Ректификация. Экстракция из растворов. Хемосорбция

Ректификация

Ректификацией называют разделение смесей жидкостей, частично или полностью растворимых друг в друге и обладающих различными температурами кипения и парциальными давлениями паров, фракционирование осуществляют обычно в колонных аппаратах путем многократных частичного испарения разделяемой смеси (бинарной или многокомпонентной) и конденсации образующихся паров. Процессы ректификации широко распространены в химической технологии и применяются для получения разнообразных продуктов в чистом виде, а также для разделения газовых смесей после их сжижения (разделение воздуха на кислород и азот, разделение углеводородных газов и др.).

Принципиальная схема процесса ректификации показана на рис. 1-16. Здесь х_L. — состав питания.

Основные уравнения процесса. Согласно правилу фаз (1,75), для системы, состоящей из двух фаз (Ф = 2) и двух распределяемых компонентов (К = 2), число степеней свободы, или число параметров, определяющих состояние системы, в отличие от абсорбции и экстракции, равно:

С = К + 2 — Ф = 2 + 2 - 2 = 2. Другие основные соотношения, характеризующие условия равновесия, рабочие условия и скорость ректификации, аналогичны соответствующим выражениям для процесса абсорбции. Уравнение линии равновесия для идеальных смесей будет:

где a_x - относительная летучесть компонента в жидкой фазе.

Ректификация бинарных смесей

Составим математическую модель процесса применительно к ректификации бинарной смеси в насадочной колонне. Основные параметры процесса показаны на рис. 1-17. К внешним независимым переменным относятся: скорость и состав питания; температура Т или агрегатные состояния компонентов смеси; рабочее давление Р. Внутренними независимыми переменными будут полные составы дистиллята и

Рис. 1-17. Основные переменные процесса ректификации: а — входные переменные; б — выходные  переменные; в — переменные, определяющие условия протекания процесса

кубового остатка. В число зависимых переменных входят: все не указанные составы жидкости, кубового остатка, дистиллята и распределение составов по высоте колонны, а также состав пара в каждой точке аппарата; температура в каждой точке колонны; все не указанные скорости потоков жидкости и пара; скорости отбора дистиллята и кубового остатка. К полунезависимым переменным относятся; место ввода питания l_пит; температура флегмы или температура охлаждающей воды; давление пара.

Статическая модель процесса

Гидродинамические основы процесса определяются двумя основными взаимосвязанными факторами: моделью, или внутренней структурой потоков, и гидродинамическим режимом.

Модели потоков. При составлении математического описания процесса ректификации в насадочной колонне используются те же модели, что и для процесса абсорбции (см. стр. 25).

Гидродинамический режим характеризует параметры моделей потоков и величины, определяющие интенсивность массообмена. Ректификационные насадочные колонны работают в режимах, принципиально не отличающихся от режимов работы насадочных абсорберов (см. стр. 39).

Статические характеристики. В соответствии с моделью идеального вытеснения имеем:

укрепляющая часть колонны

исчерпывающая (отпарная) часть колонны

Согласно диффузионной модели, получим:

укрепляющая часть колонны

исчерпывающая часть колонны

В формулах (1,122)—(1,129) обозначены: u_G, u_L1, u_L2 - линейные скорости паровой и жидкой фаз; Ку, К'у, Еу, Еx, Еу, Е'х — объемные коэффициенты массопередачи и коэффициенты продольного перемешивания для жидкости и пара в обеих частях колонны;

у, х — концентрации легколетучего компонента в паровой и жидкой фазах.

При расчетах принимается, что объемные коэффициенты массопередачи, линейные скорости и коэффициенты продольного перемешивания жидкой и паровой фаз не изменяются по высоте каждой секции колонны. Эти допущения тем более справедливы, чем ближе гидродинамический режим к режиму, отвечающему точке инверсии фаз.

В настоящее время экспериментально наиболее хорошо изучен режим эмульгирования. Применительно к процессам ректификации в результате обработки многочисленных опытных данных, полученных при работе с различными смесями, предложено следующее уравнение для определения эквивалентной высоты насадки в точке инверсии:

Здесь Re_п — критерий Рейнольдса для пара; r_ж,r_п — плотности жидкой и паровой фаз; т — тангенс угла наклона кривой равновесия. Удерживающая способность насадки находится по формуле (1,109). Практическое использование математической модели, основанной на предположении о наличии продольного перемешивания в жидкой и паровой фазах в насадочной колонне, связано с необходимостью предварительного определения основных параметров модели — коэффициентов массопередачи и продольного перемешивания. Уравнения для их расчета приведены в специальной литературе.