Ректификация в химической промышленности¶

Ректификация в химической промышленности — процесс разделения жидких смесей на практически чистые компоненты (или фракции) путём многократного противоточного контактирования паровой и жидкой фаз, сопровождающегося тепло- и массообменом. Ректификация относится к массообменным (диффузионным) процессам и является основным промышленным методом разделения гомогенных смесей, основанным на различии температур кипения компонентов. В отличие от простой перегонки, где разделение достигается за один цикл испарения — конденсации, ректификация обеспечивает многократное повторение этих актов в одной колонне, что позволяет получать продукты высокой чистоты.

¶Физические основы

Движущей силой процесса служит различие в составах равновесных паровой и жидкой фаз. Если смесь подчиняется закону Рауля, пар обогащается более летучим (низкокипящим) компонентом, а жидкость — менее летучим (высококипящим). При противотоке поднимающийся пар контактирует со стекающей вниз флюидом; на каждой ступени контакта происходит частичное испарение жидкости и частичная конденсация пара. В результате пар по высоте аппарата обогащается низкокипящим компонентом, а жидкость — высококипящим.

Эффективность разделения характеризуют:

• флегмовое число — отношение возвращаемого в колонну конденсата (флегмы) к отбираемому дистилляту;
• число теоретических тарелок (ступеней изменения концентрации);
• высота, эквивалентная теоретической тарелке (ВЭТТ);
• степень чистоты целевых фракций.

¶Устройство ректификационной колонны

Основной аппарат — вертикальная ректификационная колонна, внутри которой размещены контактные устройства. Колонна делится на две части: верхнюю (укрепляющую), где пар обогащается низкокипящим компонентом, и нижнюю (исчерпывающую), где из жидкости отгоняются лёгкие фракции. Внизу находится куб (испаритель), вверху — дефлегматор, часть конденсата из которого возвращается как флегма.

Контактные устройства бывают:

• тарельчатые — колпачковые, клапанные, ситчатые, с переливными устройствами;
• насадочные — с кольцами Рашига, седлами, структурированной насадкой, обеспечивающей развитую поверхность контакта.

¶Технологические режимы

Процесс ведут при атмосферном, повышенном или пониженном давлении. Вакуумную ректификацию применяют для термически нестойких веществ, чтобы снизить температуру кипения. При разделении близкокипящих или образующих азеотропные смеси компонентов используют специальные приёмы: экстрактивную и азеотропную ректификацию с введением разделяющего агента, а также ректификацию под разными давлениями в двух колоннах.

¶Применение

Ректификация широко используется в нефтепереработке (разделение нефти на бензиновые, керосиновые, дизельные фракции), нефтехимии (получение индивидуальных углеводородов), спиртовой и ликёроводочной промышленности (ректификованный этиловый спирт), производстве растворителей, сжиженных газов, в криогенном разделении воздуха (кислород, азот, аргон). Ректификационные установки — один из наиболее энергоёмких узлов химических производств, поэтому большое внимание уделяется рекуперации тепла и оптимизации флегмового числа.

¶История

Прообразы перегонных аппаратов известны с античности и Средневековья (алембики алхимиков). Промышленная ректификация сформировалась в XIX веке: в 1813 году французский инженер Жан-Батист Селье-Блюменталь предложил колонный аппарат непрерывного действия, а в 1822 году Энеас Коффи запатентовал колонну с дефлегматором. Дальнейшее развитие связано с созданием тарельчатых и насадочных контактных устройств, теорией массопередачи и методами расчёта, разработанными в XX веке.