Ректификация в общем смысле представляет собой процесс разделения жидкой смеси на отдельные чистые составляющие посредством повторения чередующихся процессов частичного испарения жидкости и конденсации ее паров при нагреве до температуры кипения. Для обеспечения процесса ректификации в производстве применяется специальное оборудование – промышленные ректификационные колонны. Колонны с различными дополнительными функциональными конструктивными элементами: испарителями, конденсаторами, насосами, накопительными емкостями, системами управления, называются ректификационными установками.
Процесс ректификации
Процесс ректификации основан на том, что исходная смесь состоит из компонентов с различным удельным весом и температурой кипения (низкокипящих и высококипящих). В каждом цикле «испарение – конденсация» из жидкости испаряются низкокипящие вещества, а из паров конденсируются (преобразуются в жидкость) высококипящие.
Физическая суть ректификации – двусторонний тепло- и массообмен разновесных фракций: ниспадающего потока жидкости и восходящего потока пара. При этом поверхность контактирующих фракций подвергается высокой турбулизации. В результате встречного движения потоков фаз пар обогащается низкокипящими (летучими, легковесными) компонентами, а жидкость – высококипящими.
В простейшем смысле циклы «испарение – конденсация» проходят следующие этапы:
1. Кипение исходной смеси компонентов, поданной в ректификационную установку. Из жидкости испаряются низкокипящие вещества, образуются первичные пары, жидкость остается, но меняет состав, поскольку часть веществ отделяется в составе пара.
2.1. Испарение жидкости, образовавшейся после отделения паров на первом этапе.
2.2. Конденсация паров, образовавшихся при кипении смеси на первом этапе.
3.1. Испарение жидкости, полученной на втором на втором этапе (после отделения еще части низкокипящих веществ).
3.2. Конденсация паров, образовавшихся и отделенных на втором этапе.
И т.д. до получения отдельных чистых фракций. Фракция на выходе после конденсации пара в конденсаторе — дистиллят. В зависимости от исходного состава смеси фракций дистиллята может быть несолько, при этом они идут друг за другом последовательно в зависимости от температуры кипения. Остаток жидкости после испарения из него низкокипящих компонентов представляет собой чистый высококипящий компонент – кубовый продукт.
Применение ректификационных колонн в промышленности
Ректификационные колонны используются в производстве с 19го века. Наиболее частые сферы применения – нефтегазовая и спиртовая промышленность. Кроме того широко применяются в химической, фармацевтической, пищевой отрасли и других сферах химической технологии, где требуется выделение чистых веществ из исходной смеси.
Принцип действия и схема ректификационной колонны
Ректификационные колонны разделения состоят из цилиндрической вертикальной колонны для обеспечения противоточного движения ниспадающей жидкости и восходящего пара, контактных устройств (другое название – массо- теплообменные устройства) – тарелок или насадок, куба для нагрева и кипения жидкой фазы, дефлегматора, где происходит конденсация пара и приемника дистиллята.
Колонна работает следующим образом:
- куб непрерывно подогревается до температуры кипения остаточной (кубовой) жидкости;
- за счет кипения образуется пар, который поднимается вверх по колонне и поступает на контактное устройство (тарелку или насадку);
- на тарелке или насадке жидкость контактирует с поднимающимся по колонне паром, происходит насыщение жидкости труднолетучим компонентом, а пар, наоборот – легколетучим;
- жидкость под действием силы тяжести стекает вниз, где попадает на следующую тарелку или секцию насадки, здесь снова происходит взаимодействие и перераспределение фаз;
- достигнув верхней части колонны, пар поступает в дефлегматор, где происходит его конденсация; часть полученной жидкости отводится на доохлаждение и попадает в приемник дистиллята (это готовый продукт), вторая часть жидкости из дефлегматора снова возвращается в колонну для дальнейшей перегонки (это флегма);
- жидкость, достигшая нижней части колонны попадает в куб, где снова происходит ее нагрев и кипение, цикл повторяется.
Таким образом, оборудование ректификационной установки обеспечивает создание встречных потоков жидкости и пара, контактирующих друг с другом на массо- теплоообменных устройствах, серия которых расположена внутри корпуса вертикальной колонны. В результате многократного испарения и конденсации исходная смесь разделяется на дистиллят (легкокипящий компонент смеси) и кубовый остаток (труднокипящий компонент смеси).
Виды ректификационных колонн
Производство различной продукции требует отличий в конструкции и функциональных особенностях ректификационных колонн.
По типу контактных элементов колонны разделяются на:
- Тарельчатые – для контакта жидкой и паровой фаз используются горизонтальные тарелки, установленные внутри колонны. На тарелках предусмотрены вертикальные перегородки, что удерживает на них слой жидкости, перетекающий вниз с одной тарелки на другую. Пар проходит сквозь тарелки с жидкостью снизу вверх за счет специальных отверстий в тарелках («колпачков»).
- Насадочные – для контакта нисходящего потока жидкости и восходящего потока пара используются специальные насадки в форме цилиндров, колец, полых призм, седел, насадки устанавливаются по всей высоте колонны. При этом насадка представляет собой высокопористую структуру, разделяющую колонну на большое количество связанных друг с другом ячеек. Насадочные колонны позволяют значительно увеличить площадь контакта пара и жидкости, что положительно влияет на производительность оборудования.
Насадка может быть регулярной, когда все формы насадки строго повторяются или нерегулярной.
По принципу действия ректификационные колонны для производства делятся на:
Периодические – исходная смесь загружается в установку единоразово, процесс происходит до результата на заданном объеме, после выгрузки продуктов разделения можно повторить процесс на новом объеме исходной смеси.
Непрерывные – процесс ректификации осуществляется непрерывно – подача исходной смеси, выгрузка полученного чистого продукта (дистиллята) и кубового остатка происходит непрерывно и постепенно. Этот тип колонн чаще применяется в промышленности, поскольку обеспечивает наиболее высокую производительность и снижение энергопотерь.
По количеству фракций в исходной смеси установки делятся на:
Простые – исходная смесь содержит 2 составляющих, на которые происходит разделение в колонне.
Сложные – исходная смесь содержит 3 и более составляющих, соответственно, результат ректификации – разделение всех компонентов. Установки этого типа либо состоят из нескольких секций, в каждой из которых исходная смесь разделяется на дистиллят и кубовый остаток, после чего перегонка продолжается в следующей секции, либо установка имеет несколько приемников дистиллята, в которые фракции поступают в зависимости от достигнутой температуры.
По условиям протекания реакции колонны делятся на:
- Атмосферные – процесс разделения протекает в условиях атмосферного давления.
- Вакуумные – разделение фракций происходит под вакуумом, что позволяет снизить температуру кипения и исключить разложение продукта.
- Высокого давления – процесс протекает в условиях повышенного давления.
Оптимальные условия ректификации и подходящее ректификационное оборудование зависит от особенностей исходной смеси, требований к чистоте готовой продукции, необходимой производительности и степени автоматизации процесса. Специалисты компании Мида помогут подобрать подходящую ректификационную установку под задачи производства, обеспечат поставку, пуско-наладочные работы, гарантийный и постгарантийный ремонт. Кроме пилотных ректификационных установок в программе поставок компании Мида экспериментальные ректификационные установки для проведения исследований и отладки производственного процесса. Ознакомиться с поставляемыми моделями установок можно в каталоге. Если необходима консультация, свяжитесь с нами по телефонам+7 (495) 145-06-01 ,8-800-600-06-01, электронной почте info@mida.ru или отправьте запрос через форму обратной связи