1.14. Сущность процессов перегонки и ректификации. Рабочие линии ректификации. Флегмовое число и его определение. Зависимость между флегмовым числом и размерами колонны.

Перегонка – процесс, в котором разделяемая жидкая смесь нагревается до кипения, а образующиеся пар отбирается и конденсируется.

Процесс перегонки жидких смесей основан на том, что жидкости, составляющие смесь, обладают различной летучестью, т.е. при одной и той же температуре обладают различной упругостью паров (давлением насыщенных паров).

Применяемые способы перегонки могут быт разбиты на две группы: 1) простая перегонка, 2) ректификация.

Ректификация – способ наиболее полного разделения смесей летучих жидкостей, частично или целиком растворимых друг в друге.

Процесс ректификации осуществляется в противоточных аппаратах-колоннах: пары перегоняемой жидкости протекают снизу вверх, а навстречу парам сверху вниз протекает жидкость (флегма), подаваемая в верхний элемент колонны.

Движущая сила ректификации-разность между фактическими (рабочими) и равновесными концентрациями компонентов в паровой фазе, отвечающими данному составу жидкой фазы. Парожидкостная система стремится к достижению равновесного состояния, в результате чего пар при контакте с жидкостью обогащается легколетучими (низко-кипящими) компонентами (ЛЛК), а жидкость - труднолетучими (высококипящими) компонентами (ТЛК).

В конечном итоге пар, выходящий из верхней части колонны, представляет собой более или менее чистый легколетучий компонент, конденсация которого дает готовый продукт – дистиллят, а из нижней части колонны вытекает сравнительно чистый менее летучий компонент, так называемый кубовый остаток.

В зависимости от т-р кипения разделяемых жидкостей ректификацию проводят под разл. давлением: атмосферным (т. кип. 30-150 °С), выше атмосферного (при разделении жидкостей с низкими т-рами кипения, напр. сжиженных газов), в вакууме (при разделении высококипящих жидкостей для снижения их т-р кипения).

Ректификацию можно осуществлять непрерывно или периодически. Для непрерывной ректификации применяют колонны, состоящие из двух ступеней: верхней-укрепляющей (в ней пар укрепляется, т.е. обогащается ЛЛК) и нижней - исчерпывающей (где происходит исчерпывание жидкой смеси, т. е. извлечение ЛЛК и обогащение ее ТЛК). При периодической ректификации в колонне производится только укрепление пара. Различают ректификацию бинарных (двухкомпонентных) и многокомпонентных смесей.

 Рабочие линии ректификации

F – количество начальной смеси, поступающей в колонну [кг-моль на 1 кг-моль дистиллята]

D – количество дистиллята, вытекающего из дефлегматора [кг-моль]

W – количество кубового остатка, вытекающее из нижней части колонны [кг-моль]

x_F, x_D, x_W  – содержание легколетучего компонента в питании, дистилляте и остатке [массовые или мольные доли].

G_F,G_D,G_W – массовые или мольные расходы питания, дистиллята и кубового остатка.

G_R - массовый или мольный расход жидкости в верхней части колонны, выше питания.

Ур-я рабочих линий:

А) верхней (укрепляющей) части ректификационной колонны (АВ)

y = x∙R/(R+1) + x_D/(R+1)

Б) нижней (исчерпывающей) части колонны (АС)

y = x∙(R+F)/(R+1) – x_W∙(F-1)/(R+1)

R = G_R/G_D – флегмовое число

F = G_F/G_D = (x_D - x_W)/(x_F - x_W) – относительный мольный расход питания (на 1 кмоль дистиллята)

Флегмовое число и его определение

Минимальное флегмовое число R_МИН в ректификационной колонне непрерывного действия, когда кривая равновесия не имеет точек перегиба, определяют по уравнению:

R_МИН = (x_D – y_F*)/(y_F* – x_F)

y_F* - мольная доля  легколетучего компонента  в паре, равновесном с жидкостью питания.

Рабочее (действительное) число флегмы:

R = ϕR_МИН

ϕ > 1 – коэффициент избытка флегмы.

При расчетах ректиф. колонн рабочее число флегмы часто определяют по формуле:

R = 1,3∙R_МИН + 0,3

Если на кривой равновесия имеется впадина, то величину определяют графическим путем.

Для определения R_МИН из точки А проводим касательную АВ к кривой равновесия. Касательная АВ отсекает на оси ординат отрезок, значение которого – неравновесная концентрация легколетучего компонента в паре (y). Подставляя в уравнение y = x_D/(R_МИН+1), откуда R_МИН = (x_D – y)/y.

Зависимость между флегмовым числом и размерами колонны

По мере приближения рабочей линии к диагонали возрастает флегмовое число R, но уменьшается требуемое число теоретических ступеней для получения дистиллята заданного состава х_D, что в свою очередь влияет на размер колонны (высоту).