Ректификация. Теоретический материал. Ректификационные колонны. Теоретическая тарелка. Пропускная способность колонны

Ректификация

Теоретический материал

Ректификация как метод разделения смеси жидкостей представляет разновидность обогащения жидкого сырья. Она применима в тех случаях, когда разность температур кипения разделяемых компонентов не превышает 80⁰С, а также при необходимости выделить компоненты смеси высокой степени чистоты.

В основе процесса ректификации лежит первый закон Коновалова, согласно которому, в двухкомпонентной системе пар, по сравнению с находящейся с ним в равновесии жидкостью, относительно более богат тем компонентом, прибавление которого к системе повышает давление пара, т.е. понижает ее температуру кипения при данном давлении.

В отличие от обычной перегонки, ректификация представляет собой процесс многократного испарения жидкости и  конденсации паров, движущихся противотоком и находящихся в постоянном контакте. Благодаря этому осуществляется многократный обмен компонентами (массообмен) и теплом (теплообмен) между парами и жидкостью, образующейся в результате частичной конденсации паров (флегмой). При контакте более холодной флегмы с более горячим паром из флегмы испаряется преимущественно низкокипящий компонент, а из  паров коденсируется, главным образом, высококипящий компонент. В результате происходит обогащение паров низкокипящим компонентом, а жидкости – высококипящим.

Процесс ректификации осуществляется в аппаратах, называемых ректификационными колоннами. Так как массообмен – процесс гетерогенный, то скорость его зависит от поверхности контакта жидкой и паровой фаз. Для увеличения поверхности контакта колонну заполняют насадкой из тарелок различной конструкции, стеклянных или металлических колец и спиралей. Для конденсации паров, прошедших через колонну и обогащенных низкокипящим компонентом, вверху ректификационной колонны располагается дефлегматор.

Эффективность работы колонны зависит от нескольких факторов. Важнейшими из них являются: число теоретических тарелок (ЧТТ) или высота, эквивалентная теоретической тарелке (ВЭТТ), флегмовое число, пропускная способность и задержка колонны.

Теоретической тарелкой называется единица высоты колонки, в которой достигается обогащение низкокипящим компонентом, отвечающее термодинамическому равновесию между парами и жидкостью.

Число теоретических тарелок, необходимое для разделения двойной смеси А + В, зависит от заданной полноты разделения и относительной летучести компонентов. Эти величины связаны зависимостью:

где: n – число теоретических тарелок;

X₁– мольная доля низкокипящего компонента в жидкой фазе;

Y_n – мольная доля этого же компонента в паровой фазе;

a – относительная летучесть компонентов.

Относительная летучесть компонентов определяется как отношение парциальных давлений компонентов в паровой фазе.

В колоннах с нетарельчатой насадкой, к которым относится большинство лабораторных колонок, эффективность оценивается высотой, эквивалентной теоретической тарелке (ВЭТТ):

ВЭТТ = H/n

где:  Н  – высота эффективной части колонки, см;

n  – число ТТ, найденное для этой  колонки.

Флегмовым числом называется мольное отношение количества флегмы (стекающей вниз по колонне части конденсата) к количеству дистиллата, отобранного за единицу времени. От величины флегмового числа зависит хороший и длительный контакт паров и флегмы, то есть эффективность разделения компонентов и пропускная способность колонны, а значит и время ректификации. Обычно выбирают некоторое оптимальное значение флегмового числа, приблизительно равное числу ТТ колонны. Для лабораторных колонок оно лежит в пределах от 10 до 20.

Пропускную способность колонны выражают количеством жидкости, соответствующим количеству паров, проходящих через колонну в единицу времени. Чем выше пропускная способность, тем больше скорость ректификации.

Задержкой колонны называется количество жидкости, удерживаемое насадкой при работе колонны. От величины задержки зависит то минимальное количество смеси, которое можно разделить на данной колонне. Поэтому при ректификации малых количеств жидкой смеси следует использовать колонны с небольшой величиной задержки.

Максимальная эффективность ректификационной колонны может быть обеспечена только при отсутствии теплообмена с окружающей средой, а также в том случае, если насадка перед ректификацией хорошо смочена флегмой. Для этого в лабораторных ректификационных колонках применяют специальную теплоизоляцию или рубашку с электрообогревом, а насадку перед началом разгонки смачивают флегмой, вводя колонку в режим "захлебывания".

Лабораторная ректификационная колонка состоит из перегонного куба, колонки, головки полной конденсации и приемника. Перегонный куб представляет колбу, установленную на колбонагревателе. Температура колбонагревателя и рубашки, если она имеется, регулируется. Головка полной конденсации служит для конденсации паров, возврата конденсата и для регулируемого отбора дистиллята.