Установки периодического действия для ректификации многокомпонентных смесей. Материальный и тепловой баланс. куУстановки периодического действия для ректификации многокомпон. Установки периодического действия для ректификации многокомпонентных смесей. Материальный и тепловой баланс.
 Скачать 0.61 Mb.
|
|
Курсовая работа Тема: «Установки периодического действия для ректификации многокомпонентных смесей. Материальный и тепловой баланс.» Введение Ректификация – это процесс разделения двойных или многокомпонентных смесей за счёт противоточного массообмена между паром и жидкостью. Ректификация — разделение жидких смесей на практически чистые компоненты, различающиеся температурами кипения, путём многократного испарения жидкости и конденсации паров. В процессе ректификации происходит непрерывный обмен между жидкой и паровой фазой. Жидкая фаза обогащается более высококипящим компонентом, а паровая фаза – более низкокипящим. Процесс массообмена происходит по всей высоте колонны между стекающей вниз флегмой и поднимающимся вверх паром. Что бы интенсифицировать процесс массообмена применяют контактные элементы, что позволяет увеличить поверхность массообмена. В случае применения насадки жидкость стекает тонкой пленкой по ее поверхности, в случае применения тарелок пар проходит через слой жидкости на поверхности тарелок. Материальный баланс − отражает закон сохранения массы вещества: во всякой замкнутой системе масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, получившейся в результате реакции. Тепловой баланс– это соотношение процессов теплопродукции, теплоудержания и теплоотдачи, т.е. баланс между системами, продуцирующими тепло и системами, в которых это тепло теряется. Ректификационные колонны и установки периодического действия Ректификация - метод разделения смеси жидкостей на чистые фракции благодаря последовательному многократному испарению жидкой фазы и конденсации паров в двух встречных потоках - ниспадающей жидкости и восходящих паров. Каждая фракция содержит вещества с одинаковой температурой кипения. При контакте паров с жидкостью в первую очередь из нее испаряются вещества с более низкой температурой кипения (более низкокипящие), а из пара конденсируются с более высокой температурой кипения (более высококипящие). Устройство на котором происходит взаимодействие паров и жидкости, так и называется — контактное устройство. В простейшем случае — это тарелка. Жидкость, накапливаясь на тарелке, обогащаясь высококипящими фракциями, стекает под действием силы тяжести вниз. В свою очередь пар, обогащаясь низкокипящими фракциями, устремляется вверх. Если имеется несколько последовательных контактных устройств (тарелок друг над другом), при таком последовательном многократном массообмене более низкокипящие фракции поднимаются, как бы всплывая вверх, а высококипящие фракции опускаются вниз. Стоит обратить внимание, поднимаются не более легкие по весу вещества, а более легкокипящие, то есть, с более низкой температурой кипения. При этом наблюдается градиент температуры по высоте: внизу она выше, а с высотой понижается. В идеале жидкость и пар на тарелке должны находиться в состоянии равновесия. При этом, количество вещества в жидкости и в паре различно. Максимально теоретически возможная разница концентраций компонентов в паре и жидкости при заданных условиях соответствует понятию «теоретическая тарелка». Физическая тарелка в отличие от теоретической имеет КПД отличный от 100 % и он составляет на практике порядка 50 %. Чем меньше разница температур кипения фракций, тем больше требуется теоретических тарелок и их физических аналогов для качественного разделения смесей. Поток паров снизу в верх обеспечивается подачей в самую нижнюю зону тепла, достаточного для кипения исходной смеси. Следует подчеркнуть, для эффективной ректификации необходим так же постоянный встречный поток жидкости сверху. Это условие должно соблюдаться по всему объему процесса. Установки для ректификации периодического действия могут работать: 1) в режиме постоянной флегмы; 2) в условиях, обеспечивающих постоянный состав дистиллята.  Схема ректификационной установки периодического действия: 1 – куб; 2 – колонна; 3 – дефлегматор; 4 – разделительный стакан; 5 – холодильник; 6, 7 - сборники Процесс ректификации, как видно из сказанного, проще всего организовать в вертикальных колоннах, получивших название ректификационных. Ректификационные колонны применяется как в относительно простых лабораторных установках, так и в сложных промышленных агрегатах нефтехимической, химической, газовой, легкой, пищевой, фармацевтической и других отраслей промышленности. В зависимости от назначения колонны имеют размеры в диаметре и по высоте от нескольких сантиметров до нескольких метров и даже десятков метров. Соответственно изготавливаются колонны из стекла, керамики, металла. В зависимости от агрессивности разделяемых веществ, их температур кипения, требований по чистоте, технологии и прочих характеристики материалов уточняются и учитываются. Для осуществления эффективного многократного массообмена между жидкостью и парами требуется обеспечить достаточную площадь контакта и ее «распределение» по вертикали. С этой целю в ректификационной колонне либо устанавливается большое число горизонтальных тарелок друг над другом, либо весь объем колонны заполняется насадкой. Соответственно, конструкция ректификационной колонны в первом случае тарельчатая, а во втором — насадочная. Насадка представляет собой высоко пористую структуру, как бы дробящую объем колонны на огромное число связанных между собой, не изолированных ячеек, что позволяет на порядки увеличить площадь поверхности в заданном объеме. Соответственно увеличивается площадь контакта между паром и жидкостью. По естественным каналам жидкость и пар могут достаточно свободно перемещаться, эффективно взаимодействуя между собой. Сопротивление перемещению пара характеризует пропускная способность насадки, которое будет влиять на производительность колонны. В свою очередь, насадка может быть регулярная со строго повторяющейся структурой и нерегулярная. В обоих случаях поверхность насадки дополнительно подвергается специальной обработке для развития ее поверхности. Это приводит к увеличению эффективности массообмена на ней. Регулярная насадка выполняется из листового материала, рифленого, перфорированного и упакованного определенным способом, чтобы плотно соприкасаться со стенками колонны. Нерегулярная насадка изготовляется из самых разных материалов и представляет из себя засыпку из элементов одинаковой формы и размера. Это могут быть кольца, цилиндры, полые призмы и т. д. Ректификационная колонна с дополнительными функциональными элементами такими как испаритель, конденсаторы, теплообменники, дозирующие и вакуумные насосы, накопительные и буферные емкости, системы мониторинга и управления, а так же трубопроводная арматура составляют в целом ректификационную установку. Испаритель (куб), в котором кипит смесь жидкостей за счет подвода внешнего тепла находится снизу ректификационной колонны. В кубе так же накапливается кубовый продукт - самые высоко кипящие не испарившиеся фракции. Конденсатор располагается, как правило, наверху колонны. Пары, достигшие верха колонны поступают в конденсатор, охлаждаются и конденсируются. После этого часть конденсата, называемая флегмой, возвращается на самую верхнюю тарелку колонны. Это обеспечивает выполнение условия по потоку жидкости сверху. Другая часть конденсата, называемая дистиллятом, отводиться в накопитель. Для управления процессом ректификации отношение количества флегмы к дистилляту, называемое флегмовым числом или коэффициентом орошения, может регулироваться. По принципу действия ректификационные установки разделяются на периодические и непрерывные. В ректификационных установках периодического действия разделяемую смесь загружают в куб однократно и процесс разделения проводят до получения продуктов заданного конечного состава. Колонны периодического действия применяют на установках малой производительности при необходимости отбора большого числа фракций и получения высокой степени разделения. Процесс ректификации может осуществляться при атмосферном давлении или под вакуумом. Это позволяет производить разгонку при пониженной температуре. В основном ректификация осуществляется при давлении близком к атмосферному. Вакуумной ректификации подвергают смеси веществ склонных при высоких температурах к термическому распаду или полимеризации. Вакуумная ректификация применяется так же как метод для разделения азеотропных смесей. Для оптимального построения технологического процесса ректификации на предприятиях применяются различные отработанные технические решения, позволяющие получать продукцию по минимальной стоимости. Ректификация — процесс, требующий особо точного соблюдения технологии. В производственных условиях любое его нарушение приводит к колоссальным потерям времени, энергоресурсов и выпуску некачественной продукции. Немаловажный фактор — обеспечение безопасности производства. Именно поэтому, в современных ректификационных установках требования к системам мониторинга и автоматического управления достаточно высоки. Установки для ректификация многокомпонентных смесей Задача разделения многокомпонентных смесей на практике встречается гораздо чаще, чем двухкомпонентных, поэтому ректификация многокомпонентных смесей является основным процессом ректификации в химических и нефтехимических производствах. Разделение многокомпонентных смесей возможно также периодическим и непрерывным способами. Периодическая ректификация. При проведении периодической ректификации многокомпонентных смесей используется такой же установкой , что и для ректификации бинарной смеси. В том случае осуществляется последовательный отбор с верха колонны отдельных фракций, содержащих как достаточно чистые продукты, так и смеси органических веществ, которые необходимо подвергать дополнительной ректификации. Поэтому применение периодического способа ректификации многокомпонентных смесей в производствах многотоннажных органических веществ нецелесообразно. Если на ректификацию подается смесь, содержащая п компонентов, то требуемое число колонн будет на единицу меньше (п-1), так как каждая колонна выдает лишь один целевой продукт (верхний или нижний), а последняя - два (верхний и нижний). Для синтеза оптимальной схемы разделения необходимо провести анализ физико-химических свойств компонентов исходной смеси, условий фазового равновесия в многокомпонентной системе, учесть требования к составу целевых компонентов и примесей. Анализ фазовых равновесий позволяет оценить возможность разделения и выявить ограничения, связанные с образованием азеотропов и наличием близкокипящих компонентов, что потребует применения азеотропной или экстрактивной ректификации. При выборе схем разделения необходимо учитывать, что процесс ректификации является энергоемким, поэтому в первую очередь отгоняют компонент содержание которого максимально, чтобы предотвратить его испарение много раз. К снижению энергетических затрат может привести рекуперация тепловых потоков (например, теплоту кубовых продуктов можно использовать для подогрева исходного сырья), использование оптимального флегмового числа. Оптимальная схема разделения должна отвечать минимуму затрат. Разделение многокомпонентной смеси в многоколонной установке может осуществляться по различным вариантам, отличающимся последовательностью выделения чистых компонентов. Так, из смеси могут отгоняться наиболее легколетучие компоненты в порядке убывающей летучести. Противоположным этому варианту является метод последовательного отбора труднолетучих компонентов из куба в порядке возрастающей летучести. Между этим двумя крайними вариантами могут существовать промежуточные, в которых в том или ином порядке происходит чередование отбора из верхней и нижней частей колонн. Число этих вариантов быстро возрастает с ростом числа компонентов в разделяемой смеси. Так, если трехкомпонентная смесь может быть разделена только по двум вариантам, то для четырехкомпонентной смеси может быть 5 вариантов, для пятикомпонентной - 14, для шестикомпонентной - 42 варианта и т.д. На практике затруднение вызывает определение оптимального варианта, особенно при разделении смесей, содержащих большое число компонентов.  Пять возможных вариантов разделения смесей из четырёх компонентов (А, В, С, Д) в трехколонной ректификационной установке. Другие варианты занимают промежуточное положение. В работах С.В.Львова отмечено, что даже в том случае, если требуется выделить не чистый легкий компонент, а фракцию из двух-трех компонентов, энергетически выгодней выделять их не одновременно, а последовательно, и затем смешать полученные чистые дистилляты. Недостатком многоколонных установок является их громоздкость и высокая стоимость. Поэтому в ряде случаев применяют для разделения сложных смесей одноколонные установки. В нефтеперерабатывающей промышленности используются сложные колонны представляющие собой комбинацию укрепляющих частей ряда колон, совмещенных в одной колонне и расположенных друг за другом. Исчерпывающие части отдельных колонн вынесены в виде самостоятельных аппаратов. Нефть  Схема сложной (нефтеперегонной) колонны: I, II, III, IV, V - компоненты в порядке убывающей летучести. Сложная колонна может работать по единственной схеме: с верха укрепляющих секций каждой и совмещенных в ней простых колонн уходит паровая смесь всех компонентов, кроме одного - наименее летучего. Последний выводится из куба соответствующей исчерпывающей секции. Анализируя работу сложной колонны, в свете приведенных выше выводов С.В. Львова, нетрудно прийти к заключению, что она работает по наименее выгодному варианту. Вероятно, применение таких колонн не имеет существенных перспектив в промышленности органического синтеза. Наконец, необходимо отметить, что в ряде производств органического синтеза сложные смеси разделяют в обычных одноколонных установках, но отбор тех или иных компонентов смеси производят с определенных тарелок. Этот прием используют в тех случаях, когда разделяемые смеси мало отличаются от бинарных, т.е. содержат два компонента в преимущественных количествах, а остальные - в сравнительно небольших. Именно таким способом производят отделение примесей высших спиртов в процессе ректификации этилового спирта, отделение примесей высших спиртов и карбонильных соединений от синтетического метилового спирта и т.д. Этот прием достаточно простой на первый взгляд, но сопряжен с известными трудностями, которые заключаются, во-первых, в том, что необходимо определить, на какой тарелке колонны концентрируются примеси, что далеко не всегда возможно расчетным путем, во-вторых, в том, что отбираемая с промежуточной тарелки фракция не является чистым компонентом, а всегда содержит значительное количество основных разделяемых веществ (например, наряду с высшими спиртами всегда будет выводиться из колонны этиловый спирт и вода). Следовательно, необходимы дополнительные операции для регенерации целевого продукта и получения отбираемой фракции в сравнительно чистом виде. Расчет ректификации многокомпонентных смесей Как известно, математическая модель ректификации должна учитывать балансовые соотношения, парожидкостное равновесие, кинетику массопередачи и гидродинамику потоков. Основу модели составляют материальный и тепловой балансы колонны. Парожидкостное равновесие, кинетика массопередачи и гидродинамика потоков представляют собой самостоятельные сложные задачи. Использование различных методов учета фазового равновесия, кинетики и гидродинамики приводит к изменению отдельных коэффициентов или зависимостей в балансовых соотношениях, однако не изменяет общего алгоритма решения. В связи с большой размерностью задачи и ее нелинейностью разработка универсальных алгоритмов, которые гарантировали бы сходимость при различных способах описания отдельных явлений, представляет значительные трудности. Основная трудность расчета массообменных аппаратов заключается в обеспечении сходимости решения систем уравнений материального и теплового балансов. Причем эти сложности возрастают для смесей с сильно неидеальными свойствами. Решение систем уравнений производится итерационно, исходя из некоторого начального приближения для зависимых переменных. Такой подход свойственен всем методам решения систем нелинейных уравнений. Все методы расчета процесса ректификации можно разделить на две группы: потарелочные и матричные. В потарелочных методах расчет выполняется последовательно, начиная с куба или дефлегматора от тарелки к тарелке с последующей проверкой выполнения уравнений материального баланса, либо с обоих концов колонны до тарелки питания с проверкой условий сопряжения в месте ввода питания; после очередного расчета уточняется начальное приближение, и вычисление повторяется до выполнения критерия окончания расчетов. В матричных методах по каждому из компонентов исходной смеси записывается система уравнений, и решение осуществляется матричными методами. Поскольку начальное приближение выбирается произвольно, то после выполнения очередной операции производится коррекция искомых переменных. Матричные методы находят все более широкое применение, т.к. проявляется меньшая склонность к накоплению ошибок округления и соответственно большая устойчивость вычислительных схем при расчете колонн с несколькими питаниями и боковыми отборами. К тому же при расчете комплекса колонн снимается проблема задания топологии системы, т.к. все связи между колоннами отражены соответствующими коэффициентами в матрице системы уравнений баланса. В качестве независимых переменных Льюис и Матисон предложили принимать количественный состав продуктов разделения (потарелочный расчет), а Тиле и Геддес - температуру на каждой тарелке. Наибольшее распространение получили методы, основанные на задании температуры кипения по высоте колонны, известные под названием «независимого определения концентраций». Считается, что примерно 80% задач по расчету ректификационных колонн обеспечивают методы Тиле и Геддеса. Поэтому при разработке алгоритмов расчетов важное внимание уделяется и разработке процедур, ускоряющих время решения и его сходимость. Одним из таких способов, широко применяемых в практике расчетов, является 0-метод коррекции, основанный на коррекции составов, исходя из решения уравнений общего материального баланса колонны. Матричные методы, составляющие большинство известных методов расчета массообменных аппаратов и их комплексов, можно разделить на две группы по способу линеаризации балансовых соотношений. К первой группе относятся методы, в которых линейность достигается за счет использования численных значений параметров, определяющих нелинейность с предыдущих итераций. Типичным примером является метод Тиле и Геддеса, реализованный в матричной форме. Для него характерна трехдиагональная структура матрицы системы уравнений баланса, простота хранения коэффициентов системы уравнений. Однако, являясь по скорости сходимости методом первого порядка, он в ряде случаев обладает слишком медленной скоростью сходимости или вообще не обеспечивает решения. Другим способом линеаризации является разложение функции (уравнения баланса) в ряд Тейлора до членов первого порядка. Полученная система уравнений решается методом Ньютона- Рафсона. Этот способ обладает квадратичной сходимостью, однако весьма чувствителен к начальному приближению. Особое место занимает метод релаксации, заключающийся в том, что расчет нестационарного процесса осуществляется в результате решения системы обыкновенных дифференциальных уравнений материального баланса для установившегося состояния. Метод релаксации обладает устойчивой сходимостью независимо от сложности задачи, однако по мере приближения к решению задачи скорость сходимости становится очень низкой, что является ограничением широкого применения метода, хотя иногда он является единственно возможным для обеспечения сходимости. Наряду с перечисленными методами развивается подход, основанный на принципе максимальной энтропии, интересный тем, что не требует при своей реализации итерационных процедур. Распространенным способом модификации известных методов является расширение класса решаемых задач путем учета разделительной способности контактного устройства (КПД тарелки), расчета колонн с боковыми отборами и рециклами, а также улучшения сходимости путем введения форсирующих процедур, линеаризации равновесных соотношений и т.д. Другой путь состоит в объединении положительных качеств различных методов (линеаризации и релаксации) с целью получения хорошего начального приближения, что позволяет решать более широкий класс задач при высокой скорости сходимости. Материальный и тепловой баланс ректификационной колонны Расчет ректификационной колонны производится для заданных составах исходной смеси, кубового остатка, дистиллята, производительности и рабочем давлении в колонне. В начале определяется материальный баланс колонны и рабочее флегмовое число. Для этого используется y–x-диаграмма. Затем подбирается тип тарелок, определяется скорость пара, диаметр колонны, коэффициент массопередачи, высота колонны, гидравлическое сопротивление тарелок. После этого проводится расчет эксплуатационных свойств, а также экономические показатели ее использования. Материальный и тепловой балансы ректификации составляют по принципиальной схеме, показанной на рис. ниже. В колонну ректификационной установки поступает исходная смесь, которая в результате ректификации разделяется на дистиллят и кубовый остаток.  Рис. Принципиальная схема ректификации для составления материального и теплового балансов ректификации Выходящие из колонны пары конденсируются в дефлегматоре и попадают в разделительный приемник 3, где разделяются на две части: одна часть, так называемая флегма Ф, направляется на орошение колонны, а другая отбирается в виде продукта — дистиллята. Материальный баланс ректификации описывается следующими уравнениями, общий материальный баланс: Gf = Gd + Gw, по легколетучему компоненту: Gfxf = Gdxd + Gwxw, где Gf , Gd и Gw — массы, соответственно, смеси, поступающей на ректификацию, дистиллята и получаемого остатка, к/моль; xf , xd и xw — концентрации легколетучего компонента, соответственно, в исходной смеси, дистилляте и в остатке, мольные доли. Массы исходной смеси, кубового остатка и флегмы теоретически соотносят к 1 кмоль дистиллята и обозначаются соотношениями: Gf/Gd = F, Gw/Gd = W, Ф/Gd = R. Последнее отношение называется флегмовым числом и принимается равным от 1,5 до 2,0. При минимальном флегмовом числе можно получить максимальное количество дистиллята, но число тарелок становится бесконечно большим. Если флегмовое число принять равным бесконечности, то колонна работает сама на себя. При флегмовом числе меньше минимального ни при каких условиях невозможно отогнать чистый продукт с заданной степенью чистоты. Ректификационная колонна разделяется на две части: верхнюю, или укрепляющую (в ней пар укрепляется, то есть обогащается ЛЛК), и нижнюю — исчерпывающую (где происходит исчерпывание жидкой смеси, то есть извлечение ЛЛК и обогащение ее ТЛК). Уравнение материального баланса для верхней и нижней частей колонны составляется на основании следующего общего уравнения: Gdy = L(–dx). Количество жидкости, стекающей в укрепляющей части колонны: L = RGd. Количество паров, поднимающихся по колонне: G = Gd + Ф = Gd + RGd = Gd(1 + R). Для укрепляющей части колонны используется уравнение: (R + 1)dy = R(–dx). для исчерпывающей части колонны: (R + 1)dy = (F + R)(–dx). 2. Тепловой баланс ректификационной колонны непрерывного действия выражается равенством: Q1 + Gfcf tf + RGdcdtd = Gd(R + 1)(rd – cdtd) + Gwcwtw + Qп, где Q1 — расход теплоты в кубе, Дж/ч; cf, cd и cw — удельные теплоемкости, соответственно, исходной смеси, дистиллята и кубового остатка, Дж/(кг⋅К); tf, td и tw — температуры, соответственно, исходной смеси, дистиллята и кубового остатка, К; rd — теплота парообразования дистиллята, Дж/кг; Qп — потери теплоты в окружающее пространство, Дж/ч. Далее из уравнения определяется расход теплоты в кубе ректификационной колонны: Q1 = Gd(R + 1)rd + Gdcdtd + Gwcwtw + Gfcftf + Qп, Работа ректификационной колонны связана с обменом энергии между фазами. В колонне тепло подводится с сырьем и нагревателем, а уходит с дистиллятом, кубовым остатком и холодильником. Общий тепловой баланс ректификационной колонны: Qf + Qн = Qd + Qw + Qх. где Qf — количества тепла, вносимого с сырьем; Qн — количество тепла, вносимого нагревателем; Qd — количество тепла, уходящего с дистиллятом; Qw — количество тепла, уносимого с кубовым остатком; Qх — количество тепла, отводимое холодильником-конденсатором. При заданных составах и отборах дистиллята и остатка величины Qd и Qw — постоянная величина: Qf + (Qн – Qх) = Qd + Qw = const. При неизменной температуре и составе сырья Qf = const, тогда величина (Qн – Qх) = const. Расчет процесса ректификации Разработка оптимальной схемы разделения — сложная проблема теории ректификации. Постановка задачи включает перечень продуктов разделения и требования к ним по составу целевых компонентов в дистилляте, кубового остатка и примесей. При разработке наиболее оптимальной схемы разделения сначала производится анализ физико-химических свойств компонентов исходной смеси, условий фазового равновесия в многокомпонентной системе, материального и теплового баланса, и только потом можно рассчитывать варианты схемы разделения. Затем на основе анализа фазовых равновесий выясняется принципиальная возможность разделения и выявляются ограничения, обусловленные, например, образованием азеотропов и наличием близкокипящих компонентов. В этом случае возникает необходимость применения азеотропной или экстрактивной ректификации. Расчет процесса ректификации производится графоаналитическим методом. Для построения рабочей линии на оси абсцисс на у–x-диаграмме откладывают концентрации, характеризующие составы жидкостей: xw, xf и xd. Учитывая, что xd = yd, из точки xd проводят перпендикуляр и на пересечении его с диагональю находят точку А с координатами xd = yd. Зная флегмовое число R, определяют отрезок B = xd/(R + 1) и откладывают его на оси ординат диаграммы.  Соединяют конец отрезка В (точка B) с точкой А. Затем из точки xf, соответствующей заданному составу исходной смеси, проводят вертикаль до пересечения с линией А–b в точке В. Образующая прямая А–В является рабочей линией укрепляющей части колонны. Далее из точки xw восстанавливают перпендикуляр и на пересечении его с диагональю находят точку С. Соединяя точки С и В, получают рабочую линию для исчерпывающей части колонны. Точка В является общей для рабочих линий и характеризует рабочие концентрации в жидкости и паре на тарелке питания. Положение рабочих линий при заданных концентрациях жидкости xw, хf и xd зависит только от величины отрезка В, определяемого значением рабочего флегмового числа R. С уменьшением флегмового числа отрезок В увеличивается, и рабочая линия стремится к своему предельному верхнему положению А–b, соответствующему пересечению рабочей и равновесной линий в точке B1. Очевидно, что в этой точке движущая сила Δy = yp – y = 0, следовательно, ректификационная колонна должна иметь бесконечно большую поверхность фазового контакта. В этом случае число теоретических ступеней изменения концентраций будет бесконечным и разделение смеси возможно только в условной колонне бесконечной высоты. При этом расход греющего пара и диаметр колонны будут минимальными. Флегмовое число при этом также будет минимальным и равным:  Второму нижнему предельному положению рабочей линии соответствует бесконечно большое флегмовое число и соответственно отрезок В = 0. В этом случае обе рабочие линии совпадают с диагональю. Бесконечно большому флегмовому числу соответствует максимальная движущая сила процесса Δymax = yp – y, и, следовательно, наименьшее число теоретических ступеней изменения концентрации и минимальная высота колонны. Однако расход пара в колонне, расход греющего пара в кипятильнике, диаметр колонны, а также расход охлаждающей воды в дефлегматоре будут максимальными. Здесь ректификационная колонна работает без отбора дистиллята, «сама на себя», что имеет место только при выводе колонны на рабочий режим. Рациональный выбор рабочего флегмового числа является важной технологической задачей, поскольку от флегмового числа зависят размеры (высота, диаметр) ректификационной колонны, а следовательно, капитальные и эксплуатационные расходы, а также энергозатраты. Эксплуатационные расходы, определяемые в основном расходом пара и воды, возрастают прямо пропорционально величине флегмового числа. Зависимость капитальных затрат от величины флегмового числа обратно пропорциональна высоте и диаметру колонны. Оптимальному значению флегмового числа соответствует минимум капитальных затрат. Зависимость суммарных затрат от флегмового числа также имеет минимум. Этому минимуму соответствует оптимальное значение рабочего флегмового числа, определяемое по формуле: Rp = sRmin, где s — коэффициент избытка флегмы. Во многих случаях коэффициент избытка флегмы принимается в пределах s = 1,1–1,4. При периодической ректификации рабочие линии процесса изображаются на у–x-диаграмме, как показано на рис. 4. Процессы периодической ректификации могут проводиться при постоянном флегмовом числе либо при постоянном составе дистиллята. В случае ректификации при постоянном флегмовом числе содержание легколетучего компонента в кубе и дистилляте постепенно уменьшается. В результате, как и в случае фракционной перегонки, получают дистиллят в виде нескольких фракций. Однако при постоянном флегмовом числе наклон рабочих линий не зависит от концентраций. Если в первый момент ректификации концентрация летучего компонента в кубовой жидкости xf, а в дистилляте — xd, то в результате ректификации концентрация летучего компонента в кубе будет уменьшаться и принимать значения x1, x2 и т.д. вплоть до конечной концентрации xw. Соответственно, будет уменьшаться и концентрация легколетучего компонента в дистилляте: xd1, xd2 и хd3 и т.д. В итоге образуется дистиллят среднего состава: Для получения постоянного состава дистиллята процесс ректификации проводят при изменяющемся флегмовом числе: минимальном в начале процесса и максимальном в конце. Увеличение флегмового числа соответствует уменьшению отрезка В и, следовательно, увеличению наклона рабочей линии. При этом рабочая линия будет занимать последовательно положения А–В1, А–В2, А–В3 и т.д.  Типы ректификационных установок Для контактирования потоков пара и жидкости в процессах ректификации применяются ректификационные установки различных конструкций, среди которых наибольшее распространение получили вертикальные установки колонного типа. Установки этого типа могут быть классифицированы в зависимости от рабочего давления, технологического назначения, типа контактных устройств и технологической схемы. В зависимости от рабочего давления колонные ректификационные установки подразделяются на атмосферные, вакуумные и работающие под давлением. К атмосферным ректификационным установкам обычно относят установки, в верхней части которых рабочее давление незначительно превышает атмосферное и определяется сопротивлением коммуникаций и аппаратуры, расположенных на потоке движения паров ректификата после колонны. Давление в нижней части колонны зависит в основном от сопротивления ее внутренних устройств и может значительно превышать атмосферное. В вакуумных ректификационных установках рабочее давление ниже атмосферного (создано разрежение), что позволяет снизить рабочую температуру процесса и избежать разложения продукта. Величина остаточного давления в колонне определяется физико-химическими свойствами разделяемых продуктов и допустимой максимальной температурой их нагрева без заметного разложения. В ректификационных установках, работающих под давлением (1–4 МПа), величина рабочего давления может существенно превышать атмосферное. По технологической схеме различают ректификационные установки непрерывного и периодического действия. Установки непрерывного действия применяются в крупнотоннажных, а установки периодического действия — в малотоннажных производствах. Для непрерывной ректификации применяют колонны, состоящие из двух ступеней: верхней — укрепляющей и нижней — исчерпывающей. При периодической ректификации в колонне производится только укрепление пара. По типу внутренних контактных устройств различают тарельчатые, насадочные и пленочные ректификационные колонные установки. В тарельчатых ректификационных установках контакт между фазами происходит при прохождении пара (газа) сквозь слой жидкости, находящейся на контактном устройстве (тарелке).  В ректификационных и абсорбционных колоннах применяются тарелки различных конструкций (колпачковые, клапанные, струйные, провальные и т.п.), существенно различающиеся по своим рабочим характеристикам и технико-экономическим данным. Данные установки используются главным образом в пищевой и фармацевтической, а также в других областях промышленности. В насадочных ректификационных колоннах контакт между газом (паром) и жидкостью осуществляется на поверхности специальных насадочных тел, а также в свободном пространстве между ними. Однако в последние годы в связи с созданием эффективных насадок возрос интерес к насадочным колоннам, особенно в вакуумных процессах, приобретающих в этом случае ряд положительных характеристик: низкое гидравлическое сопротивление, малая задержка жидкости, высокая эффективность в широком интервале изменения нагрузок по пару (газу) и жидкости и др. В пленочной колонне фазы контактируют на поверхности тонкой пленки жидкости, стекающей по вертикальной или наклонной поверхности ректификационной колонны. Заключение Ректификация — один из самых энергоемких химико-технологических процессов. Эксплуатационные затраты, связанные с расходом энергии, могут достигать при ректификации 70 % общей стоимости разделения, поэтому при проектировании ректификационных установок необходимо решать задачу рационального сочетания флегмового числа, от которого зависит расход энергии, диаметра и высоты колонны, определяющей капитальные затраты. Оптимальная схема разделения должна отвечать минимуму затрат. При выборе схемы, состоящей из ряда колонн, снижение энергетических затрат возможно за счет рекуперации тепловых потоков благодаря различию температур кипения продуктов разделения (например, высококипящие компоненты можно использовать для подогрева низкокипящих). Большая экономия энергии может быть достигнута путем применения схемы с тепловым насосом. Несмотря на все большее распространение других альтернативных процессов и методов разделения смесей (испарение через мембрану, противоточная кристаллизация с непрерывным массообменом, экстракция), ректификация по-прежнему сохраняет свое лидирующее значение. Список использованной литературыhttps://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B5%D0%BA%D1%82%D0%B8%D1%84%D0%B8%D0%BA%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F https://mida.ru/articles/articles_11.php В. Н. Стабников «Ректификационные аппараты», Москва 1965; https://www.c-o-k.ru/articles/tehnologicheskiy-raschet-processa-rektifikacii-binarnyh-zhidkih-smesey https://www.c-o-k.ru/articles/tehnologicheskiy-raschet-processa-rektifikacii-binarnyh-zhidkih-smesey М. В. Алексеев «Процессы ректификации», Москва 1962; |