма для определе­ния температуры кипения при пере­гонке с водяным паром

Рис. 4. Установка для перегонки с водя­ным паром:

1 — куб; 2— конденсатор; 3 — сепаратор

 

Отношение количества отогнанного компонента к количеству водяного пара

(4)

 

 

Парциальное давление водяного пара р_в = Р — φр_к, где Р— общее давление; φ — степень насыщения. Тогда из уравнения (4):

 

(5)

 

Молекулярная перегонкапредназначена для разделения компо­нентов, кипящих при высоких температурах и не обладающих не­обходимой термической стойкостью. Процесс проводят под глу­боким вакуумом, соответствующим остаточному давлению 1,31...0,131Па.

Молекулярная перегонка происходит путем испарения жидко­сти с ее поверхности. Процесс осуществляется на близрасположенных поверхностях испарения и конденсации, причем расстоя­ние между ними (обычно 20...30 мм) должно быть меньше длины свободного пробега молекул. В этом случае отрывающиеся от по­верхности испарения молекулы летучего компонента попадают на поверхность конденсации и конденсируются на ней. Разность температур между поверхностями испарения и конденсации 100 'С.

На рис. 5 показана схема аппарата для молекулярной пере­гонки. Исходная смесь поступает в аппарат через трубу на дно ро­тора. Под действием центробежной силы поступившая жидкость поднимается в виде тонкой пленки по конусу, одновременно на­гревается излучением от электронагревателя и испаряется. Ото­рвавшиеся с поверхности испарения молекулы уносятся к поверх­ностям конденсации. Пары менее летучего компонента конденси­руются на поверхности конденсатора 4, а пары более летучих ком­понентов—на поверхности конденсатора 5. Первая фракция стекает с поверхности конденсатора 4 на поддон 8, а вторая кон­денсируется на змеевике и стекает на поддон 7. Неиспарившаяся часть жидкости под действием центробежной силы переливается через край ротора в отводной желоб и удаляется из аппарата.

Из поддона 8 дистиллят отводится через периферийную сек­цию кольцевого сборника, а из поддона 7—через центральную секцию.

Рис. 5. Аппарат для молекулярной перегонки:

1 — ротор; 2—труба для подачи исходной смеси; 3— электронагреватель; 4,5— пер­вый и второй конденсаторы; 6— кольце­вой сборник; 7, 8— поддоны под первым и вторым конденсаторами; Р—концент­рическая изоляционная плита; 10— от­водной желоб

 

 

ВОПРОС 4. РЕКТИФИКАЦИЯ

При расчете процессов ректификации принимают, что: 1) при конденсации 1 кмоль пара испаряется 1 кмоль жидко­сти, следовательно,… 2) при конденсации пара в дефлегматоре его состав не изменя­ется, следовательно, состав пара, выходящего из…

Рис.6. t—x, у-диаграмма

Процесс ректификации иллюстрируется t—x, у-диаграммой (рис. 6). При нагревании жидкой смеси состава х₁ до темпера­туры кипения t₁ получают пар равновесного состава, после кон­денсации которого образуется жидкость состава х₂, обогащенная легколетучим компонентом. В результате последующего нагрева­ния этой жидкости до температуры кипения t₂ и конденсации па­ров получают жидкость состава х₃. Таким образом, проводя мно­гократное испарение жидкости и конденсацию паров, можно раз­делить исходную смесь на чистые легколетучий и труднолетучий компоненты.

 

 

ВОПРОС 3. Расчет числа тарелок и рабочей высоты ректификационной колонны

 

Расчет числа тарелок и рабочей высоты ректификационной ко­лоннычасто ведут по числу теоретических или действительных ступеней изменения концентраций (см. главу 16). При этом пред­полагается, что в теоретической ступени достигается равновесие между паром, уходящим на вышерасположенную ступень (тарел­ку), и жидкостью, стекающей со ступени (тарелки) на нижераспо­ложенную.

Рассмотрим принцип работы барботажной тарелки (рис. 7, а). Пусть на n-ную тарелку поступает с вышерасположенной жид­кость концентрацией х_n + ₁ а с нижерасположенной тарелки — пар концентрацией у_n-1. В результате массообмена легколетучий ком­понент из жидкости переходит в пар, а труднолетучий — из пара в жидкость. Концентрация легколетучего компонента в паре возра­стает до у_п, а в жидкости уменьшается с х_n + ₁ до х_n - ₁.

При рассмотрении процесса примем следующие широко рас­пространенные допущения: жидкость на тарелке идеально пере­мешана и имеет постоянную концентрацию х_n, а концентрация пара в слое жидкости изменяется от у_n-1 до у_n в режиме идеально­го вытеснения (см. главу 2).

В случае достижения равновесия процесс изменения концент­рации в паре от у_n-1 до у_n = у_пр изображается вертикальным отрез­ком АВ, а изменение концентрации в жидкости от х_n + ₁ до х_n — го­ризонтальным отрезком BD (рис. 7, б). Таким образом, сту­пенька ABD изображает процесс, происходящий на одной теоретической тарелке.

Чтобы определить, сколько теоретических тарелок требуется установить в колонне для разделения исходной смеси в заданных

 

 

Рис. 7. К расчету числа ректификационных тарелок:

а — схема взаимодействия пара и жидкости на тарелке; б— изображение процесса в у-х -диаграмме в случае достижения равновесия между паром и жидкостью; в — изображение процесса в у—х-диаграмме в случае, когда равновесие между паром и жидкостью на тарелке не достигается

 

пределах от х_f до x_W. от х_f до x_d, вписывают между линией равно­весия и рабочими линиями между точками А и С ступенчатую ли­нию. Число полученных ступеней и определит число теоретичес­ких тарелок.

На реальной ступени (тарелке) изменения концентраций ни­когда не достигается равновесие, т. е. у_n < у_пр (рис. 7, в).

Для определения числа действительных тарелок используют коэффициент полезного действия, значе­ние которого находят опытным путем.

Методы расчета числа действительных ступеней изменения концентраций (тарелок), базирующиеся на коэффициентах массопередачи, изложены в главе 16.

Для расчета коэффициентов массоотдачи в фазах можно реко­мендовать следующие уравнения:

в жидкой фазе

 

(6)

 

в газовой фазе для ситчатых тарелок

 

(7)

 

то же для колпачковых тарелок

 

(8)

 

В уравнениях (7) и (8) линейным размером в критерии

Критерий Вебера где σ— поверхностное натяжение, Н/м;

h_ст — высота статического слоя жидкости на тарелке, м.

 

 

ВОПРОС 5. СХЕМЫ РЕКТИФИКАЦИОННЫХ УСТАНОВОК

В пищевой промышленности используют главным образом та­рельчатые и насадочные ректификационные колонны, конструк­ции которых описаны в главе 17. Ректификационная установка непрерывного действияпоказана на рис. 8. Исходная… В случае неполной конденсации паров в дефлегматоре они по­ступают в конденсатор-холодильник, где конденсируются и…

Рис. 9. Ректификационная установка для разделения многокомпонентной смеси

 

Ректификационная установка периодического действия,исполь­зуемая в малотоннажных производствах, показана на рис. 10. Исходная смесь загружается в кипятильник, который обогревает­ся насыщенным водяным паром. После нагрева смеси до темпера­туры кипения ее пары поступают в нижнюю часть ректификациионной колонны. Поднимаясь по колонне, пары обогащаются лег­колетучим компонентом и поступают в дефлегматор, в котором конденсируются. Как и при непрерывной ректификации, конден­сат разделяется на флегму и продукт, который после охлаждения в холодильнике собирается в сборнике. После извлечения продукта кубовый остаток сливают и загружают в куб новую порцию исход­ной смеси.

 

Рис. 10. Ректификационная установка периодического действия:

1— кипятильник; .2—колонна; 3—дефлегматор; 4—холодильник; 5—сборник