РЕКТИФИКАЦИЯ

РЕКТИФИКАЦИЯ (от позднелат. rectificatio - выпрямление, исправление), один из способов разделения жидких смесей, основанный на различном распределении компонентов смеси между жидкой и паровой фазами. При Р. потоки пара и жидкости, перемещаясь в противоположных направлениях (противотоком), многократно контактируют друг с другом в спец. аппаратах (ректификационных колоннах), причём часть выходящего из аппарата пара (или жидкости) возвращается обратно после конденсации (для пара) или испарения (для жидкости). Такое противоточное движение контактирующих потоков сопровождается процессами теплообмена и массообмена, к-рые на каждой стадии контакта протекают (в пределе) до состояния равновесия; при этом восходящие потоки пара непрерывно обогащаются более летучими компонентами, а стекающая жидкость-менее летучими. При затрате того же кол-ва тепла, что и при дистилляции, Р. позволяет достигнуть большего извлечения и обогащения по нужному компоненту или группе компонентов. Р. широко применяется как в промышленном, так и в препаративном и лабораторном масштабах, часто в комплексе с др. процессами разделения, такими, как абсорбция, экстракция и кристаллизация.

Согласно Рауля законам и закону Дальтона, в условиях термодинамия. равновесия концентрация к.-л. i-го компонента в паре в K_i раз отличается от концентрации его в жидкости, причём коэфф. распределения K_i=p_i/p (где p_i - упругость насыщенного пара i-го компонента; р - общее давление). Отношение коэфф. распределения любых двух компонентов K_i< и K_j наз. относительной летучестью и обозначается а_ij. Чём больше отличается а_ij от единицы, тем легче выполнить разделение этих компонентов с помощью Р. В ряде случаев удаётся увеличить а_ijв результате введения в разделяемую смесь нового компонента (наз. разделяющим агентом), к-рый образует с нек -рыми компонентами системы азеотропную смесь. С этой же целью вводят растворитель, кипящий при значительно более высокой темп-ре, чем компоненты исходной смеси. Соответствующие процессы Р. наз. азеотропными или экстрактивными. Величина а_ij зависит от давления: как правило, при понижении давления ац возрастает. Р. при пониженных давлениях - вакуумная - особенно подходит для разделения термически нестойких веществ.

Аппаратура для ректификации. Аппараты, служащие для проведения Р.,- ректификационные колонны - состоят из собственно колонны, где осуществляется противоточное контактирование пара и жидкости, и устройств, в к-рых происходит испарение жидкости и конденсация пара,- куба и дефлегматора. Колонна представляет собой вертикально стоящий полый цилиндр, внутри к-рого установлены т. н. тарелки (контактные устройства различной конструкции) или помещён фигурный кусковой материал - насадка. Куб и дефлегматор - это обычно кожухотрубные теплообменники (находят применение также трубчатые печи и роторные испарители ).

Назначение тарелок и насадки - развитие межфазной поверхности и улучшение контакта между жидкостью и паром. Тарелки, как правило, снабжаются устройством для перелива жидкости. Конструкции трёх типов переливных тарелок показаны на рис. 1 (а, б, в). В качестве насадки ректификационных колонн обычно используются кольца, наружный диаметр к-рых равен их высоте. Наиболее распространены кольца Рашига (рис. 2,1) и их различные модификации (2-4).

Рис. 1. Схема тарелок с переливным устройством: а - колпачковая (1 - основание со слоем жидкости; 2 - патрубки для прохода пара: 3 - колпачки; 4, 5 -переливные устройства); б - из S-образных элементов (6); в - ситчатая.

Рис. 2. Различные типы насадок: 1 - кольца Рашига; 2 - спиральные кольца; 3 - кольца с перегородкой; 4 - кольца Паля.

Как в насадочных, так и в тарельчатых колоннах кинетич. энергия пара используется для преодоления гидравлич. сопротивления контактных устройств и для создания динамич. дисперсной системы пар - жидкость с большой межфазной поверхностью. Существуют также ректификационные колонны с подводом меха-нич. энергии, в к-рых дисперсная система создаётся при вращении ротора, установленного по оси колонны. Роторные аппараты имеют меньший перепад давления по высоте, что особенно важно для вакуумных колонн.

По способу проведения различают непрерывную и периодич. Р. В первом случае разделяемая смесь непрерывно подаётся в ректификационную колонну и из колонны непрерывно отводятся две и большее число фракций, обогащённых одними компонентами и обеднённых другими. Схема потоков типичного аппарата для непрерывной Р.- полной колонны - показана на рис. 3, а. Полная колонна состоит из 2 секций - укрепляющей (1) и исчерпывающей (2). Исходная смесь (обычно при темп-ре кипения) подаётся в колонну, где смешивается с т. н. извлечённой жидкостью и стекает по контактным устройствам (тарелкам или насадке) исчерпывающей секции противотоком к поднимающемуся потоку пара. Достигнув низа колонны, жидкостный поток, обогащённый тяжелолетучими компонентами, подаётся в куб колонны (3). Здесь жидкость частично испаряется в результате нагрева подходящим теплоносителем, и пар снова поступает в исчерпывающую секцию. Выходящий из этой секции пар (т. н. отгонный) поступает в укрепляющую секцию. Пройдя её, обогащённый легколетучими компонентами пар поступает в дефлегматор (4), где обычно полностью конденсируется подходящим хладагентом. Полученная жидкость делится на 2 потока: дистиллят и флегму. Дистиллят является продуктовым потоком, а флегма поступает на орошение укрепляющей секции, по контактным устройствам к-рой стекает. Часть жидкости выводится из куба колонны в виде т. н. кубового остатка (также продуктовый поток).

Рис. 3. Схемы потоков ректификационных колонн: а - непрерывная ректификация; б - периодическая ректификация; 1 - укрепляющая секция; 2 - исчерпывающая секция; 3 - куб колонны; 4 - дефлегматор.

Отношение кол-ва флегмы к кол-ву дистиллята обозначается через R и носит назв. флегмового числа. Это число - важная характеристика Р.: чем больше R, тем больше эксплуатационные расходы на проведение процесса. Минимально необходимые расходы тепла и холода, связанные с выполнением к.-л. конкретной задачи разделения, могут быть найдены с использованием понятия минимального флегмового числа, к-рое находится расчётным путём в предположении, что число контактных устройств, или общая высота насадки, стремится к бесконечности.

Если исходную смесь нужно разделить непрерывным способом на число фракций больше двух, то применяется последовательное либо параллельно-последовательное соединение колонн.

При периодической Р. (рис. 3, б) исходная жидкая смесь единовременно загружается в куб колонны, ёмкость к-рого соответствует желаемой производительности. Пары из куба поступают в колонну и поднимаются к дефлегматору, где происходит их конденсация. В начальный период весь конденсат возвращается в колонну, что отвечает т. н. режиму полного орошения. Затем конденсат делится на флегму и дистиллят. По мере отбора дистиллята (либо при постоянном флегмовом числе, либо с его изменением) из колонны выводятся сначала легколетучие компоненты, затем среднелетучие и т. д. Нужную фракцию (или фракции) отбирают в соответствующий сборник. Операция продолжается до полной переработки первоначально загруженной смеси.

Основы расчёта ректификационных колонн. Р. с физико-хим. точки зрения является сложным процессом противоточного тепломассообмена между жидкой и паровой фазами в условиях осложнённой гидродинамич. обстановки. Именно такой подход к математич. описанию расчёта процесса развивается в связи с применением электронных цифровых вычислит. машин (ЦВМ).

Всё же при количеств. рассмотрении работы ректификац. колонн обычно используется концепция теоретич. тарелки. Под такой тарелкой понимается гипотетич. контактное устройство, в к-ром устанавливается термодинамич. равновесие между покидающими его потоками пара и жидкости, т. е. концентрации компонентов этих потоков связаны между собой коэфф. распределения. Любой реальной ректификационной колонне можно поставить в соответствие колонну с определённым числом теоретич. тарелок, входные и выходные потоки к-рой как по величине, так и по концентрациям совпадают с потоками реальной колонны. Можно сказать, напр., что данный реальный аппарат эквивалентен по своей эффективности колонне с пятью, шестью и т. п. теоретич. тарелками. Исходя из этого, можно определить т. н. кпд колонны как отношение числа теоретич. тарелок, соответствующих этой колонне, к числу действительно установленных тарелок. Для насадочных колонн можно определить величину ВЭТТ (высоту, эквивалентную теоретич. тарелке) как отношение высоты слоя насадки к числу теоретич. тарелок, к-рым он эквивалентен по своему разделит. действию.

С концепцией теоретич. тарелки связана плодотворная идея отделения конструктивных и гидравлич. параметров от технологич. параметров, таких как отношения потоков и коэфф. распределения. Единая задача расчёта ректификационной колонны распадается при этом на две более простые, самостоятельные: а) технологич. расчёт, когда нужно установить, какие составы будут получаться на фиксированном числе теоретич. тарелок, или найти, сколько надо взять теоретич. тарелок, чтобы Получить желаемый состав выходящих потоков; б) расчёт, когда нужно установить, сколько взять реальных тарелок или какая высота насадки должна быть для реализации желаемого числа теоретич. тарелок. В математич. отношении первая задача (а) допускает чёткую формулировку и сводится к решению обширной системы нелинейных алгебраич. ур-ний (для непрерывно действующих колонн) или к интегрированию систем обыкновенных дифференциальных ур-ний (для периодич. колонн). В случае Р. многокомпонентной смеси решение доступно лишь с помощью ЦВМ. Использование машин позволяет также рассчитывать сложные колонны, применение к-рых на практике в какой-то степени тормозилось ранее отсутствием точных методов расчёта. При гидравлич. расчёте (б) могут быть использованы либо непосредственно эмпирич. корреляции между величинами ВЭТТ и кпд, с одной стороны, и конструкцией тарелки, типом насадки и гидравлич. параметрами (удельные нагрузки по пару и жидкости) - с другой, либо соотношения, связывающие ВЭТТ и кпд с кинетич. и диффузионными параметрами (такими, как коэфф. массоотдачи и эффективной диффузии).

Осн. области пром. применения Р.- получение отд. фракций и индивидуальных углеводородов из нефтяного сырья в нефтеперераб. и нефтехим. промышленности, получение окиси этилена, акрилонитрила, капролактама, алкилхлорсиланов - в хим. пром-сти. Р. широко используется и в др. отраслях нар. х-ва: цветной металлургии, коксохимич., лесохимич., пищевой, химико-фармацевтич. пром-стях.

Лит.: Касаткин А. Г., Основные процессы и аппараты химической технологии, 8 изд., М., 1971; Александров И. А., Ректификационные и абсорбционные аппараты, 2 изд., М., 1971; Коган В. Б., Азеотропная и экстрактивная ректификация, 2 изд., М., 1971; Олевский В. М., Ручинский В. Р., Ректификация термически нестойких продуктов, М., 1972; Платонов В. М., Берго Б. Г., Разделение многокомпонентных смесей. Расчёт и исследование ректификации на вычислительных машинах, М., 1965; Холланд Ч., Многокомпонентная ректификация, пер. с англ., М., 1969; Крель Э., Руководство по лабораторной ректификации, пер. с нем., М., 1960. В. М. Платонов, Г. Г. Филиппов.

Смотреть больше слов в «Большой советской энциклопедии»

РЕКТО →← РЕКТИФИКАЦИОННЫЕ КОЛОННЫ

РЕКТИФИКАЦИЯ

Синонимы слова "РЕКТИФИКАЦИЯ":

Смотреть что такое РЕКТИФИКАЦИЯ в других словарях:

Рекомендуем посмотреть: