Принцип ректификации и материальный баланс процесса

Сущность процесса ректификации рассмотрим на простейшем примере разделения двухкомпонентной смеси.

При ректификации исходная смесь делится на две части: часть, обогащенную легколетучим компонентом – дистиллят, и часть, обедненную легколетучим компонентом – остаток.

Обозначим: G_f – количество смеси поступающей на ректификацию, кмоль; G_p – количество получаемого дистиллята, кмоль; G_w – количество получающегося остатка, кмоль; x_f, x_p, x_w – содержание легколетучего компонента соответственно в исходной смеси, дистилляте и остатке, мольн. доли.

При принятых обозначениях материальному балансу разделения отвечают два равенства:

Для всей смеси:

.

(5.29)

Для легколетучего компонента в смеси:

.

(5.30)

Из двух последних равенств найдем:

; .

(5.31)

Отнесем количество исходной смеси и остатка к 1 кг дистиллята и обозначим , а . Тогда уравнения (5.29) и (5.30) примут вид:

,	(5.32)
.	(5.33)

 

 Обычно ректификационный аппарат состоит из двух частей или ступеней – верхней и нижней, каждая из которых представляет любым способом организованную поверхность контакта фаз между паром и жидкостью.

Рис. 5.5. Принципиальная схема ректификации

Сущность процесса ректификации можно характеризовать как разделение жидкой смеси на дистиллят и остаток в результате противоточного взаимодействия жидкости с парами.

В нижней ступени (Рис. 5.5) исходная подвергаемая разделению смесь взаимодействует с паром, начальный состав которого равен составу остатка; вследствие этого из смеси извлекается легколетучий компонент.

В верхней ступени пар начального состава, соответствующий составу исходной смеси, взаимодействует с жидкостью, начальный состав которой равен составу дистиллята; вследствие этого пар обогащается легколетучим компонентом до требуемого предела, а менее летучий компонент извлекается из паровой фазы.

Материальный баланс ректификации по летучему компоненту может быть выражен общим для всех массообменных процессов равенством:

.

(5.34)

 

Пусть количество взаимодействующих паров составит G кмоль, а жидкости L кмоль. Тогда согласно принятым обозначениям:

- для верхней части аппарата:

, а ,

(5.35)

- для нижней части аппарата:

.

(5.36)

Отсюда следует, что для верхней и нижней частей аппарата уравнения материального баланса записываются в виде:

,	(5.37)
.	(5.38)

Для произвольного сечения верхней части аппарата, где рабочие концентрации x и y, и верха, где концентрации x_p и y_p, из уравнения (5.37) получим:

(5.39)

или

.

(5.40)

Для произвольного сечения нижней части аппарата, где рабочие концентрации x и y, и низа, где концентрации жидкости и пара x_w и y_w, из уравнения (5.38) найдем:

(5.41)

или

.

(5.42)

Уравнения (5.40) и (5.42) являются уравнениями линий рабочих концентраций для верхней и нижней части ректификационного аппарата.

Кроме того, из уравнения (5.37) для сечения аппарата, соответствующего вводу исходной смеси (x_{f ,} y_f) и верха аппарата (x_p, y_p) имеем:

 

,

(5.43)

откуда

.

(5.44)

 

Во всех выше приведенных уравнениях R соответствует флегмовому числу, которое равно отношению количества флегмы Ф к количеству отбираемого дистиллята Т: R=Ф/Т_p. На практике флегмовое число R принимается из значений 1,1-2,0 или рассчитывается по диаграмме x-y, которая используется также для определения числа единиц переноса и высоты колонны.