АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Ректификация

Принцип ректификации. Простейшими способами перегонки жидких смесей, как это указывалось выше, являются: 1) частичное испарение жидкости и конденсация полученных паров с отводом конденсата (простая перегонка) и 2) частичная конденсация паров перегоняемой смеси с отводом конденсата (простая конденсация). Каждый из этих процессов в отдель­ности не приводит к получению достаточно чистых продуктов, но, осуще­ствляя оба эти процесса одновременно и многократно в противоточных колоннах, можно достичь разделения жидкой смеси на чистые, соста­вляющие смесь компоненты. Такой процесс разделения жидких смесей при помощи одновременно и многократно повторяемых частичных испа­рений и конденсаций называют ректификацией.

Процесс ректификации осуществляется в противоточных аппара - тах-колоннах: пары перегоняемой жидкости протекают снизу вверх, а навстречу парам сверху вниз протекает жидкость, подаваемая в верх­ний элемент колонны. Между жидкой и паровой фазами возникает масСообмен, вследствие которого пары по мере их продвижения по ко- "лбнне обогащаются легколетучим компонентом, а жидкость—менее ле­тучим компонентом. В конечном итоге пар, выходящий из верхней части колонны, представляет собой более или менее чистый легколетучий ком­понент, конденсация которого дает готовый продукт—д истиллят, а из нижней части колонны вытекает сравнительно чистый менее летучий компонент, так называемый кубовый остаток, который, так же как и дистиллят, может быть конечным продуктом" перегонки.

Жидкость, поступающую на орошение колонны, называют ф л е г - м о й; ее получают путем конденсации паров, поднимающихся из верхней части колонны, в специальных конденсаторах—д е ф л е г - м а т о р ах. Для образования паров нижний элемент колонны снабжают греющими приспособлениями в виде змеевиков или трубчаток, в которые и подводят необхо­димое количество тепла, в большинстве случаев с грею­щим водяным паром.

Степень разделения жидкой смеси на составляющие ее компоненты и чистота получаемых дистиллята и кубо­вого остатка зависят от того, насколько развита поверх­ность фазового контакта, а последнее определяется „коли­чеством орошаемой жидкости—флегмы и конструктивным оформлением аппарата.

Наиболее наглядно процесс ректификации можно проследить на схеме тарельчатой колонны (рис. 385). Колонна состоит из ряда горизонтально расположенных перегородок-тарелок, имеющих большое число отверстий и переливные трубки, верхние концы которых высту­пают на 30—50 мм выше тарелки, а нижние—находятся в жидкости на нижележащей тарелке, что обеспечивает поддержание на тарелках определенного постоянного Рис. 385. Схема уровня жидкости. На нижнюю тарелку поступает пар ректификацион-

Из куба колонны, а сверху подается флегма. нои таРельчатой

У к ол он ны»

Тарелке 1 ЖИДКОСТЬ содержит хг легколетучего 1 2 3 4 5 6-

Компонента. Из ЭТОЙ ЖИДКОСТИ выделяется пар, содержа - тарелки колонны, ние легколетучего компонента в котором в пределе соот­ветствует равновесному составу уг, причем ух~>хх. Этот пар проходит в отверстия тарелки 2 и, соприкасаясь на ней с жидкостью, имеющей бо­лее низкую температуру по сравнению с температурой жидкости на тарелке 1, частично конденсируется, вследствие чего содержание х2 в жидкости на тарелке 2 будет больше хг.**Из этой жидкости образуется пар, состав которого в пределе будет равен равновесному составу уг жидкости, причем г/2>л:2. Проходя в отверстия тарелки 3, этот пар частично конденси­руется и на тарелке 3 жидкость содержит компонент х3>х2 и т. д.

На каждой тарелке проходит массообмен между жидкой и паровой фазами, в результате чего часть легколетучего компонента переходит из жидкой фазы в паровую, а часть менее летучего компонента—из паровой фазы в жидкую. При многократном повторении процессов испарения и конденсации или, иначе говоря, при соответствующем, числе тарелок можно получить в конечном итоге вверху колоннны пар чистого легколе­тучего компонента, а внизу колонны — остаток жидкости в виде чистого менее летучего компонента. 36*

Теоретически каждая тарелка колонны представляет собой ступень изменения концентрации; состав пара при выходе с тарелки равен равно­весному составу жидкости при входе ее на тарелку и, следовательно, теоретически число тарелок равно числу сту­пеней изменения концентрации для каждого данного случая перегонки. Практически пар на тарелке равновесного состояния не достигает, и поэтому число реальных тарелок всегда будет больше тео­ретического числа ступеней изменения концентрации.

Ректификацию проводят как под атмосферным давлением, так и при давлениях выше и ниже атмосферного. Давления выше атмосферного применяют в тех случаях, когда разделяемая смесь при атмосферном

Давлении находится в газо - з образном состоянии; ректи­

Фикацию при пониженных давлениях (под вакуумом) проводят для разделения вы - сококипящих смесей.

Ректификация жидких смесей проводится в аппара­тах (колоннах) разных ти­пов и конструкций. Незави­симо от типа и конструкции колонн ректификация прово­дится как периодически, так и непрерывно.

Периодическая ректи­фикация. В периодически действующей ректификаци­онной установке (рис. 386) перегоняемую смесь загру­жают в куб У, нагревают глухим паром до температу­ры кипения и затем непре­рывно поддерживают состоя­ние кипения. Образующийся в 'кубе пар поступает в колонну 2 (так называемую укрепляющую колон­ну), где происходит процесс ректификации.

Поднимающийся с верхней тарелки пар направляется в дефлегма­тор 3, где часть его конденсируется и в виде жидкости—флегмы сте­кает обратно на верхнюю тарелку для орошения колонны. Несконденсиро - вавшиеся пары из дефлегматора поступают в холодильник 4, где они пол­ностью конденсируются, и полученный жидкий дистиллят охлаждается до заданной температуры. Из холодильника дистиллят поступает через кон­трольный фонарь в сборник 5. По ареометру, который находится в фо­наре, контролируют конденсацию дистиллята по удельному весу. Наблюдая через фонарь за протеканием дистиллята, регулируют скорость перегонки.

Если при перегонке нужно отобрать несколько фракций с различ­ной температурой кипения, то устанавливают несколько сборников ди­стиллята (по числу фракций) и по мере протекания перегонки собирают фракции в отдельные сборники. ^

Ректификацию в периодически действующей колонне ведут до тех пор, пока не получат в кубе жидкость заданного состава, после чего обогрев куба прекращают, остаток сливают в сборники, а в куб загру­жают новую порцию начальной смеси, которую снова перегоняют до получения дистиллята заданного состава.

Непрерывная ректификация. Для непрерывного протекания про­цесса ректификации необходимо, чтобы поступающая на разделение смесь соприкасалась со встречным потоком пара с большей концентрацией труднолетучего (высококипящего) компонента, чем в смеси.

Поэтому в установках для непрерывной ректификации (рис. 387) колонны выполняют из двух частей: нижней 1 (и с ч е р п ы^в а ю щ е й) и верхней 3 (укрепляющей). В исчерпывающей части колонны проис­ходит удаление легколетучего компонента из стекающей вниз жидкости, а в верхней—обогащение под­нимающихся вверх паров легко­летучим компонентом.

Начальная жидкая смесь не­прерывно поступает из напорного резервуара 4 на верхнюю тарел­ку исчерпывающей части колон­ны (так называемую п и тате л ь - н у ю тарелку). Проходя до ко­лонны через подогреватель 2, Смесь подогревается обычно до температуры кипения на питатель­ной тарелке. На питательной та­релке жидкость смешивается с флегмой из укрепляющей части колонны и, стекая по тарелкам, взаимодействует с поднимающим­ся навстречу паром, более бога­тым труднолетучим (высококипя - щим) компонентом; При этом из жидкости удаляется легколету­чий (низкокипящий) компонент - Таким образом, в исчерпывающей части колонны происходит про­цесс ректификации (исчерпы­вания) жидкости. В нижний эле­мент колонны стекает жидкость, состоящая почти целиком из труднолетучего компонента. Часть

Ее, так называемый кубовый остаток, непрерывно отводится, а остальная часть испаряется за счет тепла глухого греющего пара, под­водимого в нижний элемент колонны (кипятильник).

Пар поднимается По всей колонне снизу вверх, обогащается легко­летучим компонентом и поступает в дефлегматор 5. Здесь часть пара конденсируется и возвращается в колонну, где стекает в виде флегмы сверху вниз. Другая часть пара поступает в холодильник-конденсатор 6, Где происходят его конденсация и охлаждение полученного дистиллята; дистиллят направляется в сборник 7. Греющий пар подводитск в зме - . евик, установленный в кубе колонны; из куба непрерывно стекает вх^бор - ник 8 остаток от перегонки, т. е. почти чистый менее летучий компонент.

Так как исходная смесь поступает на ректификацию непрерывно14, то при установившемся состоянии состав жидкости и пара на каж­дом участке колонны остается неизменным. В некоторых случаях в дефлегматоре производится конденсация всех паров, поднимающихеячиз колонны. Полученный конденсат делится на две части: одна часть по­ступает в виде флегмы обратно в колонну, другая же направляется в холодильник, где охлаждается до заданной температуры дистиллята.

Для сокращения расхода пара иногда используют теплоту кон­денсации в дефлегматоре и теплоту отходящей жидкости из колонны для нагрева начальной смеси, поступающей в колонну, до температуры ее кипения. Однако ввиду сложности регулирования процесса целесообразно

Использовать теплоту конденсации для других целей, а не непосред­ственно на работу колонны.

При непрерывной ректифика­ции смесей, состоящих более чем из двух компонентов, схема установки значительно сложнее, так как тре­буется колонна с дефлегматором для каждого добавочного компонента, и эта колонна также должна состоять из двух частей—исчерпы­вающей и укрепляющей.

При непрерывной ректифика­ции смеси, состоящей из трех ком­понентов, каждый из которых надо выделить в более или менее чистом виде, возможны два варианта уста­новки, показанные на рис. 388. В обоих случаях сначала в одной ко­лонне отделяют один компонент от двух остальных, а затем в другой J колонне разделяют эти два компо­нента друг от друга.

По варианту /в первой колон­не отделяют наименее летучий из компонентов (компонент С) в виде (1 І С |J 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 / 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.

~ 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.

В каждой отрасли промышленности имеются характерные для данного производства перегонные аппараты. Ниже рассмотрены типовые конструк­ции аппаратов для перегонки разнообразных смесей.

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.

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 добав- . ляют 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 долж - ' ны быть достаточны для размещения нагревательных устройств.

Колонные аппараты. В ректификационных установках применяются, так же как и при абсорбции газов, три основных типа колонн: 1) колпачковые колонны, 2) ситчатые колонны и 3) насадочные колонны, типы и конструкции которых, а также методы их расчета были изложены выше в главе XI.

Насадочные колонны, в которых гидравлическое сопротивление ^ значительно меньше, чем в тарельчатых колоннах, находят применение » главным образом при ректификации под вакуумом жидкостей с высоки­ми температурами кипения и в тех случаях, когда для перегонки данной смеси в тарельчатой колонне потребовалось бы большое число тарелок.

Схема устройства насадочной ректификационной колонны непре­рывного действия представлена на рис. 390. Колонна состоит из двух час­тей: верхней—укрепляющей и нижней—исчерпывающей. Внутри каждой части колонны находится решетка, на которую укладывается насадка. Сверху укрепляющей части колонны установлены приспособления для
подачи и распределения начальной смеси. Колонна снабжена кипятильни­ком, в котором осуществляется процесс парообразования. Пары из кипя­тильника поступают под решетку исчерпывающей части колонны и прохо­дят по ней снизу вверх; жидкость, наоборот, протекает сверху вниз. В ре­зультате контакта паров с жидкостью происходит постепенное обогаще­ние пара легколетучим компонентом, а жидкости—менее летучим компонентом. Пройдя колонну, пары направляются, как обычно, в дефлегматор (на рисунке не показан), а жидкость из низа исчер­пывающей части колонны частично от­бирается в виде кубового остатка, со­держащего относительно чистый менее летучий компонент, а частично идет в кипятильник.

Насадку загружают в колонну че­рез верх, а для выгрузки ее в обеих частях колонны устроены специальные люки.

Центробежные пленоч­ные ректификационные аппараты. Для интенсификации массообмена и улучшения разделения были предложены аппараты, работа ко­торых основана на принципе исполь­зования центробежной силы (колонны с вращающейся трубой, горизонталь­ные аппараты с вращающимся спира­левидным ротором).

Центробежный пленочный аппа­рат (рис. 391) имеет неподвижный ко­жух /, в котором с большой скоростью вращается ротор, состоящий из спи­ральной металлической ленты 2, огра­ниченной изнутри и снаружи ситчаты - ми цилиндрами 3 и 4. Начальная смесь движется по стенкам спирали в виде тонкой пленки от центра к периферии. Пар движется с большой скоростью противотоком к жидкости, и взаимо­действие фаз происходит на поверх­ности пленки. Интенсивность массо­обмена определяется сопротивлением жидкой и паровой пленок. Поэтому эф­фективность пленочной ректификации возрастает с усилением турбулентно­сти потоков пара и жидкости.

Несмотря на сложность устройст­ва, центробежные. ректификационные аппараты могут быть успешно исполь­зованы при разделении смесей, для ко­торых требуется большое число таре­лок.

Экстрактивная и азеотропная дистилляция. Экстракт ивная и азеотропная дистилляция основаны на добавлении к смеси
некоторого нового вещества, так называемого растворителя, для увеличения различия в летучести наиболее трудно разделяемых компонентов.-

Экстрактивную и азеотропную дистилляцию применяют главным образом для разделения смесей, компоненты которых имеют очень близ­кие температуры кипения и с трудом разделяются обычной ректифика­цией. Эти методы дистилляции могут быть эффективно использованы в том случае, когда подлежащие разделению компоненты отличаются по

Структуре и при добавлении третьего компонента различно изменяют свою | летучесть.

IJ J! Если вещества, упругость паров

Которых мало отличается, образуют азеотропные смеси и возможность изменения давления, под которым проводится процесс, исключена, то

ГУ

Легколетучий компонент

W

Растворитель

Начальная смесь

К

"ГТдцднолетучий J номпонент

7

Рис. 391. Центробежный пленочный рек­тификационный аппарат:

1—кожух; 2—лента ротора; 3. 4—ситчатые цилиндры.

Рис. 392. Схема экстрактивной

Дистилляции: 1—исчерпывающая часть колонны; 2— Укрепляющая часть колонны; 3—сек­ция для регенерации растворителя; 4— Добавочная исчерпывающая колонна.

Азеотропная и экстрактивная дистилляция являются единственно воз­можными способами разделения компонентов путем перегонки.

Для проведения азеотропной дистилляции к смеси добавляют вещест­во, которое образует азеотропную смесь с одним или несколькими ее компонентами, а также соответствующий растворитель в количестве, до­статочном для того, чтобы он оставался в колонне до конца процесса разделения.

При экстрактивной дистилляции добавляемое вещество увеличивает ~ относительную летучесть разделяемых компонентов; это вещество должно иметь упругость пара, значительно меньшую упругости пара компонентов ■ - смеси, подлежащих разделению.

Растворитель непрерывно подается в верхнюю часть колонны для того, чтобы на всех тарелках он имел достаточную концентрацию.

В схеме экстрактивной дистилляции (рис. 392) основным аппаратом является большая ректификационная колонна, состоящая из исчерпываю­щей части 1, укрепляющей части 2 и секции 3 для регенерации раство­рителя, причем регенерация может успешно проводиться и в отдель­ной небольшой колонне.

Растворитель подается непрерывно в верхнюю часть колонны и протекает через нее в исчерпывающую часть. Начальная смесь поступает в колонну несколько ниже точки ввода растворителя и разделяется в обеих частях колонны на компоненты при некоторой концентра­ции растворителя по всей высоте колонны. Растворитель и труднолетучий компонент выводятся из низа экстракционной колонны и разделяются в отдельной колонне 4. Из колонны 4 растворитель отводится внизу и посту­пает снова в экстракционную колонну.

Конструкция аппаратуры для азеотропной дистилляции зависит от степени смешиваемости растворителя с разгоняемыми компонентами. Растворитель в этом процессе отводится главным образом с легко­летучим компонентом в верху колонны и лишь частично с кубовой жидкостью.

Экстрактивная дистилляция обладает рядом преимуществ по сравне­нию с азеотропной; при экстрактивной дистилляции можно применить большое число растворителей, летучесть которых должна значительно отличаться от летучести разделяемых компонентов и быть возможно более низкой. Для азеотропной дистилляции необходимы только такие растворители, которые кипят при температуре, соответствующей образо­ванию азеотропной смеси.

При экстрактивной дистилляции степень концентрации растворителя и другие параметры могут изменяться в широких пределах; расход пара при экстрактивной дистилляции меньше, чем при азеотропной, так как в условиях этого процесса не нужно испарять растворитель.

Азеотропную дистилляцию более удобно применять для колонн периодического действия, где возможна однократная загрузка всего рас­творителя, и в лабораторных установках. В больших непрерывно дей­ствующих установках ее применяют в тех случаях, когда содержание лег­колетучего компонента в смеси невелико и соответственно расходуется небольшое количество тепла на испарение растворителя (например, для дегидратации этилового спирта, содержащего дб 5% воды, при помощи раствор ител я—бензол а).

Молекулярная дистилляция. Молекулярная дистилляция принци­пиально отличается от других процессов перегонки, описанных выше. Этот процесс ведут под глубоким вакуумом, соответствующим остаточному давлению около 10—10—4 мм pm. ст. В этих условиях молекулы мо­гут преодолевать силы взаимного притяжения, и длина свободного про­бега их увеличивается. При низких температурах значительно возрастает коэффициент летучести разделяемых компонентов.

Если расстояние между поверхностями испарения и конденсации соответствует величине свободного пробега молекул в условиях глубо­кого вакуума, то отрывающиеся от поверхности испарения молекулы более летучего компонента попадают непосредственно на конденсацион­ную поверхность и улавливаются на ней.

Для того чтобы молекулы, покидающие поверхность испарения, не возвращались обратно, а полностью конденсировались на конденсацион­ной поверхности, обе поверхности устанавливают параллельно друг другу на расстоянии, несколько меньшем длины свободного пробега молекул (это расстояние зависит от давления паров и молекулярного веса жидкости и практически при остаточном давлении -—Ю-4 мм рт. ст. равно 2—3 см). Все посторонние вещества, находящиеся в начальной смеси (растворенные газы, вода и легко испаряющиеся жидкости), должны быть предварительно удалены перед собственно дистилляцией. Наконец, для полноты конден­сации дистиллируемой жидкости должна поддерживаться значительная разность температур (—100°) поверхностей испарения и конденсации.

Молекулярную дистилляцию применяют для получения специаль­ных сортов масел и жиров из минеральных масел и их остатков, для раз­деления продуктов переработки каменноугольных смол, для получения витаминов, стеринов и углеводородов из натуральных масел и жиров. Молекулярная дистилляция может быть эффективно использована для разделения и очистки многих соединений, особенно высокомолекуляр­ных органических соединений, которые разлагаются или вообще не под­даются разделению при обычных температурных и других условиях про­стой перегонки и ректификации. Однако молекулярной дистилляции лГогут подвергаться толь­ко вещества, достаточно устойчивые при температу­ре, соответствующей глу­бокому вакууму, так как даже признаки разложе­ния (газообразования) в данном случае недо­пустимы.

Промышленная уста­новка для молекулярной дистилляции (рис. 393) со­стоит из перегонного ку­ба, системы, для создания глубокого вакуума и теплообменной аппарату­ры.

В кожухе 12 куба вращается на вертикаль­ном валу литой алюми­ниевый ротор 14, который является испарителем раз­деляемой смеси (диаметр ротора 1,5 м\ эффективная поверхность испарения 4 м2). Стенки испари­теля обогреваются снаружи электрическими нагревателями 10. Внутри куба находится вертикальный «листовой» алюминиевый конденсатор 11. Он состоит из вертикальных труб, концы которых входят в круглые труб­чатые коллекторы. Конденсационные поверхности («листья») располо­жены вокруг труб и имеют желобки для удаления отдельных фракций. Листья конденсатора охлаждаются теплой (иногда кипящей) водой. Температуру конденсатора поддерживают возможно более высокой для того, чтобы из него удалялась большая часть нежелательных, частично конденсирующихся веществ; эти вещества можно собирать в отдельном конденсаторе.

Разделяемая смесь поступает на дно ротора и поднимается по его нагретым коническим стенкам. Благодаря тому, что в испарителе обра­зуется тонкая, турбулентно движущаяся пленка жидкости, достигается высокая степень разделения смеси. Остаток подается насосом 6 в теп­лообменник 5, где он отдает тепло поступающей на разделение началь­ной смеси, и удаляется по трубе 4.

Вакуум-система состоит из конденсационных, диффузионных и фор - вакуумных насосов; в качестве последних применяют обычно многосту­пенчатые пароструйные эжекторы.»

Для улучшения разделения компонентов используют частично редистилляцию, т. е. обогащение питающей смеси частью дистиллята, или применяют многоступенчатую установку, состоящую из ряда
последовательно расположенных каскадом кубов, причем дистиллят из каждого куба направляют назад для питания предыдущего (или расположенного сзади через один) куба. Для той же цели внутри пере­гонного центробежного куба между ротором и конденсатором помещают специальную перегородку в виде металлической сетки.