Открыть главное меню

Ректификация

Ректификация (от лат. rectus — прямой и facio — делаю) — это процесс разделения двойных или многокомпонентных смесей за счёт противоточного массообмена между паром и жидкостью. Ректификация — разделение жидких смесей на практически чистые компоненты, отличающиеся температурами кипения, путём многократных испарений жидкости и конденсации паров.

Содержание

ПрименениеПравить

 
Ректификационные колонны разделения углеводородных фракций на Тобольск-Нефтехим

Ректификацию широко применяют в промышленности, например, для получения ректификованного этилового спирта, с отделением сивушных масел и альдегидных фракций, для выделения бензинов, керосинов и других фракций из нефти, а также получения компонентов воздуха (кислорода, азота, инертных газов).

Проводят ректификацию в башенных колонных аппаратах, снабжённых контактными устройствами (тарелками или насадкой) — ректификационных колоннах, в которых осуществляется многократный контакт между потоками паровой и жидкой фаз. Движущая сила ректификации — отличие фактической (рабочей) концентраций компонентов в паровой фазе от равновесной для данного состава жидкой фазы. Парожидкостная система стремится к достижению равновесного состояния. При контакте с жидкостью пар обогащается легколетучими (низкокипящими) компонентами — НК, а жидкость — труднолетучими (высококипящими) компонентами — ВК. Жидкость и пар движутся противотоком: пар — вверх, жидкость — вниз, поэтому при достаточно большой высоте колонны в её верхней части можно получить практически чистый целевой компонент.

В зависимости от температур кипения разделяемых жидкостей ректификацию проводят под разным давлением: атмосферным - для кипящих при 30-150 °С, выше атмосферного - для жидкостей с низкими температурами кипения, например, сжиженных газов, в вакууме - для снижения температур кипения высококипящих. Ректификацию можно осуществлять непрерывно или периодически. Колонны для непрерывной ректификации состоят из двух ступеней: верхней — укрепляющей, где пар «укрепляется» — обогащается НК, и нижней — исчерпывающей, где жидкая смесь исчерпывается — из неё извлекаются НК и она обогащается ВК. При периодической ректификации в колонне производится только укрепление пара. Различают ректификацию бинарных (двухкомпонентных) и многокомпонентных смесей.


Расчёт процесса ректификацииПравить

Ручной (графический) расчётПравить

 
Равновесие пар - жидкость и рабочая линия процесса ректификации

Корректный ручной расчёт процесса ректификации возможен только для бинарных систем. Для этого по экспериментальным данным строят фазовую диаграмму пар - жидкость, на которой проводят рабочую линию процесса (на рисунке изображён периодический процесс) из точки на диагонали (линия жидкости), соответствующей составу дистиллята   до линии ординат в точке  ,

 , где   - флегмовое число,  ,   - флегма,   - отбор дистиллята.

Из точки, соответствющей начальной концентрации перегоняемой смеси   (жидкость) строится вертикальный отрезок от рабочей линии до пересечения с линией пара и далее горизонтальный отрезок до пересечения с рабочей линией ( это т.н. "ступень разделения" - такой метод расчёта и ввёл в оборот этот термин). Далее построение повторяется до точки  , флегмовое число и общее количество ступеней разделения являются минимально необходимыми для получения дистиллята заданного состава, ступени разделения предполагаются идеальными, с к.п.д. 100% и бесконечно малой задержкой жидкости на тарелке. При этом состав жидкости в кубе постоянно меняется по мере отбора летучего компонента. Метод расчёта подробно изложен в [1], но в настоящее время считается устаревшим, т.к. не позволяет корректно рассчитать   и, соответственно,   через некоторое произвольное время  .

Машинный расчётПравить

При машинном расчёте задаются начальными концентрациями компонентов на тарелках и в кубе, всеми другими параметрами процесса и считают концентрации компонентов в колонне через некоторый произвольный интервал времени. Большинство методов основаны на модели теоретической тарелки, из материального баланса которой следует: .

 

 

 

 

 

(1)

Это уравнение тарелки ректифицирующей части колонны периодического действия для компонента   на тарелке  
Уравнения верхней тарелки (состав флегмы равен составу пара на тарелке)

 

 

 

 

 

(2)

Уравнения куба - испарителя ( )

 

 

 

 

 

(3)

Уравнения сборника:

 

 

 

 

 

(4)

где

  - концентрация компонента   в жидкости на тарелке   , мольные доли;
 , - концентрация компонента   в паре на тарелке  ,м.д., считается;
  - флегма, кол-во молей в единицу времени, задаётся;
  - пар, кол-во молей в единицу времени, задаётся;
  - задержка жидкости на тарелке, Моль, задаётся
  - начальное количество жидкости в сборнике, Моль, задаётся
  - начальное количество жидкости в кубе, Моль, задаётся
  - общее время процесса (размерность произвольная, м.б. сек., мин., час, мес.).   и   задаются в тех-же единицах.


Математическая модель ректификационной установки периодического действия представляет собой систему из   таких уравнений, где   - число компонентов,   - количество тарелок ректифицирующей части колонны. К ним добавляются   уравнений куба-испарителя и столько же уравнений сборника, всего уравнений  .

Эта система интегрируется по времени с помощью программ стандартных библиотек, напр. IMSL

В уравнениях (1 - 4) неизвестны концентрации компонентов в паре. Их корректный расчёт в общем случае невозможен, адекватные приближённые методы расчёта являются коммерческим секретом. Для смесей, незначительно отклоняющихся от закона Рауля расчёт равновесных концентраций компонентов в паре несложен. А для смесей, отклоняющихся от закона Рауля, в т.ч. азеотропных (напр. этанол - вода ) такой расчёт может быть полезным для оценки динамики изменения концентраций примесей.
Расчёт основан на законе Рауля и законе Дальтона.

  где
  равновесные концентрации компонента   на тарелке  
  - парциальное давление компонента   на тарелке  
  - абсолютное давление на тарелке,  
  - атмосферное давление;
  - давление столба жидкости над тарелкой  
  - дополнительное давление, необходимое для преодоления аэродинамического сопротивления массообменных устройств колонны.

В большинстве случаев последним слагаемым можно пренебречь без увеличения общей ошибки расчёта.
Парциальное давление компонента   на тарелке  

  где
  - давление чистого компонента   при температуре на тарелке  , считается по уравнению Антуана[en]
 

Коэффициенты уравнения   для многих веществ приведены в [2]. Но в этом уравнении неизвестной является температура на тарелке  . Её находят из условия

  , т.е. для тарелки   считаются корни уравнения
  ,т.е. находят такую температуру, при которой сумма парциальных давлений компонентов на тарелке становится равной абсолютному давлению, после этого считают равновесные концентрации компонентов на тарелке и, с учётом к.п.д. тарелки - рабочие. Под к.п.д. тарелки здесь понимается отношение разности концентраций компонентов в жидкости и в паре к теоретически возможной:
 

Таким образом становятся известны все правые части уравнений (1 - 4), для расчёта необходимо ещё задать начальные концентрации компонентов на тарелках.

Начальные значения концентрацийПравить

При периодической ректификации перед началом отбора дистиллята рекомендуется работа колонны с бесконечным флегмовым числом для возможно большей концентрации летучих примесей. Так же поступают и в машинном расчёте: задаются произвольными начальными концентрациями жидкости на тарелках (обычно равными их концентрациям в кубе) при равных потоках флегмы и пара. Результаты вычислений (концентрации компонентов в колонне, рассчитанные для времени  ) будут асимптотически приближаться к некоторому стационарному состоянию, но такой расчёт требует большого времени счёта и в нём нет необходимости - достаточно стабильных трёх значащих цифр.
Так же нельзя задавать нулевое значение  , в противном случае будет генерироваться ошибка исполнения[en]. Для исключения этой ошибки задаются некоторым ненулевым значением   с произвольными концентрациями компонентов и по окончании расчёта вычитают первоначально заданное количество компонентов из рассчитанного.

Проверка корректности расчётаПравить

Самый постой (но не самый быстрый) способ проверки корректности вычислений - упоминавшийся выше расчёт с бесконечным флегмовым числом (поток пара равен потоку флегмы). Если в программе есть ошибки, то результат расчёта концентраций компонентов в колонне для разных   при   не будут постоянными.
Кроме этого в любой момент времени   должны соблюдаться следующие условия:

  • Материальный баланс колонны: общее количество каждого компонента, заданное изначально (в кубе, на тарелках и в сборнике) должно быть равным общему количеству каждого компонента в конце расчёта.
  • Сумма концентраций компонентов в жидкости и в паре (в кубе и на каждой тарелке) должна быть равна единице.

Конечно, корректность модели не означает, что она будет точно соответствовать реальному процессу - допущения, принятые при расчёте равновесных концентраций компонентов в паре увеличивают ошибку расчёта. Так же на ошибку влияет (но в меньшей степени) и отсутствие учёта теплового баланса тарелки. Ещё одним источником ошибки являются завышенные ожидания эффективности массообменных устройств колонны (К.П.Д. тарелки - для тарельчатых колонн или насадки - для насадочных). Эти ошибки приводят к тому, что результаты расчёта будут завышены по сравнению с реальными (т.е. модель ведёт себя как более эффективная реальная колонна с такими же параметрами процесса), что объяснимо - модель является идеальной абстракцией, даже с учётом К.П.Д тарелки или эффективности насадки (производители указывают эти характеристики как максимально возможные).

См. такжеПравить

ПримечанияПравить

  1. Касаткин Андрей Георгиевич. Основные процессы и аппараты химической технологии. Учебник для вузов. 10-е издание, стереотипное, доработанное. Перепечатка с издания 1973 г. (Москва: Альянс, 2004), с.425
  2. NIST Chemistry WebBook

ЛитератураПравить

  • Девятых Г. Г., Еллиев Ю. Е. Введение в теорию глубокой очистки веществ. — М.: Наука, 1981. — 320 с.