Ректификация

Ректификация — это процесс разделения жидких смесей на компоненты или фракции путём многократного противоточного тепло- и массообмена между жидкостью и паром, осуществляемый в колонных аппаратах. В отличие от простой перегонки (дистилляции), ректификация позволяет получить продукты с более высокой степенью чистоты за счёт многократного повторения циклов испарения и конденсации. Процесс широко применяется в химической, нефтеперерабатывающей, пищевой и фармацевтической промышленности.

Физико-химические основы процесса

Ректификация основана на различии в температурах кипения компонентов смеси и на разной летучести их паров. При нагревании многокомпонентной жидкости пар обогащается более летучими (низкокипящими) компонентами, а жидкость — менее летучими (высококипящими). В ректификационной колонне создаётся противоток: снизу вверх поднимается пар, а сверху вниз стекает жидкость (флегма). На контактных устройствах (тарелках или насадках) происходит многократное взаимодействие фаз, в результате чего пар постепенно обогащается низкокипящими, а жидкость — высококипящими компонентами.

Ключевым параметром, определяющим возможность разделения, является коэффициент относительной летучести α — отношение давлений насыщенных паров компонентов при данной температуре. Чем больше α отличается от единицы, тем легче разделить смесь. При α, близком к 1, разделение требует большого числа контактных ступеней и высокой флегмы.

Устройство ректификационной колонны

Основные элементы ректификационной установки:

• Колонна — вертикальный цилиндрический аппарат, внутри которого размещены контактные устройства (тарелки или насадка).
• Куб (испаритель) — нижняя часть колонны, где исходная смесь нагревается до кипения. В кубе происходит частичное испарение жидкости.
• Конденсатор (дефлегматор) — теплообменник, установленный в верхней части колонны, где пар конденсируется. Часть конденсата возвращается в колонну в виде флегмы, остальное отводится как дистиллят.
• Флегмовая труба — устройство для возврата части конденсата в колонну.
• Узел подачи сырья — патрубок, через который исходная смесь поступает в колонну на определённую тарелку (питающую тарелку).

Типы контактных устройств

1. Тарельчатые колонны — наиболее распространённый тип. Тарелки бывают:

• колпачковые (с колпачками для барботажа пара через слой жидкости);
• ситчатые (с отверстиями для прохода пара);
• клапанные (с подвижными клапанами, регулирующими проход пара);
• провальные (без переливных устройств).

1. Насадочные колонны — заполнены инертной насадкой (кольца Рашига, кольца Палля, седла Берля, структурированные насадки), на поверхности которой происходит контакт фаз. Насадка обеспечивает большую поверхность массообмена при малом гидравлическом сопротивлении.

Виды ректификации

По принципу действия

• Непрерывная ректификация — процесс идёт в стационарном режиме: исходная смесь непрерывно подаётся в колонну, а дистиллят и кубовый остаток непрерывно отводятся. Применяется в крупнотоннажных производствах (нефтепереработка, производство спирта).
• Периодическая ректификация — вся исходная смесь загружается в куб, затем процесс ведётся до получения заданного количества дистиллята. Используется в малотоннажных производствах, при разделении дорогих или термочувствительных веществ.

По давлению

• Атмосферная ректификация — при давлении, близком к атмосферному (обычно для разделения смесей с температурами кипения до 150–200 °C).
• Вакуумная ректификация — под вакуумом, что позволяет снизить температуру кипения и предотвратить термическое разложение компонентов (применяется для нефтяных фракций, жирных кислот, витаминов).
• Ректификация под давлением — при повышенном давлении (до 10–20 атм), что позволяет разделять смеси с низкими температурами кипения (например, сжиженные газы).

По числу компонентов

• Бинарная ректификация — разделение двухкомпонентной смеси.
• Многокомпонентная ректификация — разделение смесей из трёх и более компонентов, часто требует последовательного соединения нескольких колонн.

Применение

Нефтепереработка и нефтехимия

Ректификация — основной процесс первичной перегонки нефти. В атмосферных и вакуумных колоннах нефть разделяется на фракции: бензиновую, керосиновую, дизельную, мазут и гудрон. Вторичная ректификация используется для выделения индивидуальных углеводородов (бензол, толуол, ксилолы) и для разделения продуктов пиролиза.

Спиртовая промышленность

В производстве этилового спирта ректификация позволяет получить спирт-ректификат крепостью до 96,5 % об. и выше. Брага, полученная после брожения, сначала проходит через брагоректификационные колонны, где отделяется спирт-сырец, затем — через спиртовые колонны для очистки от сивушных масел и альдегидов.

Химическая промышленность

Ректификация применяется для разделения продуктов органического синтеза (например, при производстве уксусной кислоты, ацетона, фенола, стирола), для очистки растворителей, для выделения мономеров (стирол, винилхлорид).

Фармацевтика и пищевая промышленность

В фармацевтике ректификацию используют для получения чистых растворителей, экстрагентов, для очистки лекарственных веществ. В пищевой промышленности — для производства пищевого спирта, ароматизаторов, эфирных масел, для разделения жирных кислот.

Инженерные аспекты

Флегмовое число

Флегмовое число R — отношение количества флегмы, возвращаемой в колонну, к количеству отбираемого дистиллята. Оптимальное флегмовое число выбирается из экономических соображений: чем оно выше, тем чище продукт, но тем больше энергозатраты на нагрев и конденсацию. Минимальное флегмовое число R_min соответствует теоретически бесконечному числу тарелок.

Число теоретических тарелок

Теоретическая тарелка — это гипотетическая ступень контакта, на которой пар и жидкость достигают равновесия. Реальное число тарелок в колонне больше теоретического из-за неидеальности контакта. КПД тарелки (эффективность) обычно составляет 0,3–0,8.

Гидравлическое сопротивление

Сопротивление колонны зависит от типа контактных устройств, скорости пара, вязкости жидкости. Для насадочных колонн характерно меньшее сопротивление, чем для тарельчатых, что важно для вакуумной ректификации.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Высокая степень разделения (до 99,99 % чистоты целевого компонента);
• Возможность разделения смесей с близкими температурами кипения;
• Непрерывность процесса (для непрерывной ректификации);
• Широкий диапазон рабочих условий (температура, давление).

Недостатки:

• Высокие капитальные затраты на оборудование;
• Значительное энергопотребление (нагрев куба, конденсация пара);
• Сложность управления и автоматизации;
• Ограничения для термочувствительных веществ (требуется вакуум).

Источники

• Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. — М.: Химия, 1973.
• Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. — Л.: Химия, 1987.
• Бретшнайдер С. Свойства газов и жидкостей. Инженерные методы расчёта. — М.: Химия, 1966.
• Справочник нефтепереработчика / Под ред. Г. А. Ластовкина, Е. Д. Радченко, М. Г. Рудина. — Л.: Химия, 1986.
• Perry's Chemical Engineers' Handbook. — 8th ed. — McGraw-Hill, 2008.