Ректификация - метод разделения смеси жидкостей на чистые фракции благодаря последовательному многократному испарению жидкой фазы и конденсации паров в двух встречных потоках - ниспадающей жидкости и восходящих паров. Каждая фракция содержит вещества с одинаковой температурой кипения. При контакте паров с жидкостью в первую очередь из нее испаряются вещества с более низкой температурой кипения (более низкокипящие), а из пара конденсируются с более высокой температурой кипения (более высококипящие).
Таким образом, принцип ректификации основан на многократно повторяющемся тепло- и массообмене между жидкой и паровой фазами. В отличие от простой однократной перегонки, метод ректификации позволяет последовательно изменять состав обеих фаз и получать значительно более высокую степень разделения.
Процесс ректификации в ректификационной колонне организован таким образом, чтобы жидкость двигалась сверху вниз, а пар – снизу вверх. Ниже приведено подробное описание процесса, устройства оборудования, основных методов и условий ректификации.
Как происходит процесс ректификации
Устройство на котором происходит взаимодействие паров и жидкости, так и называется — контактное устройство. В простейшем случае — это тарелка. Жидкость, накапливаясь на тарелке, обогащаясь высококипящими фракциями, стекает под действием силы тяжести вниз. В свою очередь пар, обогащаясь низкокипящими фракциями, устремляется вверх.
Если имеется несколько последовательных контактных устройств (тарелок друг над другом), при таком последовательном многократном массообмене более низкокипящие фракции поднимаются, как бы всплывая вверх, а высококипящие фракции опускаются вниз. Стоит обратить внимание, поднимаются не более легкие по весу вещества, а более легкокипящие, то есть, с более низкой температурой кипения. При этом наблюдается градиент температуры по высоте: внизу она выше, а с высотой понижается.
В идеале жидкость и пар на тарелке должны находиться в состоянии равновесия. При этом, количество вещества в жидкости и в паре различно. Максимально теоретически возможная разница концентраций компонентов в паре и жидкости при заданных условиях соответствует понятию «теоретическая тарелка». Физическая тарелка в отличие от теоретической имеет КПД отличный от 100 % и он составляет на практике порядка 50 %.
Чем меньше разница температур кипения фракций, тем больше требуется теоретических тарелок и их физических аналогов для качественного разделения смесей.
Поток паров снизу в верх обеспечивается подачей в самую нижнюю зону тепла, достаточного для кипения исходной смеси. Следует подчеркнуть, для эффективной ректификации необходим так же постоянный встречный поток жидкости сверху. Это условие должно соблюдаться по всему объему процесса.
Области применения ректификации
Если говорить о том, где применяется ректификация, область использования этого метода очень широка – от лабораторного разделения небольших объемов веществ до непрерывных промышленных процессов.
Ректификационные колонны применяются в нефтехимической, химической, газовой, легкой, пищевой, фармацевтической отраслях промышленности. Посредством ректификации получают отдельные фракции исходных смесей, очищают продукты и растворители от примесей, выделяют целевые компоненты, регенерируют технологические жидкости для повторного использования.
В лабораториях и исследовательских центрах метод используется для изучения процессов разделения, получения небольших партий продукта и подбора технологических режимов. В производстве технологические процессы ректификации могут быть самостоятельной операцией либо частью многостадийной технологической линии.
В зависимости от назначения колонны имеют размеры в диаметре и по высоте от нескольких сантиметров до нескольких метров и даже десятков метров. Соответственно, изготавливаются колонны из стекла, керамики, металла. В зависимости от агрессивности разделяемых веществ, их температур кипения, требований по чистоте, технологии и других характеристик уточняется материал исполнения.
Устройство ректификационной колонны
Основной элемент ректификационной колонны – вертикальный цилиндрический корпус, внутри которого размещаются контактные устройства: тарелки или насадка. Они обеспечивают необходимую площадь взаимодействия восходящего пара и стекающей жидкости.
В нижней части системы расположен куб-испаритель, предназначенный для нагрева жидкости и образования пара.
Как правило, в верхней части устанавливается дефлегматор (конденсатор), где восходящие пары охлаждаются и конденсируются. Здесь часть конденсата, называемая флегмой, возвращается на самую верхнюю тарелку колонны. Это обеспечивает необходимый поток жидкости сверху. Другая часть конденсата, называемая дистиллятом, отводится в накопитель. Для управления процессом ректификации отношение количества флегмы к дистилляту, называемое флегмовым числом или коэффициентом орошения, может регулироваться.
В состав оборудования также входят патрубки подачи исходной смеси и отвода продуктов, трубопроводная арматура, датчики температуры и давления, а при необходимости – дозирующие и вакуумные насосы, теплообменники и другие вспомогательные элементы. Колонна, снабженная дополнительными функциональными элементами, составляет ректификационную установку.
Особенности устройства тарельчатых и насадочных колонн
Для осуществления эффективного многократного массообмена между жидкостью и парами требуется обеспечить достаточную площадь контакта и ее распределение по вертикали. С этой целью в ректификационной колонне либо устанавливается большое число горизонтальных тарелок друг над другом, либо весь объем колонны заполняется насадкой. Соответственно, конструкция ректификационной колонны в первом случае тарельчатая, а во втором – насадочная.
При ректификации на тарельчатой колонне контакт жидкости и пара последовательно происходит на расположенных по высоте тарелках.
Насадка представляет собой высокопористую структуру, как бы дробящую объем колонны на огромное число связанных между собой, не изолированных ячеек, что позволяет на порядки увеличить площадь поверхности в заданном объеме. Соответственно увеличивается площадь контакта между паром и жидкостью. По естественным каналам жидкость и пар могут достаточно свободно перемещаться, эффективно взаимодействуя между собой. Сопротивление перемещению пара характеризует пропускную способность насадки, которая влияет на производительность колонны.
Насадка может быть регулярной, со строго повторяющейся структурой, и нерегулярной. В обоих случаях поверхность насадки дополнительно подвергается специальной обработке для развития ее поверхности. Это приводит к увеличению эффективности массообмена на ней.
Регулярная насадка выполняется из листового материала, рифленого, перфорированного и упакованного определенным способом, чтобы плотно соприкасаться со стенками колонны. Нерегулярная насадка изготавливается из самых разных материалов и представляет собой засыпку из элементов одинаковой формы и размера. Это могут быть кольца, цилиндры, полые призмы и т. д.
Кубовый продукт и кубовый остаток
Ключевые термины получаемого в результате ректификации продукта: кубовый продукт и кубовый остаток.
Кубовый продукт колонны – это жидкий продукт, отводимый из нижней части ректификационного оборудования (из испарителя, где кипит исходная смесь). По мере разделения смеси он обогащается высококипящими компонентами. Кубовый продукт может быть целевым веществом, промежуточным продуктом для дальнейшей переработки или побочным потоком технологического процесса.
Кубовый остаток ректификации ¬– высококипящая часть исходной смеси, которая остается в кубе после отгонки более летучих компонентов. Этот термин особенно характерен для периодической ректификации, когда определенный объем сырья загружается в куб, подвергается разделению, после чего оставшуюся жидкость выгружают.
Таким образом, понятия близки, но не абсолютно тождественны – кубовый продукт характеризует нижний продукт ректификации в целом, а кубовый остаток – оставшуюся после отгонки часть исходной смеси.
Виды ректификации
В зависимости от организации технологического процесса ректификация может быть периодической и непрерывной.
В установках непрерывного действия исходная смесь постоянно поступает в колонну, а продукты разделения непрерывно выводятся из нее. Подогретая смесь поступает на питающую тарелку колонны и частично испаряется. Паровая фаза движется вверх, а неиспарившаяся жидкость смешивается с флегмой и стекает вниз.
Часть колонны, расположенная выше питающей тарелки, называется укрепляющей, так как в ней паровая фаза последовательно обогащается низкокипящими компонентами. Часть колонны ниже питающей тарелки называется исчерпывающей, т.к. в ней из стекающей вниз жидкости отгоняются (исчерпываются) оставшиеся легкие фракции.
В ректификационных установках периодического действия разделяемую смесь загружают в куб однократно и процесс разделения проводят до получения продуктов заданного конечного состава. Колонны периодического действия применяют на установках малой производительности при необходимости отбора большого числа фракций и получения высокой степени разделения.
Условия ректификации различаются и по рабочему давлению. Процесс может осуществляться при атмосферном давлении, под вакуумом или при повышенном давлении. Пониженное давление позволяет производить разгонку при меньшей температуре. В основном ректификация осуществляется при давлении, близком к атмосферному. Вакуумной ректификации подвергают смеси веществ, склонных при высоких температурах к термическому распаду или полимеризации. Вакуумная ректификация применяется также при решении отдельных задач разделения азеотропных смесей.
Ректификация бинарной смеси
Бинарной называют смесь, состоящую из двух основных компонентов. Задача ректификации в данном случае заключается в разделении исходной жидкости за счет различия летучести этих компонентов. Пар постепенно обогащается более легкокипящим веществом, а жидкая фаза – более высококипящим.
Ректификационная установка для разделения бинарной смеси может работать как периодически, так и непрерывно. Выбор режима зависит от требуемой производительности, свойств разделяемых компонентов и требований к чистоте конечных продуктов.
Установка ректификации бинарных смесей непрерывного действия особенно целесообразна при стабильном составе сырья и необходимости постоянного получения продуктов. Исходная смесь непрерывно подается в рабочую часть оборудования, а верхний и нижний продукты непрерывно отводятся. После выхода процесса на установившийся режим состав потоков поддерживается в заданных пределах посредством регулирования подачи сырья, нагрева, отбора продуктов и флегмового числа.
Ректификация многокомпонентных смесей
Многокомпонентная ректификация применяется, когда исходная жидкость содержит три и более разделяемых компонента. В отличие от бинарной системы в этом случае необходимо учитывать взаимное влияние нескольких веществ, последовательность их выделения и требования к составу каждой получаемой фракции.
Разделение многокомпонентной смеси может осуществляться с получением нескольких фракций в одной технологической схеме. В зависимости от состава сырья используются боковые отборы, последовательность нескольких ступеней разделения или несколько связанных между собой колонн.
При проектировании ректификационных установок для многокомпонентных смесей учитываются температуры кипения и летучесть всех значимых компонентов, состав исходного сырья, требуемая чистота продуктов, производительность и допустимые температурные режимы. Чем ближе свойства разделяемых веществ, тем более высокие требования предъявляются к эффективности массообмена.
Таким образом, ректификация позволяет выполнять как сравнительно простое разделение смеси жидкостей из двух компонентов, так и разделение сложных многокомпонентных систем на несколько заданных фракций.
Для оптимального построения технологического процесса ректификации на предприятиях применяются различные отработанные технические решения, позволяющие получать продукцию по минимальной стоимости.
Ректификация – процесс, требующий особо точного соблюдения технологии. В производственных условиях любое его нарушение приводит к значительным потерям времени, энергоресурсов и выпуску некачественной продукции. Немаловажный фактор – обеспечение безопасности производства. Именно поэтому в современных ректификационных установках требования к системам мониторинга и автоматического управления достаточно высоки.
Ректификационное оборудование от компании Мида
Кроме импортируемых ректификационных колонн компания Мида более пяти лет изготавливает на собственном производстве ректификационные установки из нержавеющей стали для малотоннажного производства и исследовательских лабораторий. Данные установки проектируются и изготавливаются по индивидуальным требованиям заказчика. Специалисты нашей компании:
- Помогут Вам выбрать необходимую типовую ректификационную установку под свой продукт;
- Определят необходимую конфигурацию и исполнение оборудования;
- Предоставят коммерческое предложение на поставку комплекта оборудования;
- Осуществят услуги по шеф-монтажу, наладке и запуску ректификационной установки на вашем производстве.
Гарантия - 12 месяцев.
Получить дополнительную информацию и заказать оборудование можно, обратившись к менеджерам по телефону +7 (495) 145-06-01 или электронной почте info@mida.ru.
Дополнительно:
Тестовая разгонка образцов сырья
Предлагаем тестовую разгонку образца сырья заказчика на ректификационной установке.