РЕКТИФИКАЦИЯ

РЕКТИФИКАЦИЯ (от позднелат. rectificatio
- выпрямление, исправление), один из способов разделения жидких смесей,
основанный на различном распределении компонентов смеси между жидкой и
паровой фазами. При Р. потоки пара и жидкости, перемещаясь в противоположных
направлениях (противотоком), многократно контактируют друг с другом в спец.
аппаратах (ректификационных колоннах), причём часть выходящего из аппарата
пара (или жидкости) возвращается обратно после конденсации (для пара) или
испарения (для жидкости). Такое противоточное движение контактирующих потоков
сопровождается процессами теплообмена и массообмена, к-рые на каждой стадии
контакта протекают (в пределе) до состояния равновесия; при этом восходящие
потоки пара непрерывно обогащаются более летучими компонентами, а стекающая
жидкость-менее летучими. При затрате того же кол-ва тепла, что и при дистилляции,
Р.
позволяет достигнуть большего извлечения и обогащения по нужному компоненту
или группе компонентов. Р. широко применяется как в промышленном, так и
в препаративном и лабораторном масштабах, часто в комплексе с др. процессами
разделения, такими, как абсорбция, экстракция и кристаллизация.

Согласно Рауля законам и закону
Дальтона, в условиях термодинамия. равновесия концентрация к.-л. i-го компонента
в паре в K раз отличается от концентрации его в жидкости,
причём коэфф. распределения K=p(где p- упругость насыщенного пара i-го компонента; р - общее давление).
Отношение коэфф. распределения любых двух компонентов Kи Kназ. относительной летучестью и обозначается аЧём
больше отличается а от единицы, тем легче выполнить
разделение этих компонентов с помощью Р. В ряде случаев удаётся увеличить
ав
результате введения в разделяемую смесь нового компонента (наз. разделяющим
агентом), к-рый образует с нек -рыми компонентами системы азеотропную
смесь. С этой же целью вводят растворитель, кипящий при значительно
более высокой темп-ре, чем компоненты исходной смеси. Соответствующие процессы
Р. наз. азеотропными или экстрактивными. Величина азависит
от давления: как правило, при понижении давления ац возрастает.
Р. при пониженных давлениях - вакуумная - особенно подходит для разделения
термически нестойких веществ.



Аппаратура для ректификации. Аппараты,
служащие для проведения Р.,- ректификационные колонны - состоят из собственно
колонны, где осуществляется противоточное контактирование пара и жидкости,
и устройств, в к-рых происходит испарение жидкости и конденсация пара,-
куба и дефлегматора. Колонна представляет собой вертикально стоящий полый
цилиндр, внутри к-рого установлены т. н. тарелки (контактные устройства
различной конструкции) или помещён фигурный кусковой материал - насадка.
Куб
и дефлегматор - это обычно кожухотрубные теплообменники (находят применение
также трубчатые печи и роторные испарители ).

Назначение тарелок и насадки - развитие
межфазной поверхности и улучшение контакта между жидкостью и паром. Тарелки,
как правило, снабжаются устройством для перелива жидкости. Конструкции
трёх типов переливных тарелок показаны на рис. 1 (а, б, в). В качестве
насадки ректификационных колонн обычно используются кольца, наружный диаметр
к-рых равен их высоте. Наиболее распространены кольца Рашига (рис. 2,1)
и их различные модификации (2-4).

Рис. 1. Схема тарелок с переливным устройством:
а - колпачковая (1 - основание со слоем жидкости; 2 - патрубки для прохода
пара: 3 - колпачки; 4, 5 -переливные устройства); б - из S-образных элементов
(6); в - ситчатая.

Рис. 2. Различные типы насадок: 1 -
кольца Рашига; 2 - спиральные кольца; 3 - кольца с перегородкой; 4 - кольца
Паля.

Как в насадочных, так и в тарельчатых колоннах
кинетич. энергия пара используется для преодоления гидравлич. сопротивления
контактных устройств и для создания динамич. дисперсной системы пар - жидкость
с большой межфазной поверхностью. Существуют также ректификационные колонны
с подводом меха-нич. энергии, в к-рых дисперсная система создаётся при
вращении ротора, установленного по оси колонны. Роторные аппараты имеют
меньший перепад давления по высоте, что особенно важно для вакуумных колонн.

По способу проведения различают непрерывную
и периодич. Р. В первом случае разделяемая смесь непрерывно подаётся в
ректификационную колонну и из колонны непрерывно отводятся две и большее
число фракций, обогащённых одними компонентами и обеднённых другими. Схема
потоков типичного аппарата для непрерывной Р.- полной колонны - показана
на рис. 3, а. Полная колонна состоит из 2 секций - укрепляющей (1)
и исчерпывающей (2). Исходная смесь (обычно при темп-ре кипения)
подаётся в колонну, где смешивается с т. н. извлечённой жидкостью и стекает
по контактным устройствам (тарелкам или насадке) исчерпывающей секции противотоком
к поднимающемуся потоку пара. Достигнув низа колонны, жидкостный поток,
обогащённый тяжелолетучими компонентами, подаётся в куб колонны (3).
Здесь
жидкость частично испаряется в результате нагрева подходящим теплоносителем,
и пар снова поступает в исчерпывающую секцию. Выходящий из этой секции
пар (т. н. отгонный) поступает в укрепляющую секцию. Пройдя её, обогащённый
легколетучими компонентами пар поступает в дефлегматор
(4), где
обычно полностью конденсируется подходящим хладагентом. Полученная жидкость
делится на 2 потока: дистиллят и флегму. Дистиллят является продуктовым
потоком, а флегма поступает на орошение укрепляющей секции, по контактным
устройствам к-рой стекает. Часть жидкости выводится из куба колонны в виде
т. н. кубового остатка (также продуктовый поток).

Рис. 3. Схемы потоков ректификационных
колонн: а - непрерывная ректификация; б - периодическая ректификация; 1
- укрепляющая секция; 2 - исчерпывающая секция; 3 - куб колонны; 4 - дефлегматор.

Отношение кол-ва флегмы к кол-ву дистиллята
обозначается через R и носит назв. флегмового числа. Это число -
важная характеристика Р.: чем больше R, тем больше эксплуатационные
расходы на проведение процесса. Минимально необходимые расходы тепла и
холода, связанные с выполнением к.-л. конкретной задачи разделения, могут
быть найдены с использованием понятия минимального флегмового числа, к-рое
находится расчётным путём в предположении, что число контактных устройств,
или общая высота насадки, стремится к бесконечности.

Если исходную смесь нужно разделить непрерывным
способом на число фракций больше двух, то применяется последовательное
либо параллельно-последовательное соединение колонн.

При периодической Р. (рис. 3, б) исходная
жидкая смесь единовременно загружается в куб колонны, ёмкость к-рого соответствует
желаемой производительности. Пары из куба поступают в колонну и поднимаются
к дефлегматору, где происходит их конденсация. В начальный период весь
конденсат возвращается в колонну, что отвечает т. н. режиму полного орошения.
Затем конденсат делится на флегму и дистиллят. По мере отбора дистиллята
(либо при постоянном флегмовом числе, либо с его изменением) из колонны
выводятся сначала легколетучие компоненты, затем среднелетучие и т. д.
Нужную фракцию (или фракции) отбирают в соответствующий сборник. Операция
продолжается до полной переработки первоначально загруженной смеси.



Основы расчёта ректификационных колонн.
Р.
с физико-хим. точки зрения является сложным процессом противоточного тепломассообмена
между жидкой и паровой фазами в условиях осложнённой гидродинамич. обстановки.
Именно такой подход к математич. описанию расчёта процесса развивается
в связи с применением электронных цифровых вычислит. машин (ЦВМ).

Всё же при количеств. рассмотрении работы
ректификац. колонн обычно используется концепция теоретич. тарелки. Под
такой тарелкой понимается гипотетич. контактное устройство, в к-ром устанавливается
термодинамич. равновесие между покидающими его потоками пара и жидкости,
т. е. концентрации компонентов этих потоков связаны между собой коэфф.
распределения. Любой реальной ректификационной колонне можно поставить
в соответствие колонну с определённым числом теоретич. тарелок, входные
и выходные потоки к-рой как по величине, так и по концентрациям совпадают
с потоками реальной колонны. Можно сказать, напр., что данный реальный
аппарат эквивалентен по своей эффективности колонне с пятью, шестью и т.
п. теоретич. тарелками. Исходя из этого, можно определить т. н. кпд колонны
как отношение числа теоретич. тарелок, соответствующих этой колонне, к
числу действительно установленных тарелок. Для насадочных колонн можно
определить величину ВЭТТ (высоту, эквивалентную теоретич. тарелке) как
отношение высоты слоя насадки к числу теоретич. тарелок, к-рым он эквивалентен
по своему разделит. действию.

С концепцией теоретич. тарелки связана
плодотворная идея отделения конструктивных и гидравлич. параметров от технологич.
параметров, таких как отношения потоков и коэфф. распределения. Единая
задача расчёта ректификационной колонны распадается при этом на две более
простые, самостоятельные: а) технологич. расчёт, когда нужно установить,
какие составы будут получаться на фиксированном числе теоретич. тарелок,
или найти, сколько надо взять теоретич. тарелок, чтобы Получить желаемый
состав выходящих потоков; б) расчёт, когда нужно установить, сколько взять
реальных тарелок или какая высота насадки должна быть для реализации желаемого
числа теоретич. тарелок. В математич. отношении первая задача (а) допускает
чёткую формулировку и сводится к решению обширной системы нелинейных алгебраич.
ур-ний (для непрерывно действующих колонн) или к интегрированию систем
обыкновенных дифференциальных ур-ний (для периодич. колонн). В случае Р.
многокомпонентной смеси решение доступно лишь с помощью ЦВМ. Использование
машин позволяет также рассчитывать сложные колонны, применение к-рых на
практике в какой-то степени тормозилось ранее отсутствием точных методов
расчёта. При гидравлич. расчёте (б) могут быть использованы либо непосредственно
эмпирич. корреляции между величинами ВЭТТ и кпд, с одной стороны, и конструкцией
тарелки, типом насадки и гидравлич. параметрами (удельные нагрузки по пару
и жидкости) - с другой, либо соотношения, связывающие ВЭТТ и кпд с кинетич.
и диффузионными параметрами (такими, как коэфф. массоотдачи и эффективной
диффузии).

Осн. области пром. применения Р.- получение
отд. фракций и индивидуальных углеводородов из нефтяного сырья в нефтеперераб.
и нефтехим. промышленности, получение окиси этилена, акрилонитрила, капролактама,
алкилхлорсиланов - в хим. пром-сти. Р. широко используется и в др. отраслях
нар. х-ва: цветной металлургии, коксохимич., лесохимич., пищевой, химико-фармацевтич.
пром-стях.

Лит.: Касаткин А. Г., Основные процессы
и аппараты химической технологии, 8 изд., М., 1971; Александров И. А.,
Ректификационные и абсорбционные аппараты, 2 изд., М., 1971; Коган В. Б.,
Азеотропная и экстрактивная ректификация, 2 изд., М., 1971; Олевский В.
М., Ручинский В. Р., Ректификация термически нестойких продуктов, М., 1972;
Платонов В. М., Берго Б. Г., Разделение многокомпонентных смесей. Расчёт
и исследование ректификации на вычислительных машинах, М., 1965; Холланд
Ч., Многокомпонентная ректификация, пер. с англ., М., 1969; Крель Э., Руководство
по лабораторной ректификации, пер. с нем., М., 1960. В. М. Платонов,
Г. Г. Филиппов.