Скачать:  

 

 

Введение [1]

 

Ректификация (от лат. rectus — прямой и facio — делаю) — это процесс разделения бинарных или многокомпонентных смесей за счет противоточного массо- и теплообмена между паром и жидкостью.

При ректификации потоки пара и жидкости, перемещаясь в противоположных направлениях (противотоком), многократно контактируют друг с другом в специальных 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, которые 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.

В основе ректификации лежит тот факт, что паровая фаза, находящаяся в равновесии с жидкой смесью, как правило, имеет состав, отличающийся от состава жидкой смеси. Обычно в равновесной паровой фазе, оказываются концентрации компонентов с меньшей температурой кипения и ниже – концентрации с более высокой температурой кипения. Иногда – при соответствующем фазовом равновесии возможно обогащение паровой фазы компонентами с высокой температурой кипения.

Производя многократное контактирование неравновесных потоков паровой и жидкой фаз, направляя после каждой ступени пары на смешение с жидкостью, более богатой НКК по сравнению с равновесной с этими парами жидкостью, а жидкость на контакт с парами, более бедными НКК, можно изменить составы фаз желаемым образом.

Подобное контактирование фаз по схеме противотока в целом по аппарату осуществляется в специальных аппаратах – ректификационных колоннах, заполненных различными контактными устройствами: тарелками, насадками и т.п.

Способ контактирования фаз внутри колонны: ступенчатый (на тарелках)

или непрерывный (вдоль слоя насадки), оказывает существенное влияние на глу-

бину достигаемого разделения и на методы анализа и расчета процесса в целом.

В насадочной колонне происходит типичный противоточный дифференциальный процесс – потоки флегмы и паров находятся в постоянном взаимодействии на поверхности насадки, перенос вещества между фазами идет непрерывно.

Выбор типа массообменных элементов в ректификационной колонне связан со многими факторами [3].

При разделении веществ с низкой термической стабильностью применяют насадочные колонны или колонны с провальным типом тарелок. Такие устройства имеют меньшее гидродинамическое сопротивление и позволяют избежать чрезмерно высокой температуры в нижней части колонны и в кубе. Недостаток таких устройств – узкий диапазон устойчивой работы. При работе с высококипящими веществами  нередко используют вакуум и ректификацию с подачей водяного пара непосредственно в куб колонны.

При отсутствии указанной проблемы, связанной со стабильностью веществ, предпочтительно использовать колонны с клапанными или колпачковыми тарелками.

В настоящее время ректификацию все шире применяют в самых различных областях химической технологии, где выделение компонентов в чистом виде имеет весьма важное значение (в производствах органического синтеза, изотопов, полимеров, полупроводников и различных других веществ высокой чистоты). Ректификацию широко используют в промышленности для полного разделения смесей летучих жидкостей, частично или целиком растворимых одна в другой [5].

Таким образом, процесс ректификации есть процесс разделения жидких смесей, компоненты которых различаются по температурам кипения, осуществляемый путем противоточного, многократного контактирования неравновесных паров и жидкости.

 

 

 

 

 

1                        Характеристика исходных компонентов

 

1.1 Основные свойства исходных веществ

 

        Таблица 1 – Основные свойства исходных компонентов

Имя компонента	i-бутан	i-пентан	i-гексан	i-гептан
Хим. формула	С4H10	C5H12	C6H14	C7H16
Молекулярная масса, г/моль	58,12	72,15	86,18	100,2
Нормальная температура кипения, оС	-11,73	27,88	60,26	90,05
Стандартная плотность жидкости кг/м3	562,00	623,40	656,50	681,5
Теплота сгорания ккал/кг·моль	-6,34·105	-7,80·105	-9,20·105	-1,07·106
Теплота образования ккал/кг·моль	-3,21·104	-3,69·104	-4,16·104	-4,66·104
Критические свойства
Температура, оС	134,90	187,20	224,30	257,2
Давление, кПа	3648	3334	3010	27,34
Объем, м3/кг	0,26	0,31	0,3664	0,42

 

1.2 Свойства, зависящие от температуры

1.2.1 Энтальпия пара

Массовая энтальпии пара определяются по формуле (1):

            ,                         (1)

где a, b, c, d, e, f – расчетные коэффициенты

      T – температура, K

 Коэффициенты для расчета энтальпии пара приведены в таблице 3.

 

Таблица 2 – Расчетные коэффициенты

	a	b	c	d	e	f
С4H10	30,90	0,15	2,64×10-3	7,27×10-8	-7,28×10-10	2,37×10-13
C5H12	64,25	-0,13	3,54×10-3	-1,33×10-6	2,51×10-10	-1,29×10-14

 

Продолжение таблицы 2

	a	b	c	d	e	f
C6H14	111,50	-0,61	4,92×10-3	-3,02×10-6	1,07×10-9	-1,08×10-13
C7H16	47,74	-0,13	3,60×10-3	-1,28×10-6	9,86×10-11	2,32×10-14

 

Таблица 3 – Данные для расчета энтальпии

 

По полученным данным строим график в диапазоне температур от 0◦С до 5000◦С или от 273 К до 5273 К (рисунок 1).

 

Рисунок 1 –  Энтальпия пара

 

1.2.2 Давление паров по Антуану определяются по формуле (2):

                            ,                                          (2)

Коэффициенты для расчета энтальпии пара приведены в таблице 4.

Таблица 4 – Расчетные коэффициенты

	a	b	c	d	e	f
С4H10	58,78	-4137,00	0,00	-7,02	1,04×10-5	2,00
C5H12	66,76	-5059,00	0,00	-8,09	9,25×10-6	2,00
C6H14	72,46	-5929,00	0,00	-8,77	7,62×10-6	2,00
C7H16	75,79	-6688	0,00	-9,10	6,44×10-6	2,00

 

Таблица 5 – Данные для расчета энтальпии и-бутана

 

Продолжение таблицы 5

 

Таблица 6 – Данные для расчета энтальпии и-пентана

 

 

Таблица 7 – Данные для расчета энтальпии и-гексана

 

 

Таблица 8 – Данные для расчета энтальпии и-гептана

 

По расчетным показаниям построен график (рисунок 2).

 

 

 

Рисунок 2 – Упругость паров по Антуану