перегонка дистиллятор. Назначение процессов дистилляции и ректификации. Материальный баланс простой перегонки, определение среднего состава дистиллята Простая перегонка, материальный баланс простой перегонки
 Скачать 33.95 Kb.
|
|
Назначение процессов дистилляции и ректификации. Материальный баланс простой перегонки, определение среднего состава дистиллята Простая перегонка, материальный баланс простой перегонки. Схемы фракционной и ступенчатой перегонки, перегонки с частичной дефлегмацией. Одним из наиболее распространенных методов разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или большего числа компонентов, является перегонка. Разделение перегонкой основано на различной летучести компонентов смеси при одной и той же температуре или на различии температур кипения компонентов смеси при одном и том же давлении. Поэтому при перегонке все компоненты смеси переходят в парообразное состояние в количествах, пропорциональных их фугитивности, которой характеризуется летучесть компонентов жидкой смеси. В простейшем случае исходная смесь является бинарной, состоящей только из двух компонентов. Получаемый при ее перегонке пар содержит относительно большее количество легколетучего или низкокипящего компонента (НК), чем исходная смесь. Следовательно, в процессе перегонки жидкая фаза обедняется, а паровая фаза обогащается НК. Неиспарившаяся жидкость, соответственно, имеет состав, более богатый труднолетучим, или высококипящим компонентом (ВК). Эту жидкость называют остатком, а жидкость, полученную в результате конденсации паров, – дистиллятом или ректификатом. Простая перегонка представляет собой процесс однократного частичного испарения жидкой смеси и конденсации образующихся паров. Простая перегонка применима только для разделения смесей, летучести компонентов которой существенно различаются между собой. Используется простая перегонка обычно для предварительного грубого разделения жидких смесей, а также для очистки сложных смесей от нежелательных примесей, смол и т. п. Фракционная перегонка.Перегонку проводят путем постепенного испарения жидкости, находящейся в перегонном кубе. Образующиеся пары отводятся и конденсируются. Процесс осуществляют периодическим или непрерывным способом. Если простая перегонка проводится периодически, то в ходе отгонки НК содержание его в кубовой жидкости уменьшается. Вместе с тем, изменяется во времени и состав дистиллята, который обедняется НК по мере протекания процесса. В связи с этим отбирают несколько фракций дистиллята, имеющих различный состав. Простая перегонка, проводимая с получением конечного продукта разного состава, называется фракционной, или дробной, перегонкой. В периодически действующей установке для фракционной перегонки (рисунок 1) исходную смесь загружают в перегонный куб 1, снабженный змеевиком для обогрева, и доводят до кипения. Пары отводят в конденсатор-холодильник 2.Фракции дистиллята поступают через смотровой фонарь 3 в отдельные сборники 4—6. По окончании операции остаток сливают из куба, после чего в него вновь загружают разделяемую смесь. 1 – перегонный куб; 2 – конденсатор-холодильник; 3 – смотровой фонарь; 4-6 – сборники фракций дистиллята Для составления материального балансапростой перегонки примем, что в кубе в некоторый момент времениtсодержитсяLкгперегоняемойсмеси, имеющей текущую концентрацию х(по низкокипящему компоненту). Масса НК в жидкости в этот момент равнаLx. Пусть за бесконечно малый промежуток времени dtиспарится dL кг смеси и концентрация жидкости в кубе уменьшится на величику dx. При этом образуются dL кг пара, равновесного с жидкостью и имеющего концентрацию у*количество НК в паре будет равно dLy*.Соответственно остаток жидкости в кубе составит (L—dL), кг, а ее концентрация будет (х—dx).Тогда материальный баланс по НК выразится уравнением: Lx = (L — dL) (х — dx) + dLy* Раскрывая скобки и пренебрегая произведением dLdx,как бесконечно малой величиной второго порядка, после разделения переменных получим: dL/L = dx /( y* — х). Это дифференциальное уравнение должно быть проинтегрировано в пределах изменения массы жидкости в кубе от начальнойL = F до L — W(гдеF— масса исходной смеси, или питания,W— масса остатка) и соответствующего падения ее концентрации от xFдоxWза всю операцию перегонки: (1) Вид функции у* = f (х) определяется формой кривой равновесия и не может быть установлен аналитически для каждого конкретного случая перегонки. Поэтому интегрирование правой части уравнения, проводят графически — путем построения зависимости 1 /(у*—х)от х. Для ряда значений хв пределах от xFдо xwнаходят из диаграммыу—хравновесные им значения у*и по размеру площади под кривой, ограниченной абсциссамиxFи xWопределяют (с учетом масштабов диаграммы) значение искомого интеграла. По уравнению. (1), зная массы Fзагруженной в куб смеси и ее состав xF,а также заданный состав остатка хW,находят массу остатка W. Масса перегнанной жидкости составляет F—W. Средний состав (хр)срполучаемого дистиллята рассчитывают из уравнения материального баланса по низкокипящему компоненту Расчет простой перегонки обычно имеет целью определить массу жидкости, которую необходимо перегнать, для того чтобы получить в кубе остаток заданного состава и дистиллят требуемого среднего состава. Простая перегонка с дефлегмацией. Для повышения степени разделения смеси перегонку осуществляют, дополнительно обогащая дистиллят путем дефлегмации. Пары из перегонного куба 1 (рисунок) поступают в дефлегматор 2,где они частично конденсируются. Из пара конденсируется преимущественно ВК и получаемая жидкость (флегма) сливается в куб. Пары, обогащенные НК, направляются в конденсатор-холодильник 3, где полностью конденсируются. Дистиллят собирается в сборниках 4—6. Окончание операции контролируют по температуре кипения жидкости в кубе, которая должна соответствовать заданному составу остатка. Последний удаляется из куба через штуцер 7. 1 – перегонный куб; 2 – дефлегматор; 3 – конденсатор-холодильник; 4-6– сборники, 7- штуцер. 50 Непрерывная ректификация бинарной смеси, материальный и тепловой балансы, рабочая линия ректификации, построение рабочей линии для укрепляющей и исчерпывающей частей ректификационной колонны, минимальное и рабочее флегмовое число. Ректификациейназывается диффузионный процесс разделения жидких смесей взаимно растворимых компонентов, различающихся по температурам кипения, который осуществляют путем противоточного, многократного контактирования неравновесных паровой и жидкой фаз. Для получения продуктов с заданной концентрацией компонентов и высокими выходами используют процесс ректификации, который широкоприменяется в нефтегазопереработке, химической, нефтехимической, кислородной, пищевой и других отраслях промышленности. Отбираемый с верху колонны продукт D, обогащенный НКК, называетсяректификатом (илидистиллятом), — а снизу колонныW, обогащенный ВКК, —остатком (илинижним продуктом). Та часть колонны, куда вводится сырье, называется секцией питания, илиэвапорационным пространством, часть ректификационной колонны,находящаяся выше ввода сырья —верхней, концентрационной илиукрепляющей, а ниже ввода сырья —нижней, отгонной илиисчерпывающей. В обеих частях колонны протекает один и тот же процесс ректификации Вступающие в контакт пары и жидкость при ректификации не находятся в равновесии, но в результате контакта фазы стремятся достичь его или приблизиться к этому состоянию. При этом происходит выравнивание температур и давлений в фазах и перераспределение компонентов между ними. Контакт пара и жидкости, при котором система достигает состояния равновесия, называется идеальным илитеоретическим, а устройство, обеспечивающее такой контакт —теоретической тарелкой. Сущность ректификации как явления удобно рассматривать на примере работы колонны применительно к разделению бинарной смеси. Схема ректификационного агрегата показана на рис.1а, ей соответствует диаграмма t – х,у для разделяемой смеси (рисунок. 1б). Колонну 1 будем считать адиабатической: она хорошо изолирована в тепловом отношении, так что потери тепла в окружающую среду практически отсутствуют. В нижней части колонны находится куб 2 с обогревающим устройством. На выходе паров сверху колонны расположен конденсатор 3. Схематизируем явления, происходящие при ректификации. При нагревании исходной смеси состава xодо температуры кипения t0образуется пар, находящийся в равновесии с жидкостью. При его конденсации образуется жидкость (конденсат) состава x1= y0, которая обогащена НК. Нагрев эту жидкость до температуры t1и сконденсировав образовавшиеся пары, получим конденсат состава x2= y1, причем x2>x1, т.е. жидкость еще больше обогащена НК. Таким образом, повторяя многократно процессы испарения и конденсации паров, можно получить жидкость, практически состоящую из одного НК. Параллельно этому в нижней части колонны (в кубе) получаем жидкость обогащённую ВК. Рисунок 1 - Противоточное контактирование паровой и жидкой фаз: а) схема ректификационного агрегата (1 – колонна, 2 – обогревающее устройство, 3 – конденсатор); б) процесс ректификации на диаграмме t – x,y. GV– выход паров в дефлегматор, GR– подача флегмы на орошение колонны, GД– отбор дистиллята. Для анализа работы ректификационной колонны необходимо составить материальные балансы потоков. Уравнения последних имеют следующий вид: -для всей колонны F=Д+W -по потокам фаз GF=GД+GW GF+GR=GV+GW; - по количеству НК: GF·хF=GД·yД+GW·хW. Относительный отбор остатка составит: Процесс ректификации связан с обменом тепловой энергией между паром и жидкостью и если не учитывать потери тепла в окр. среду тепловой баланс можно записать по формуле: QF+QB=QD+QW+Qd QF– тепло с сырьем;QB– тепло входит в низ колонны через кипятильник;QD- отводится из колонны парами ректификата;QW– отводится жидким остатком;Qd- отводится хладагентом. Отдельные составляющие: QF=F(1-e)·htF+F·e·HtF=F·hF е – массовая доля отгона.е = D/F=W/F. |