процессы и аппараты Перегонка и ректификация Российский Химико-Технологический

процессы и аппараты Перегонка и ректификация Российский Химико-Технологический Университет им. Д. И. Менделеева г. Москва Downloads: edu. chemcomp. ru Mail: chemcom@muctr. edu. ru

Перегонка и ректификация Перегонка жидкостей представляет процесс, в котором разделяемая жидкая смесь нагревается до кипения, а образующийся пар отбирается и конденсируется. Перегонку подразделяют на два основных вида: простую перегонку (или дистилляцию) и ректификацию. При ректификации происходит многократное противоточное взаимодействие пара и жидкости, образовавшейся в результате его конденсации. К простой перегонке относят также перегонку с паром и молекулярную дистилляцию.

Простая перегонка 1 - куб-кипятильник; 2 - конденсаторыхолодильники; 3 - сборники;

Перегонка с дефлегмацией 1 -куб-кипятильник; 2 -конденсаторыхолодильники; 3 -сборники; 4 - дефлегматор

Простая перегонка Принцип действия. При кипении отводится часть пара и конденсируется (дистиллят). Дистиллят обогащён низкокипящим компонентом (НК) по сравнению с кубовым остатком. В кубовом остатке больше высококипящего компонента (ВК), чем в кубовом остатке. Достоинства и недостатки # Простота установки. # Такой процесс не позволяет получить компоненты в чистом виде, так как оба компонента летучи. Применение. Простую перегонки применяют лишь для грубого разделения смесей, либо для разделения смесей, в которых компоненты очень сильно различаются летучестью.

Перегонка с водяным паром 1 - куб-кипятильник; 2 - конденсатор; 3 - отстойник

Перегонка с водяным паром Принцип действия. Когда смешаны две взаимонерастворимые жидкости, то в этом случае парциальное давление каждого компонента не зависит от его содержания в смеси и равно давлению паров чистого компонента при той же температуре. Температура кипения такой смеси всегда ниже температур кипения чистых компонентов, что используется для перегонки с паром нерастворимых в воде жидкостей. В этом случае смесь обогревается не только паровой рубашкой, но и острым паром. Иногда по аналогичному принципу проводят перегонку с инертным газом, который позволяет снизить температуру процесса. Но перегонка с инертным газом более сложна. Применение. Перегонку с водяным паром применяют для очистки или отделения высококипящих веществ, нерастворимых в воде от практически нелетучих примесей (очищают скипидар, анилин).

Ректификация 1 -корпус; 2 -насадка; 3 -опорная решетка; 4 -перераспределитель флегмы; 5 -патрубок для слива кубового остатка; 6 -кипятильник; 7 -ороситель

Ректификация Принцип действия и применение. Колонные аппараты, используемые для ректификации, в принципе по устройству такие же как и для абсорбции. Чаще всего это насадочные (как на рисунке) или тарельчатые колонны. Последние применяются для ректификации чаще, так как вопрос о гидравлическом сопротивлении стоит в этом случае менее остро, чем при абсорбции. Что касается ректификации термически нестойких веществ под вакуумом, то здесь важно иметь сравнительно низкое гидравлическое сопротивление, чтобы не приходилось чрезмерно повышать температуру в кипятильнике. В этом случае часто используют насадочные (в том числе плёночные с плоскопараллельной насадкой) колонны. Насадку при этом нередко берут не керамическую (у неё низкая доля свободного объёма, так как элементы довольно толстостенные), а металлическую—с гораздо более тонкими стенками или, например, состоящую из витых проволочных элементов.

Расположение дефлегматоров а - с полной конденсацией и подачей флегмы самотеком; б - с полной конденсацией и подачей флегмы насосом; в - с частичной конденсацией паров

Расположение кипятильников а - встроенный и выносной (б) кипятильник

Расположение кипятильников и дефлегматоров Основной отличительной особенностью ректификационных колонн является то, что для проведения ректификации они должны быть снабжены соответствующей теплообменной аппаратурой (кипятильником, подогревателем, конденсатором-дефлегматором, холодильниками дистиллята и кубового остатка). Обычно дефлегматор устанавливают выше верха колонны, для того чтобы флегма стекала в колонну самотеком. Если высота колонны велика, то для удобства ее обслуживания и снижения высоты здания дефлегматор устанавливают ниже верха колонны. В этом случае для подачи флегмы на орошение колонны необходима установка дополнительного насоса. Иногда дефлегматор встраивают в верху колонны. При этом из колонны выходят пары в количестве, равном количеству дистиллята. Для обеспечения образования восходящего по колонне потока пара используют различные по устройству кипятильники, которые встраивают внутрь колонны или делают выносными. Последний вариант на практике встречается чаще, так как в этом случае облегчаются ремонт и замена кипятильника. Такие кипятильники обычно устанавливают ниже колонны для улучшения естественной циркуляции кубовой жидкости.

Периодическая дефлегмация 1 - куб-кипятильник; 2 - подогреватель; 3 - ректификационная колонна; 4 - дефлегматор; 5 - делитель потока; 6 - холодильник; 7 сборники

Периодическая дефлегмация Принцип действия и применение. Здесь колонна 3 представляет собой верхнюю (укрепляющую) часть колонны непрерывного действия. Особенность колонны—наличие объёмистого куба 1, в который единовременно заливается вся исходная смесь, подлежащая ректификационному разделению. Установка периодического действия, работающая с постоянным расходом флегмы, выдаёт продукционный дистиллят, изменяющегося во времени состава: содержание низкокипящего вещества в дистилляте со временем уменьшается. В этом случае в каждом приёмнике дистиллята 7 собирают свою фракцию, а в конце всей операции из куба сливают остаток заданного состава. Для получения не изменяющегося во времени состава дистиллята на установке периодического действия работают с переменным расходом флегмы, увеличивая его по мере протекания процесса. За получение однородного продукта при этом приходится платить усложнением регулирования процесса. Периодические установки преимущественно применяются в сравнительно небольших производствах, особенно при меняющемся ассортименте разделяемых смесей.

Ректификационная установка непрерывного действия 1 - емкость для исходной смеси; 2 подогреватель; 3 - колонна; 4 - кипятильник; 5 - дефлегматор; 6 - делитель флегмы; 7 - холодильник; 8 - сборник дистиллята; 9 - сборник кубового остатка

Ректификационная установка непрерывного действия Принцип действия. Исходная смесь подаётся в точку питания предварительно подогретой до температуры кипения в теплообменнике 2. Точка ввода питания делит колонну на две части: верхнюю—укрепляющую и нижнюю—исчерпывающую. Назначение укрепляющей части—укрепить пар по НК, обеспечивая нужное содержание НК в выходящем паре. Колонна орошается жидкостью—флегмой, состав которой практически соответствует составу дистиллята. Этой жидкостью колонну обеспечивает дефлегматор 5, в котором конденсируется весь пар или его часть, соответствующая флегме. Назначение исчерпывающей части—исчерпать НК из жидкости, вытекающей из колонны, обеспечив нужное содержание ВК в кубовом остатке. Это обеспечивается испарением части выходящей из колонны жидкости в кипятильнике 4 при кипении и питанием колонны снизу потоком образовавшегося в кипятильнике пара, состав которого практически соответствует составу кубового остатка. Применение. Преимущественное использование в крупнотоннажных производствах непрерывно действующих установок обусловлено их высокой производительностью, однородностью получаемых продуктов, сравнительной лёгкостью автоматизации, простой организацией рекуперации теплоты.

Ректификационные установки

Ректификационные установки

Ректификация трёхкомпонентных смесей

Экстрактивная ректификация 1 - колонна для экстрактивной ректификации; 2 - колонна для разделения продукта В и экстрагирующего компонента С; 3 - насосы; 4 кипятильники; 5 - конденсаторы

Экстрактивная ректификация Применение. Экстрактивную и азеотропную перегонку применяют для разделения смесей, компоненты которых обладают очень близкими летучестями, а так же для разделения азеотропных смесей. Принцип действия. К разделяемой смеси специально добавляют ещё один компонент, служащий т. н. «растворителем» , с целью увеличения различия в летучестях компонентов исходной смеси. При этом смесь становится более неидеальной. При экстрактивной перегонки смеси А+В «растворитель» С менее летуч, чем А и В. Вместе с ВК он идёт в кубовый остаток, а НК—в дистиллят. Чаще всего в качестве С используют полярные органические вещества. Экстрактивная ректификация чаще всего оказывается выгоднее азеотропной. Достоинства # Обычно легче подобрать «растворитель» , чем «носитель» . # Меньше расход теплоты, чем при азеотропной ректификации, потому что не надо испарять «растворитель» .

Азеотропная ректификация 1 - колонна; 2 - конденсатор; 3 - отстойник; 4 - кипятильник

Азеотропная ректификация Принцип действия. К разделяемой смеси специально добавляют ещё один компонент, служащий т. н. «носителем» , с целью увеличения различия в летучестях компонентов исходной смеси. «Носитель» С образует азеотропную смесь с минимум температуры кипения с одним из компонентов смеси А+В, причём температура кипения новой азеотропной смеси ниже температуры кипения отгоняемого компонента. «Носитель» С при этом удаляется с дистиллятом. Перегонка с водяным паром также является примером азеотропной перегонки. Применение. Экстрактивную и азеотропную перегонку применяют для разделения смесей, компоненты которых обладают очень близкими летучестями, а так же для разделения азеотропных смесей. Азеотропную перегонку целесообразно применять при сравнительно невысоких содержаниях отгоняемого компонента в исходной смеси, когда расход теплоты на испарение «носителя» С невелик.

Молекулярная дистилляция 1 - испаритель; 2 - конденсатор; 3 - рубашка; 4, 5 - выводы кубового остатка и дистиллята; 6 - распределитель плёнки исходной смеси; 7 - нагреватель испарителя

Молекулярная дистилляция Принцип действия применение. Её проводят в условиях а) глубокого вакуума; и б) минимального времени пребывания веществ в горячей зоне. Оба эти условия очень важны для разделения весьма нестойких термических веществ—витаминов, животных и рыбьего жира и др. , обычно имеющих высокую молекулярную массу и обладающих высокой температурой кипения. Чтобы вещество не успело разложиться, его нельзя длительное время подвергать нагреванию. Этого добиваются используя вторую роль вакуума: при высоком вакууме длина свободного пробега молекул пара велика. Малому времени пребывания в горячей зоне способствует и тонкоплёночное течение по обогреваемой поверхности.

Молекулярная дистилляция