7.5. Аппаратурное оформление и основные принципы процесса ректификации.

Ректификация – это процесс разделения гомогенных смесей летучих жидкостей путем двустороннего массо- и теплообмена между неравновесными жидкой и паровой фазами, имеющими различную температуру и движущимися относительно друг друга. Разделение осуществляется обычно в колонных аппаратах при многократном или непрерывном контакте фаз.

Схема непрерывно действующей ректификационной установки.

Рис. 1. Технологическая схема непрерывно действующей ректификационной установки:

1 – ректификационная колонна (а – укрепляющая часть, б – исчерпывающая часть); 2 – кипятильник; 3 – дефлегматор; 4 – делитель флегмы; 5 – подогреватель исходной смеси; 6 – холодильник дистиллята; 7 – холодильник кубового остатка; 8 – емкость для кубового остатка; 9 – емкость для сбора дистиллята; 10 – насосы.

Ректификационная колонна 1 имеет цилиндрический корпус, внутри которого установлены контактные устройства в виде тарелок или насадки. Снизу вверх по колонне движутся пары, поступающие в нижнюю часть аппарата из кипятильника 2, который находится вне колонны, т. е. является выносным, либо размещается непосредственно под колонной. Следовательно, с помощью кипятильника создается восходящий поток пара.

Пары проходят через слой жидкости на нижней тарелке, которую будем считать первой, ведя нумерацию тарелок условно снизу вверх.

Пусть концентрация жидкости на первой тарелке равна Х_l (по низкокипящему компоненту), а ее температура t₁. в результате взаимодействия между жидкостью и паром, имеющим более высокую температуру, жидкость частично испаряется, причем в пар переходит преимущественно НК. Поэтому на следующую (вторую) тарелку поступает пар с содержанием НК y₁ > x₁.

Испарение жидкости на тарелке происходит за счет тепла конденсации пара. Из пара конденсируется и переходит в жидкость преимущественно ВК, содержание которого в поступающем на тарелку паре выше равновесного с составом жидкость на тарелке. При равенстве теплот испарения компонентов бинарной смеси для испарения 1 моль НК необходимо сконденсировать 1 моль ВК, т. е. фазы на тарелке обмениваются эквимолекулярными количествами компонентов.

На второй тарелке жидкость имеет состав Х₂,содержит больше НК, чем на первой (Х₂ > Х_l)' и соответственно кипит при более низкой температуре (t₂<t₁). Соприкасаясь с ней, пар состава У_l частично конденсируется, обогащается НК и удаляется на вышерасположенную тарелку, имея состав У₂>Х₂ и т. д.

Таким образом пар, представляющий собой на выходе из кипятильника почти чистый ВК, по мере движения вверх все более обогащается низкокипящим компонентом и покидает верхнюю тарелку колонны в виде почти чистого НК, который практически полностью переходит в паровую

фазу на пути пара от кипятильника до верха колонны.

Пары конденсируются в дефлегматоре З, охлаждаемом водой, и получаемая жидкость разделяется в делителе 4 на дистиллят и флегму, которая направляется на верхнюю тарелку колонны. Следовательно, с помощью дефлегматора в колонне создается нисходящий поток жидкости.

Жидкость, поступающая на орошение колонны (флегма), представляет собой почти чистый НК. Однако, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, жидкость все более обогащается ВК, конденсирующимся из пара.

Пары проходят через слой жидкости на нижней тарелке, которую будем считать первой, ведя нумерацию тарелок условно снизу вверх.

На некотором расстоянии от верха колонны к жидкости из дефлегматора присоединяется исходная смесь, которая поступает на так называемую питающую тарелку колонны. Для того чтобы уменьшить тепловую нагрузку кипятильника, исходную смесь обычно предварительно нагревают в подогревателе 5 до температуры кипения жидкости на питающей тарелке.

Питающая тарелка как бы делит колонну на две части, имеющие различное назначение. В верхней части 1а (от питающей до верхней тарелки) должно быть обеспечено возможно большее укрепление паров, т. е. обогащение их НК с тем, чтобы в дефлегматор направлялись пары, близкие по составу к чистому НК. Поэтому данная часть колонны называется укрепляющей. В нижней части 1б (от питающей до нижней тарелки) необходимо в максимальной степени удалить из жидкости НК, т. е. исчерпать жидкость для того, чтобы в кипятильник стекала жидкость, близкая по составу к чистому ВК. Соответственно эта часть колонны называется исчерпывающей.

В дефлегматоре 3 могут быть сконденсированы либо всe пары, поступающие из колонны, либо только часть их, соответствующая количеству возвращаемой в колонну флегмы. В первом случае часть конденсата, остающаяся после отделения флегмы, представляет собой дистиллят (ректификат), или, верхний продукт, который после охлаждения в холодильнике 6 направляется в сборник дистиллята 9. Во втором случае несконденсированные в дефлегматоре пары одновременно конденсируются и охлаждаются в холодильнике 6, который при таком варианте работы служит конденсатором-холодильником дистиллята.

Жидкость, выходящая из низа колонны (близкая по составу ВК), также делится на две части. Одна часть, как указывалось, направляется в кипятильник, а другая - остаток (нижний продукт) после охлаждения водой в холодильнике 7 направляется в сборник 8.

Ректификация – это процесс разделения гомогенных смесей летучих жидкостей путем двустороннего массо- и теплообмена между неравновесными жидкой и паровой фазами, имеющими различную температуру и движущимися относительно друг друга. Разделение осуществляется обычно в колонных аппаратах при многократном или непрерывном контакте фаз. При каждом контакте из жидкости испаряется преимущественно низкокипящий компонент (НК), которым обогащаются пары, а из паровой фазы конденсируется преимущественно высококипящий компонент (ВК), переходящий в жидкость. Эти пары, выходящие из верхней части колонны, после их конденсации в отдельном аппарате (дефлегматоре) дают дистиллят (или ректификат – верхний продукт) и флегму – жидкость, возвращаемую для орошения колонны и взаимодействия с поднимающимися по колонне парами (нисходящий поток ж-ти). Снизу колонны удаляется ж-ть, п/с почти чистый ВК - кубовый остаток. Часть остатка испаряют в нижней части колонны для получения восходящего потока пара. Ректификацию применяют в различных областях химической технологии, где выделение компонентов в чистом виде имеет весьма важной значение (в производствах органического синтеза, изотопов, полимеров, полупроводников и различных других веществ высокой чистоты).

Равновесие в системах пар – жидкость.

Фазовое равновесие бинарных смесей. Если система состоит из двух компонентов (К = 2) и между ними не происходит химического взаимодействия, то при наличии жидкой и паровой фаз число фаз Ф = 2. Согласно правилу фаз, число степеней свободы такой системы составляет: С = К + 2 – Ф = 2+2-2=2. Следовательно, из трех независимых параметров, полностью определяющих состояние системы, - температуры t, давления р и концентрации одной из фаз с - можно произвольно выбрать любые два; при этом определится значение третьего параметра, которое уже не может быть произвольным.

Для физико-химической характеристики бинарных систем ж. – пар удобно пользоваться фазовыми диаграммами. Пусть х состав жидкой фазы, а у – состав паровой фазы, то при t = соnst, можно построить график зависимости давления пара от состава жидкости (диаграмма р-х). Полагая постоянным давление над смесью (Р = const), изображают на плоскости зависимость температур кипения жидкости и концентрации паров от составов жидкой и паровой фаз (диаграмма t-x-y). Так же при Р=const и t = const находят зависимость между равновесными составами фаз, которая изображается диаграммой равновесия (диаграмма у-х).

Вид этих зависимостей определяется взаимной растворимостью компонентов жидкой смеси. В зависимости от взаимной растворимости компонентов различают смеси жидкостей: 1) с неограниченной взаимной растворимостью; 2) взаимно нерастворимых; 3) ограниченно растворимых друг в друге. Смеси с неограниченной взаимной растворимостью компонентов в свою очередь делятся на идеальные и реальные (неидеальные) смеси.

1.) Идеальные смеси подчиняются закону Рауля, согласно к-ому, парциальное давление каждого компонента, например низкокипящего компонента А в паре Р_А, пропорционально мольной доле Х_А этого компонента в жидкости (летучесть f_i любого компонента идеального раствора равна летучести f_i ^о чистого компонента, умноженной на его мольную долю). При этом коэффициент пропорциональности равен давлению насыщенного пара данного компонента при данной температуре. Р_А* = Р_АХ и Р_В* = Р_В(1-Х), где Х = Х_А – мольная доля комп-та А.

Одновременно, согласно закону Дальтона, общее давление пара над раствором Р равно сумме парциальных давлений его компонентов: Р=Р_А* + Р_В*= Р_АХ + Р_В(1-Х) =Р_В(Р_А-Р_В)Х

Из уравнений, выражающих законы Рауля и Дальтона, видно, что при постоянной температуре парциальные давления компонентов, а также общее давление паров над смесью находятся в линейной зависимости от мольной доли Х_А НК (строится диаграмма р-х при t=const – рис.1).

На рис. 2 – диаграмма t – x – y (при p=const)

По з-ну Рауля: Р_А*=Р_Ах, а по з-ну Дальтона: Р_А*=Ру_А. Тогда у_А*= Р_А*/Р  у_А*= Р_АХ / Р

Т.к. Р=Р_В(Р_А-Р_В)Х  Х = (Р-Р_В)/(Р_А-Р_В).

При p=const, зная t, находим Р_А, Р_В, Х  у_А*

Из диагр. t – x – y, что т-ры кипения смеси ниже т-ры кипения ВКК, но выше т-ры кипения НКК. По мере увеличения в смеси содержания НК т-ра кипения понижается. Абсциссы линии конденсации больше абсцисс линии кипения, т.е. содержание НК в парах больше содержания НК в ж-ти (пары обогащ-ся НК).

Для расчетов ректификации чаще исп-ют диаграмму Х-У (рис. 3)

Положение кривых объясняется з-ном Коновалова: пар обогащается тем комп-том, при добавлении к-ого к ж-ти повыш-ся давление пара над ней или снижается т-ра кипения. Т.е. пар обогащ-ся НКК. Концентрация НКК в паре всегда больше, чем в ж-ти. Область ректификации всегда выше диагонали. Все у*>х

Р еальные смеси с полной взаимной растворимостью компонентов не следуют закону Рауля. Отклонение от этого закона в каждой из фаз может быть положительным или отрицательным, причем последнее наблюдается реже. При положительном отклонении от закона Рауля разность давлений P - Р_ид>О, при отрицательном отклонении P-Р_ид<О, (рис. 5,6) где Р - общее давление над реальным раствором, а Р_ид - над идеальным раствором. Отклонения от закона Рауля связаны с изменением активности молекул в растворе, обусловленным химическим взаимодействием между ними, диссоциацией, гидратацией (в водных растворах) и др.

Д ля ряда смесей количественные отклонения от закона Рауля настолько велики, что приводят к качественно новым свойствам смесей. При некотором составе подобные смеси имеют постоянную температуру кипения, которая может быть максимальной или минимальной. При этой температуре, согласно общему закону Коновалова, состав равновесного пара над смесью равен составу жидкости (у = х). Такие смеси носят название азеотропных, или нераздельнокипящих. М- азеотропная точка указывает состав смеси, которая при данном давлении не может быть разделена перегонкой на составляющие ее компоненты.

При составлении мат.баланса принимаются следующие допущения:

Все тепло подводится с глухим паром в кипятильнике;

Смесь подается подогретая до т-ры кипения в жидком виде;

Мольные теплоты испарения компонентов одинаковы; каждый кмоль пара при своей конденсации испаряет 1 кмоль жидкости. Поэтому количество молей паровой фазы, поднимающейся по колонне, в любом сечении одинаково.

При конденсации в дефлегматоре не происходит изменение состава пара;  состав пара, уходящего из колонны, равен составу дистиллята;

При испарении ж-ти в кубе не происходит изменения ее составасостав пара, выходящего из куба и поступающего на нижнюю тарелку, равен составу кубового остатка.

Пусть в колонну поступает F кмоль исходной смеси, состав которой х_F мол.долей НК. Сверху из колонны удаляется G кмоль паров, образующих после конденсации флегму и дистиллят. Количество получаемого дистиллята Р кмоль, его состав x_P . На орошение колонны возвращается флегма , состав которой равен составу дистиллята. Снизу из колонны удаляется W кмоль кубового остатка, состав которого x_W.Тогда уравнение материального баланса колонны: F = P+W. Поскольку . Тогда мат. баланс по НК и м/найти Р и W: G=P+Ф=P+RP=P(1+R)

Уравнение рабочих линий

укрепляющей (верхней) части:

количество паров, поднимающихся по колонне: , где R – флегмовое число - отношение кол-ва флегмы к кол-ву дистиллята.

количество жидкости, стекающей по этой части колонны: .

тогда

учитывая, что (допущение 4), получим

откуда выразим у:

; .

исчерпывающей (нижней) части

количество паров, поднимающихся по колонне: ;

количество стекающей жидкости больше количества исходной смеси, поступающей на питающую тарелку , где – число питания.

Приход тепла: Расход тепла:

1. С питанием ; 1. С парами ;.

2. С флегмой ; 2. С кубовым остатком ;

3. Подвод тепла в кубе ; 3. Потери .

Тогда .

Учитывая, что получим

Определим количество тепла, подводимое в кубе:

.

Т.о. тепло, подводимое в кубе, тратится на:

Испарение флегмы;

Испарение дистиллята;

Нагрев кубового остатка;

Компенсацию потерь.

Раход греющего пара в кипятильнике: , где r_п – теплота парообразования.

Азеотропная и экстрактивная ректификация.

Простая перегонка п/с процесс однократного частичного испарения жидкой смеси и конденсации образующихся паров. Она применима только для разделения смесей, летучести компонентов которой существенно различны. Обычно ее используют для предварительного грубого разделения жидких смесей, а также для разделения сложных смесей от нежелательных примесей, смол и т.п. Известны несколько видов простой перегонки. Фракционная перегонка (Простая перегонка, проводимая с получением конечного продукта разного состава). Перегонку проводят путем постепенного испарения ж-ти, находящейся в перегонном кубе. Перегнанные пары отводятся и конденсируются. Процесс осуществляют периодическим и непрерывным способом. Если простая перегонка проводится периодически, то в ходе отгонки НК содержание его в кубовой ж-ти уменьшается. Вместе с тем, изменяется во времени и состав дистиллята, который обедняется НК в ходе процесса. В связи с этим отбирают несколько фракций дистиллята, имеющих различный состав.

Простую перегонку проводят при атмосферном давлении или под вакуумом, присоединяя сборники дистиллята к источнику вакуума. Применение вакуума дает возможность разделять термически малостойкие сме6си и, вследствие понижения температуры кипения раствора, использовать для обогрева куба пар более низких параметров.

Простая перегонка с дефлегмацией. Для повышения степени разделения смеси дополнительно обогащают дистиллят путем дефлегмации. В дефлегматоре из пара конденсируется преимущественно ВК и флегма сливается в куб. Пары, обогащенные НК, направляются в конденсатор – холодильник, где полностью конденсируются.

Перегонка в токе носителя. Понижение т-ры кипения разделяемой смеси м/б достигнуто не только перегонкой под вакуумом, но также путем введения в эту смесь дополнительного компонента-носителя (водяного пара или инертного газа). Перегонка с водяным паром. Если компоненты исходной смеси в воде, то ее исп-ют в качестве дополнит-ного компонента, который вводят в куб обычно в виде острого пара. Этим способом обычно разделяют (или очищают от примесей) смеси веществ, превышающих 100С, что и обусловливает подачу воды в куб в виде острого перегретого пара. Перегонка с инертным газом (азот, СО₂). Она позволяет более значительно снизить т-ру испарения разделяемой смеси. Присутствие инертного газа в парах приводит к резкому уменьшению коэффициента теплоотдачи в конденсаторе-холодильнике и соотв-но – к значительному возрастанию пов-ти теплообмена. Кроме того, кондансация парогазовых сесей часто сопровождается туманообразованием. Это весьма затрудняет разделение смесей и вызывает заметный унос конечного продукта с инертным газом.

Ректификация многокомпонентных смесей. (рис. 4) В пром-ти обычно разделяют не бинарные, а многокомпонентные смеси, ректификация которых является более сложным и менее изученным процессом. Многокомпонентная смесь п/с систему, число степеней свободы которой равно числу компонентов, составляющих эту смесь. В общем случае число колонн для ректификации таких смесей должно быть на одну меньше, чем число разделяемых компонентов.

Разделение комп-тов с близкими т-рами кипения, относительные летучести α которых близки к 1, сопряжено со значительными трудностями.при работе с такими смесями линия равновесия сближается с диагональю диаграммы у-х, что для их разделения требуется очень большое число единиц переноса. Величина α м/б увеличена либо проведением процесса под вакуумом, либо введением разделяющего агента, обладающего избирательным действием. При его добавлении летучесть и коэффициент активности для НК возрастают больше, чем для ВК, что и облегчает разделение смеси.

Э кстрактивная ректификация. (рис. 5) Разделяющий агент д/обладать значительно меньшей летучестью (более ВК), чем компоненты исходной смеси, и не образовывать с ними азеотропныхъ смесей. Он отводится из колонны с кубовым остатком. Исходную смесь А+В подают на питающуу тарелку, а разделяющий агент С – выше – между пит.тарелкой и верхом колонны,(на рис.5: 1- экстракционно-ректификационная колонна, 2- ректификационная колонна для регенерации разделяющего агента). Типичным примером применения экстрактивной ректификации является разделение смеси близкокипящих бензола (комп-т А) и циклогексана (комп-т В) с применением фенола (С). Экстрактивная ректификация проводится только непрерывным способом.

А зеотропная ректификация. (рис. 6) Разделяющий агент образует с одним из компонентов исходной смеси азеотропную смесь, обладающую минимальной температурой кипения, в виде которой он отгоняется из ректификационной колонны в качестве дистиллята, а другой компонент (практически чистый) удаляется в виде остатка. Иногда м/подобрать агент, образующий азеотропную смесь с максимальной т-рой кипения, тогда новая азеотропная смесь б/удаляться в виде остатка. Такие процессы проводят непрерывно и периодически. При азеотр.рект. требуется больший расход тепла, чем при экстр.рект. Также здесь более затруднен подбор разделяющего агента и ограничена возможность изменения соотношения его количества и количества исходной смеси по сравнению с экстрактивной ректификацией.

7.6.

Как изменится работоспособность и качество очистки сточной воды на высоконагружаемом биофильтре, если при прочих равных условиях увеличить количество подаваемого воздуха с 8 до 12 м³/м³?

Ответ на вопрос можно найти, если проанализировать табл (СНиП).

Параметры для расчета высоконагружаемых биофильтров

qa м3/м3	Haf, м	Коэффициент Кaf при Tw, °C,Haf, м, и qaf, м3/(м2сут)
		Tw=8			Tw=10			Tw=12			Tw=14
		qaf=10	qaf=20	qaf=30	qaf=10	qaf=20	qaf=30	qaf=10	qaf=20	qaf=30	qaf=10	qaf=20	qaf=30
8	2 3 4	3,02 5,25 9,05	2,32 3,53 5,37	2,04 2,89 4,14	3,38 6,2 10,4	2,5 3,96 6,25	2,18 3,22 4,73	3,76 7,32 11,2	2,74 4,64 7,54	2,36 3,62 5,56	4,3 8,95 12,1	3,02 5,25 9,05	2,56 4,09 6,54
10	2 3 4	3,69 6Д 10,1	2,89 4,24 6,23	2,58 3,56 4,9	4,08 7,08 12,3	3,11 4,74 7,18	2,76 3,94 5,68	4,5 8,23 15,1	3,36 5,31 8,45	2,93 4,36 6,88	5,09 9,9 16,4	3,67 6,04 10	3,16 4,84 7,42
12	2 3 4	4,32 7,25 12	3,88 5,01 7,35	3,01 4,18 5,83	4,76 8,35 14,8	3,72 5,55 8,5	3,28 4,78 6,2	5,31 9,9 18,4	3,98 6,35 10,4	3,44 5,14 7,69	5,97 11,7 23,1	4,31 7,2 12	3,7 5,72 8,83

К_af = L_en/L_ex

L_en - БПК_полн поступающей сточной воды

L_ex - БПК_полн очищенной сточной воды L_ex

H_af - высота биофильтра, м;

T_w - среднезимняя температура сточной воды, °С;

q_af - гидравлическая нагрузка, м³/(м^{2 .} ч)

q_a - количество подаваемого воздуха, м³/м³.

Допустим, что имеется биофильтр высотой 4 м, работающий при температуре 12 °С с начальной БПКпол = 150 мг/л. При нагрузке по воде (гидравлической нагрузке) 20 м³/(м^{2 .} ч) и количестве подаваемого воздуха 8 м³/м³ этот биофильтр обеспечит качество очистки воды до БПКполн:

150 : 7,54 = 19,8 ≈ 20 мг/дм³

Если при тех же условиях увеличить количество воздуха до 12 м³/м³, то БПКполн очищенной воды будет

150 : 10,4 = 14,3 ≈ 14 мг/дм³.

Следовательно, эффективность очистки заметно возрастает.

Если по условиям работы биофильтра не требуется увеличения глубины очистки воды, то можно, обеспечивая прежнее качество (20 мг/л), почти в 1,5 раза увеличить количество очищаемой воды. В самом деле, при гидравлической нагрузке 30 м³/(м^{2 .} ч) биофильтр обеспечит очистку до БПКпол: 150/7,69 = 19,5 ≈ 20 мг/л.

Изменение эффективности работы биофильтра при других исходных условиях может оказаться другим. Но во всех случаях увеличение подачи воздуха (до 12 м³/м³) позволяет либо повысить качество очищаемой воды, либо увеличить производительность биофильтра.