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]
xF, xD, xW – содержание легколетучего компонента в питании, дистилляте и остатке [массовые или мольные доли].
GF,GD,GW – массовые или мольные расходы питания, дистиллята и кубового остатка.
GR - 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) + xD/(R+1)
Б) нижней (исчерпывающей) части колонны (АС)
y = x∙(R+F)/(R+1) – xW∙(F-1)/(R+1)
R = GR/GD – флегмовое число
F = GF/GD = (xD - xW)/(xF - xW) – относительный мольный расход питания (на 1 кмоль дистиллята)
Флегмовое число и его определение
Минимальное флегмовое число RМИН в ректификационной колонне непрерывного действия, когда кривая равновесия не имеет точек перегиба, определяют по уравнению:
RМИН = (xD – yF*)/(yF* – xF)
yF* - мольная доля легколетучего компонента в паре, равновесном с жидкостью питания.
Рабочее (действительное) число флегмы:
R = ϕRМИН
ϕ > 1 – коэффициент избытка флегмы.
При расчетах ректиф. колонн рабочее число флегмы часто определяют по формуле:
R = 1,3∙RМИН + 0,3
Если на кривой равновесия имеется впадина, то величину определяют графическим путем.
Для определения RМИН 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 = xD/(RМИН+1), откуда RМИН = (xD – 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 хD, что в свою очередь влияет на размер колонны (высоту).
