Экстрактивная и азеотропная ректификация

Уровень трудности разделения смесей c близкими температурами кипения может быть оценен c помощью коэффициента относительной летучести . Если значение невелико, то такую смесь можно разделять под вакуумом. Вместе c тем часто экономически целесообразнее в этом случае оказывается использование метода, основанного на введении в разделяемую смесь дополнительного— разделяющего — компонента избирательного действия.

B разделяющем компоненте, который является высококипящим по отношению к одному из двух компонентов исходной смеси, этот последний хорошо растворим, a второй компонент либо нерастворим, либо труднорастворим. Присутствие третьего—разделяющего, или экстрагирующего, — компонента приводит к снижению сил притяжения нерастворимого компонента в растворе к остальным частицам и в результате этого — к увеличению его относительной летучести в системе (рис. 17-31).

Таким образом, разделяющий агент обладает избирательным действием—повышает давление пара НК в большей степени, чем давление пара ВК. Резкое увеличение облегчает разделение исходных компонентов, но влечет за собой последующий процесс разделения смеси хорошо растворимого и экстрагирующего компонентов, которые удаляются c остатком. Описанный метод разделения называют экстрактивной ректификацией.

B отличие от экстрактивной, азеотропная ректификация заключается в осуществлении процесса в присутствии разделяющего компонента, образующего c компонентами разделяемой смеси один или несколько азеотропов, которые в основном отбираются в виде дистиллята. Схема установки для проведения экстрактивной ректификации представлена на рис. 17-32.

Исходную смесь, состоящую из компонентов A и B, подают на тарелку питания колонны 1 для экстрактивной ректификации. Несколько выше тарелки питания вводят разделяющий агент C. Низкокипящий компонент отбирают в виде дистиллята, a смесь высококипящего компонента B и разделяющего компонента C из нижней части колонны 1 направляют на разделение в колонну 2. Разделяющий компонент, отбираемый в виде кубового остатка, возвращают на орошение колонны 1.

Рис. 17-31. Положение кривой равновесия без добавки (1) и c добавкой (2) разделяющего агента

Рис. 17-32. Схема установки для экстрактивной ректификационной бинарной смеси:

1—колонна для экстрактивной ректификации; 2—колонна для разделения продукта B и экстрагирующего компонента C; З—насосы; 4—кипятильники; 5—конденсаторы

Рис. 17-33. Схема установки для азеотропной ректификации: 1—колонна; 2—кoндeнcaтop; 3 — отстойник; 4—кипятильник

При азеотропной ректификации (рис. 17-33) исходную азеотропную смесь подают на тарелку питания колонны, которая орошается сверху разделяющим агентом C. Расход разделяющего агента в основном зависит от состава исходной смеси. Так, при азеотропной ректификации расход разделяющего компонента увеличивается c повышением в исходной смеси концентрации тех компонентов, которые отбираются в дистиллят. При экстрактивной ректификации, наоборот, расход разделяющего компонента возрастает при увеличении в исходной смеси концентрации компонентов, отбираемых в виде кубового остатка.

Наиболее сложной задачей при использовании методов экстрактивной и азеотропной ректификации является выбор разделяющего компонента, который должен удовлетворять следующим требованиям: 1) обеспечивать возможно большее повышение коэффициента относительной летучести разделяемых компонентов; 2) достаточно легко регенерировать; 3) хорошо растворять разделяемые компоненты для предотвращения расслаивания жидкой фазы при температурных условиях в колонне; 4) быть безопасным в обращении, доступным, дешевым, термически стабильным. Обычно при выборе разделяющего агента основываются на справочных данных.

Если в качестве разделяющего агента используют растворимые твердые вещества, то такой процесс разделения называют солевой ректификацией.

17.6. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА РЕКТИФИКАЦИОИНЫХ АППАРАТОВ Принципиально технологические расчеты ректификационных колонн аналогичны расчетам других массообменных аппаратов и основаны на тех же закономерностях, которые достаточно подробно рассмотрены в гл. 15 и 16. Следует, однако, отметить, что процесс ректификации значительно сложнее, например, процесса абсорбции, так как в этом процессе перенос вещества всегда сопровождается теплопереносом. На первый взгляд может показаться, что скорость процесса ректификации зависит только от скорости подвода теплоты к разделяемой смеси. Однако в действительности это не так. Конечно, без подвода теплоты процесс ректификации происходить не будет. Но скорость процесса и его эффективность, как и в любом другом массообменном процессе, зависят обычно от скорости массопереноса между фазами, т. e. от скорости массоотдачи в фазах. Поэтому и для ректификации справедливы все положения, рассмотренные в гл. 15, — влияние на скорость процесса гидродинамических условий, физических свойств фаз и других факторов, выявление лимитирующей стадии процесса, определение его движущей силы и т. д.

Вместе c тем сопряженность процессов массо- и теплопереноса является спецификой ректификации, что приводит к некоторым последствиям, усложняющим анализ и расчет данного процесса. Некоторые из них кратко рассмотрены ниже:

1) температура кипения кубовой жидкости выше температуры кипения дистиллята (и, конечно, флегмы). Если различия между этими температурами значительны, то вклад массопереноса вследствие этой разности температур (большее обогащение пара НК, a флегмы — ВК) может быть заметным:

2) иногда возможно существенное изменение физических свойств сред по высоте колонны, что может повлиять не только на скорость массопереноса, но даже и на величину поверхности контакта фаз (ухудшение или улучшение смачиваемости насадки, изменение размеров пузырьков и т. д.). Последнее обстоятельство связано в основном c изменением поверхностного натяжения жидкости как следствием изменения ее состава и температуры;

3) допущение при анализе и расчете ректификационных колонн равенства молярных теплот испарения компонентов иногда может дать достаточно большие отклонения. Анализ этих возможных эффектов следует проводить в каждом конкретном случае;

4) нижняя часть ректификационной колонны работает при большем орошении по сравнению c верхней, поэтому часто необходимо рассчитывать верхнюю и нижнюю части колонны отдельно.

Вместе c тем следует отметить, что все названные выше эффекты обычно ускоряют процесс массопереноса. Поэтому в случае, если при расчете процесса ректификации используются уравнения, полученные для процесса абсорбции, это, как правило, дает запас производительности и эффективности колонны.