Процесс ректификации заключается в разделении двух или более компонентов смеси по их температурам кипения.
В ряде производств химической, нефтяной, пищевой и других отраслей промышленности в результате различных технологических процессов получают смеси жидкостей, которые необходимо разделить на составные части.
Для разделения смесей жидкостей и сжиженных газовых смесей в промышленности применяют способы:
- простой перегонки (дистилляции)
- перегонки под вакуумом и с водяным паром
- молекулярной перегонки
- Ректификации
Ректификацию широко используют в промышленности для полного разделения смесей летучих жидкостей, частично или полностью растворимых одна в другой.
Сущность процесса сводится к выделению из смеси двух или, в общем случае, нескольких жидкостей с различными температурами кипения одной или нескольких жидкостей в более или менее чистом виде. Это достигается нагреванием и испарением такой смеси с последующим многократным тепло- и между жидкой и паровой фазами; в результате чего часть легколетучего компонента переходит из жидкой фазы в паровую, а часть высококипящего компонента - из паровой фазы в жидкую.
Процесс ректификации осуществляется в ректификационной установке, включающей в себя:
- ректификационную колонну
- дефлегматор
- холодильник-конденсатор
- подогреватель исходной смеси
- сборник дистиллята
- сборник кубового остатка
Основным аппаратом установки является ректификационная колонна, в которой пары перегоняемой жидкости поднимаются снизу, а навстречу парам сверху стекает жидкость, подаваемая в верхнюю часть аппарата в виде флегмы. В большинстве случаев конечными продуктами являются дистиллят (низкокипящий компонент) и кубовый остаток (высококипящий компонент).
Ректификацию можно проводить при атмосферном давлении, а также при давлениях выше и ниже атмосферного.
Под вакуумом ректификацию проводят в том случае, если разделяемые жидкости являются высококипящими.
Повышенные давления применяют для разделения смесей, находящихся при атмосферном давлении в газовой фазе.
Степень разделения смеси жидкостей на составляющие компоненты и чистота получаемых дистиллята и кубового остатка зависят от того, насколько развита поверхность фазового контакта, и, следовательно, от количества орошающей жидкости и устройства ректификационной колонны.
В промышленности применяют колпачклвые, ситчатые, насадочные, пленочные трубчатые колонны и центробежные пленочные ректификаторы. Они различаются, в основном, конструкцией внутреннего устройства аппарата, назначение которого – обеспечение взаимодействия жидкости и пара. Это взаимодействие происходит при барботировании пара через слой жидкости на тарелках, либо при поверхностном контакте пара и жидкости на насадке или поверхности жидкости, стекающей тонкой плëнкой.
Ректификационные колонны отличаются, в основном, конструкцией внутреннего устройства для распределения жидкой и паровой фаз. Взаимодействие жидкости и пара осуществляется в колоннах путëм барботирования пара через слой жидкости на тарелках или же путём поверхностного контакта пара и жидкости на насадке или на поверхности жидкости, стекающей тонкой плëнкой.
Барботажные колонны тарельчатого типа выполняются, обычно, в виде колонн круглого сечения, по высоте которых расположены той или иной конструкции тарелки, на каждой из которых осуществляется одна ступень контакта. На каждой тарелке, в зависимости от еë конструкции, может осуществляться: прямоток, противоток, перекрëсиный ток фаз при различной степени перемешивания жидкости от полного смешения до полного вытеснения.
Тарельчатые аппараты применяют при температурах от -40°С до 200°С, атмосферном и избыточном давлении до 2,5 МПа, а также под вакуумом при остаточном давлении не ниже 665 Па.
Наиболее распространены колпачковые тарелки. Их выбор обусловлен тем, что они менее чувствительны к загрязнениям, чем ситчатые, и отличаются более высоким интервалом устойчивой работы колонны. Газ на тарелку поступает по патрубкам, разбиваясь затем прорезями колпачка на большое число отдельных струй. Далее газ проходит через слой жидкости, протекающей по тарелке от одного сливного устройства к другому. При движении через слой значительная часть мелких струй распадается и газ распределяется в жидкости в виде пузырьков. Интенсивность образования пены и брызг на колпачковых тарелках зависит от скорости движения газа и глубины погружения колпачка в жидкость. Колпачковые тарелки изготавливают с радиальными или диаметральными переливами жидкости. Колпачковые тарелки устойчиво работают при значительных изменениях нагрузок по газу и жидкости. К их недостаткам можно отнести сложность устройства и высокую стоимость, относительно высокое гидравлическое сопротивление и трудность очистки.
Технологическая схема:
Исходную смесь из промежуточной емкости 1 подают центробежным насосом 2 в теплообменник 3,где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси.
Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипения кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка, т.е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью того же состава, получаемой в дефлегматоре 6 путëм конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматоре в виде готового продукта разделения – дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в промежуточную ёмкость 8. Из кубовой части колонны насосом 9 непрерывно выводится кубовая жидкость – продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 10 и направляется в емкость 11.
Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения бинарной смеси на дистиллят и кубовый остаток. Такие установки оснащаются необходимыми контрольно-измерительными приборами, позволяющими автоматизировать их работу и проводить процесс с помощью программного управления в оптимальных условиях.