Системы автоматизации ректификационной колонны

По варианту I в первой колонне отделяют наименее летучий из компонентов (компонент С) в виде кубового остатка из колонны, остальные же два—А и В—в виде жидкого дистиллята из холодильника первой колонны поступают на перегонку во вторую колонну, где компонент А, как более летучий, получают в дистилляте, а менее летучий компонент В является кубовым остатком, удаляемым из колонны.

По варианту II в первой колонне в чистом виде выделяют более летучий компонент А как дистиллят, остальные же два компонента В и С, получающиеся в первой колонне как кубовый остаток, непрерывно в жидком виде поступают в качестве начальной смеси во вторую колонну, где компонент В выделяется в виде дистиллята, а компонент С—как кубовый остаток из колонны.

Вариант I иногда несколько видоизменяют, а именно дистиллят из первой колонны, состоящей из смеси компонентов А и В, не конденсируют в холодильнике, а в виде пара направляют непосредственно во вторую колонну, чем достигается некоторое снижение расхода теплоносителя.

в)Экстрактивная ректификация. [2] Разделение смесей близкокипящих компонентов, характеризующихся очень низкой относительной летучестью (ε< 1,05), методом обычной ректификации сопряжено со значительным усложнением и удорожанием промышленных установок. В этих случаях кривая фазового равновесия подходит очень близко к диагонали на х-у - диаграмме, и требуемое число ректификационных тарелок сильно возрастает даже при больших коэффициентах избытка флегмы. Процесс разделения может быть, однако, упрощен путем добавления к исходной бинарной смеси растворимого в ней третьего компонента — разделяющего агента, способного резко повысить относительную летучесть основных компонентов.

Ректификация жидких смесей с использованием разделяющего агента, получившая название экстрактивной ректификации, осуществляется по схеме, приведенной на рис. 6, а. Установка состоит из двух обычных ректификационных колонн, в первую из которых на одну из верхних тарелок укрепляющей части вводится поток разделяющего агента. Последний растворяется в стекающем потоке флегмы, повышает относительную летучесть и, следовательно, интенсивность отгонки низкокипящего компонента, увлекая вниз, как бы экстрагируя из паровой фазы высококипящий компонент.

 

Рис.6. Экстрактивная ректификация:

а — схема установки: 1,2 — ректификационные колонны; 3 — вход исходной смеси; 4 — вход разделяющего агента; 5 — насос для подачи регенерированного разделяющего агента: б — к расчету числа теоретических тарелок.

 Кубовая жидкость первой  колонны, представляющая собою смесь разделяющего агента и высококипящего компонента исходной смеси, ректифицируется во второй колонне, откуда дистиллят (высококипящий компонент исходной смеси) отводится по назначению, а кубовый остаток (регенерированный разделяющий агент) возвращается на повторное использование в первую колонну.

Эффективность разделяющих агентов применительно к конкретным жидким смесям определяется опытным путем и надежному расчету не поддается. Установлен, однако, ряд качественных положений, облегчающих выбор разделяющего агента среди множества существующих химических соединений. Так, относительная летучесть возрастает по мере увеличения разности температур кипения эквимолекулярных смесей, образуемых разделяющим агентом с каждым из компонентов разделяемой смеси. Разделяющий агент увеличивает относительную летучесть компонента, обладающего наименьшей взаимной растворимостью с ним. При этом полезно учесть, что взаимная растворимость жидкостей уменьшается по мере удаления друг от друга членов ряда: вода — низшие жирные кислоты — гликоли — амиды — низшие кетоны — низшие альдегиды —нитропроизводные углеводородов — эфиры — галогенозамещенные углеводороды — углеводороды. Заметим, также, что относительная летучесть возрастает с увеличением концентрации разделяющего агента, но зависит от состава и свойств разделяемой смеси (в том числе от полярности, водородных связей и др.).

Кроме повышения относительной летучести компонентов разделяемой смеси, к разделяющим агентам предъявляют ряд других требований: низкое давление паров (малая летучесть), легкость регенерации, безопасность; применения, доступность, низкая стоимость, термостойкость, химическая инертность по отношению к компонентам разделяемой смеси и конструкционным материалам. Разделяющие агенты не должны образовывать азеотропных смесей с компонентами разделяемых смесей.

г)Ректификация гомоазеотропных смесей. Состав и температура кипения гомоазеотропных смесей зависят от давления. С ростом последнего, согласно правилу Вревского, у положительных гомоазеотропов возрастает относительная концентрация компонента с большей теплотой испарения, а у отрицательных гомоазеотропов—компонента с меньшей теплотой испарения. Заметим, что при некотором внешнем давлении, характерном для каждой смеси, азеотропная точка вообще исчезает. Если в приемлемом интервале давлений и р2, причем р1 > рг) состав гомоазеотропа изменяется значительно, то разделение такой смеси возможно в двух ректификационных колоннах (рис. 7).

                                           а                                      б

Рис.7. а — установка для разделения смеси с положительным гомоазеотропом; б — установка для разделения смеси с отрицательным гомоазеотропом;1, 2 — ректификационные колонны; 3 — вход исходной смеси; 4 — первый дистиллят; 5 — второй дистиллят; А— низкокипящий компонент; В — высококипящий компонент.

Практическое применение двухколонных ректификационных установок, требующих обычно работы одной из колонн под вакуумом, встречает большие затруднения при разделении смесей, состоящих из компонентов с большой летучестью. Из-за низкой температуры кипения таких смесей конденсатор вакуум-ректификационной колонны нуждается в специальных хладоагентах, усложняется работа вакуум-насоса и происходят потери веществ с отсасываемой им парогазовой смесью. В связи с этим нашел преимущественное применение метод ректификации при помощи разделяющего агента, образующего азеотропы с одним или обоими компонентами разделяемой смеси. При добавлении разделяющего агента к смеси с положительным гомоазеотропом образуются бинарные или тройной  азеотропы, кипящие при более низких температурах, чем исходная смесь.

Рис.8. Схема-установка для азеотропной ректификации смеси этанол-вода     1 — азеотропная колонна; 2 — отгонная колонна; 3 — укрепляющая колонна; 4 — вход »сходной азеотропной смеси; 5 — выход этанола; 6 — выход воды; 7 — отстойник

Разделяющий агент выбирается опытным пугем. В отличие от экстрактивной ректификации разделяющий агент при азеотропной ректификации отводится из ректификационной колонны в виде дистиллята, а не с кубовым остатком.

В качестве примера промышленного применения азеотропной ректификации с разделяющим агентом рассмотрим процесс разделения азеотропной смеси этанол — вода на практически чистые компоненты (абсолютирование спирта). Разделяющий агент (бензол) практически нерастворим в воде, но смешивается во всех отношениях с этанолом, образуя тройной гетероазеотроп бензол— этанол—вода. Последний имеет более низкую температуру кипения (64,85 °С), чем бинарный азеотроп этанол—вода (78,15 °С).

Установка состоит из трех колонн: азеотропной, отгонной и укрепляющей (рис. 8).

д)Ректификация гетероазеотропных смесей. Жидкие смеси, состоящие из компонентов с ограниченной взаимной растворимостью и образующие в известных условиях гетероазеотропы, бывают двух видов: эвтектические и неэвтектические.Так как в парах смесей второго типа концентрация низкокипящего компонента всегда больше, чем в равновесных жидких фазах, то разделение таких смесей возможно в обычной ректификационной колонне с подачей обеих жидких фаз на разные тарелки (рис. 9. б). При этом низкокипящий компонент отводится с дистиллятом, а вышекипящий — с кубовым остатком.

Рис.9. Ректификация гетероазеотропиых смесей:

а — диаграмма равновесия; б — схема установки для разделения неэвтектических смесей; в — схема установки для разделения эвтектической смеси.

Разделение смеси эвтектического типа в самом общем случае производится в двухколонной установке, принципиальная схема которой показана на рис.9,в. Пары обеих колонн имеют, очевидно, одинаковую концентрацию низкокипящего компонента. Часть этих паров (дистиллятов) после конденсации возвращается в колонны на их орошение (возврат флегмы), а другая часть направляется в отстойник, где после охлаждения до требуемой температуры расслаивается. Нижний слой, более бедный низкокипящим компонентом, присоединяется к потоку исходной смеси состава, поступающему в первую колонну. Верхний слой, более богатый низкокипящим компонентом, направляется во вторую колонну. Кубовые остатки, содержащие преимущественно Высоко- и низкокипящий компоненты, отводятся соответственно из первой и второй колонн.

Заметим, что применение установки, состоящей из двух полных колонн (рис.9, б), не всегда обязательно. В зависимости от свойств разделяемых смесей и требуемых составов продуктов разделения одна или даже обе колонны могут быть только исчерпывающими (без укрепляющих частей).

е)Солевая ректификация. Отыскание жидкого разделяющего агента, способного изменить относительную летучесть компонентов разделяемой смеси в требуемой степени и желательном направлении применительно к экстрактивной и азеотропной ректификации, как уже подчеркивалось, представляет очень сложную задачу. Заметим также, что даже при наличии эффективного разделяющего агента его регенерация часто очень сложна, как, например, при азеотропной ректификации смеси этанол—вода. В ряде случаев увеличение относительной летучести близкокипящих компонентов, сдвиг и даже полное исчезновение азеотропной точки достигается методом солевой ректификации. Последняя Основана на изменении условий фазового равновесия системы в присутствии минеральных солей, растворимых в жидкой фазе, но не вступающих с ней в химическую реакцию. Таким образом, отличительной особенностью солевой ректификации является присутствие в жидкой фазе нелетучего вещества, выполняющего роль разделяющего агента. Как правило, относительная летучесть компонентов бинарной смеси возрастает с увеличением концентрации соли в растворе, причем уменьшается летучесть компонента, в котором данная соль лучше растворима. Так, например, при добавлении солей к водным растворам спиртов, органических кислот и других веществ падает относительная летучесть воды.

Технологически выгодны минеральные соли с меньшей растворимостью в иизкокипящем и большей растворимостью в высококипящем компоненте. Заметим также, что рост разделяющего эффекта соли с увеличением ее концентрации указывает на преимущественную выгодность применения солевой ректификации для разделения разбавленных смесей.

Основной проблемой, возникающей при проектировании солевой ректификации, является выбор разделяющего агента и нахождение его эффективности. Решению этой проблемы способствует ряд установленных опытом и теорией качественных положений, не заменяющих, однако, непосредственного экспериментального определения равновесных концентраций жидкость—пар в присутствии конкурирующих солей и в зависимости от их концентрации.

Для осуществления солевой ректификации могут быть использованы обычные ректификационные колонны, дооборудованные солерастворителем. При этом возможна подача соли путем ее предварительного растворения в потоке флегмы и исходной смеси, а регенерация соли — путем выпаривания кубового остатка.

1.3. Аппаратура  перегонных установок

Типы и конструкции аппаратов, применяемых для перегонки жидкостей, зависят от физических и химических свойств перегоняемых смесей, их температуры кипения, давления, при котором ведется перегонка, и способа обогрева.

Перегонные кубы. Перегонный куб представляет собой вертикальный или горизонтальный цилиндрический сосуд, который устанавливают непосредственно под колонной или вне ее. Выносной куб соединен с колонной сифонной трубой, по которой в него поступает жидкость, и трубопроводом для удаления паров. Перегонный куб снабжают нагревательным устройством в виде трубчатки, рубашки или змеевика (рис. 389). Поскольку куб играет роль выпарного аппарата, стремятся создать в нем достаточно интенсивную циркуляцию жидкости, для чего применяют выносную трубчатку или центральную циркуляционную трубу.

 

Рис.10. Конструкция перегонных кубов

          Куб обогревают главным образом глухим паром, но иногда используют и дымовые газы. В последнем случае куб устанавливают в кирпичной кладке печи.

Размеры перегонных кубов зависят от производительности установки и организации процесса (периодический или непрерывный).

В периодически действующих установках в куб загружают сразу всю смесь, подлежащую разделению за одну операцию. При этом куб работает с непрерывным понижением уровня жидкости. Лишь в некоторых случаях в куб периодически действующей установки непрерывно добавляют начальную смесь для поддержания в нем постоянного уровня жидкости.

Полезная емкость куба зависит от вспениваемости перегоняемой смеси. При перегонке непенящихся жидкостей куб может быть загружен до 75% его объема; однако для лучшего отделения пара от жидкости стремятся увеличить паровое пространство, и степень наполнения куба принимают'—60%. Емкость перегонных кубов колеблется в пределах 1000—25000 л. В непрерывно действующих установках кубом служит нижний элемент колонны (кипятильник), размеры которого должны быть достаточны для размещения нагревательных устройств.  

Степень разделения смеси жидкостей на составляющие компоненты и чистота получаемых дистиллята и кубового остатка зависят от того, насколько развита поверхность фазового контакта, а следовательно, от количества орошающей жидкости (флегмы) и устройства ректификационной колонны.

В промышленности применяют колпачковые, ситчатые, насадочные, пленочные трубчатые колонны и центробежные пленочные ректификаторы. Они различаются в основном конструкцией внутреннего устройства аппарата, назначение которого — обеспечение взаимодействия жидкости и пара. Это взаимодействие происходит при барботировании пара через слой жидкости на тарелках (колпачковых или ситчатых) либо при поверхностном контакте пара и жидкости на насадке или поверхности жидкости, стекающей тонкой пленкой.

Тарельчатые колпачковые колонны (рис. 11.а) наиболее часто применяют в ректификационных установках. Конструктивная схема устройства колпачка и обозначения основных размеров приведены на рис. а.

Пары с предыдущей тарелки попадают в паровые патрубки колпачков и барботируют через слой жидкости, в которую частично погружены колпачки. Колпачки имеют отверстия или зубчатые прорези, расчленяющие пар на мелкие струйки для увеличения поверхности соприкосновения его с жидкостью. 

Рис.11.Ректификациооные колонны

1 - куб колонны; 2 - колонна.

Переливные трубки служат для подвода и отвода жидкости и регулирования ее уровня на тарелке. Основной областью массообмена и теплообмена между парами и жидкостью, как показали исследования, является слой пены и брызг над тарелкой, создающийся в результате барботажа пара. Высота этого слоя зависит от размеров колпачков, глубины их погружения, скорости пара, толщины слоя жидкости на тарелке, физических свойств жидкости и др. Расчет основных размеров колпачков и некоторые рекомендации изложены в методике расчета тарельчатых колпачковых колонн(рис12.а).