Ректифікація, її види. Схема апарату для дистиляції рідинних систем, його принцип дії

     1. Ректифікація, її види. Схема апарату для дистиляції рідинних систем, його принцип дії.

     Ректифікація – це процес розділення рідких взаємно розчинних сумішей на складові компоненти за рахунок відмінності в температурах кипіння компонентів. Ректифікація застосовується для отримання чистих компонентів з бінарних і багатокомпонентних сумішей. При ректифікації початкова суміш розділяється на дві частини (дистилят і кубовий залишок) і відбувається двократне збагачення парової фази легколетучим компонентом.

     Компоненти суміші мають різну температуру кипіння при однаковому зовнішньому тиску. Згідно закону Коновалова при випаровуванні рідкої суміші концентрація низькокиплячого компоненту в парі, що утворюються, більша, ніж в рідкій фазі.

     Будова  і робота колон ректифікацій

     Колона  ректифікації за будовою аналогічна тарілчатим і насадковим абсорберам. Тарілчата колона ректифікації є  вертикальним апаратом з горизонтальними  тарілками.

     Процес  збагачення пари відбувається таким  чином. На першу тарілку знизу  пара надходить дещо перегрітою  порівняно з рідиною. Частина пари конденсується, а тепло, що виділилося, передається навколишнім шарам рідини. Рідина частково випаровується. При конденсації з парової фази в першу чергу видаляється важколетучий (висококиплячий) компонент, а концентрація легколетучого компоненту збільшується. При випаровуванні з рідини випаровується легколетучий компонент і переходить у пару, в якій концентрація його знову збільшується. Пара, що підіймається по колоні, конденсується в дефлегматорі. Частина рідини з дефлегматора у вигляді флегми надходить в колону і утворює нисхідний потік рідини. Початкова суміш подається на тарілку живлення, яка ділить колону на дві частини: верхню зміцнюючу і нижню вичерпну.

     Рідина, що стікає з нижньої тарілки, складається з майже з чистого висококиплячого компоненту. Частина її поступає в кип'ятильник і у вигляді пари знов подається в колону, утворюючи потік пари, а решта виводиться з установки у вигляді готового продукту – кубового залишку.

     Після дефлегматора частина рідини виводиться з установки у вигляді готового продукту – дистиляту.

     Розглядаючи взаємодію пари і рідини в колоні ректифікації, роблять наступні допущення:

     1) при конденсації пари в дефлегматорі  не відбувається зміни молярної  частки легколетучого компоненту в паровій фазі; склад пари, що йде з колони ректифікації, рівний складу дистиляту;

     2) при випаровуванні рідини в  нижній частині колони не відбувається  зміни молярної частки легколетучого  компоненту, тобто склад пари  рівний складу рідини;

     3) молярна теплота випаровування компонентів однакова.

     При рециркуляції рідини в колону поступає рідка фаза, що має більш високу концентрацію компоненту, що абсорбується, ніж за відсутності рециркуляції, що погіршує витягання компоненту з  газової фази.

    Технологічна  схема установки ректифікації.

    Принципова  схема установки ректифікації приведена  на рисунку 1.1:

    Рис. 1.1: Принципова схема установки ректифікації:

    1 - теплообмінник-підігрівач; 2,6 - насоси; 3 - місткість для початкової суміші; 4 - кип'ятильник; 5 - ректифікація колона; 7 - дефлегматор; 8 - холодильник дистиляту; 9 - холодильник кубової рідини; 10 - місткість для кубової рідини; 11 - місткість для збору дистиляту 

    Початкову суміш з проміжної місткості  1 відцентровим насосом 2 подають в теплообмінник 3, де вона підігрівається до температури кипіння. Нагріта суміш поступає на розділення в колону ректифікації 5, де склад рідини рівний складу початкової суміші x_F.

    Стікаючи  вниз по колоні, рідина взаємодіє з  парою, що піднімається вгору, утворюється при кипінні кубової рідини в кип'ятильнику 4. Початковий склад пари приблизно рівний складу кубового залишку Х_W, тобто збіднений легколетючим компонентом. В результаті масообміну з рідиною пар збагачується легколетючим компонентом. Для повнішого збагачення верхню частину колони зрошують відповідно до заданого флегмовим числа рідиною (флегмою) складу х_Р, що отримується в дефлегматорі 6 шляхом конденсації пари, що виходить з колони. Частина конденсату виводиться з дефлегматора у вигляді готового продукту розділення — дистиляту, який охолоджується в теплообміннику 7 і прямує в проміжну ємність 8.

    З кубової частини колони насосом  9 безперервно виводиться кубова рідина — продукт, збагачений важколетучим компонентом, який охолоджується в теплообміннику 10 і прямує в ємність 11.

    Таким чином, в колоні ректифікації здійснюється безперервний нерівноважний процес розділення результатної бінарної суміші на дистилят (з високим вмістом легколетючого компоненту) і кубовий залишок (збагачений труднолетючим компонентом).

     Шляхи економії енергії в установках ректифікацій.

     При ректифікації енергетичні витрати (гріючої пари і охолоджуючого  агенту) досить значні, тому і велика їх вартість. Отже, при проектуванні ректифікаційних установок необхідно  використовувати всі можливі  шляхи економії енергії. До них відносяться:

     1. Забезпечення мінімальних втрат  теплоти в оточуюче середовище  шляхом ретельної термоізоляції  колон ректифікацій. При цьому  витрати на ізоляцію повинні  компенсуватися вартістю заощадженої  теплоти.

     2. Значна економія гріючої пари  і охолоджуючої води може бути досягнута в результаті використовування теплоти пари, що йде з колони, дистиляту, кубового залишку і конденсату гріючої пари (на нагрівання початкової суміші і інші виробничі потреби), тобто використовування вторинних енергетичних ресурсів.

     3. При ректифікації багатокомпонентних  сумішей в двох колонах при  двох різних тисках, пари з  колони з великим тиском можуть  бути використані для обігріву  колони з меншим тиском; при  цьому відпадає необхідність  в конденсаторі першої колони.

     4. Велика економія теплоти може бути досягнута шляхом використання принципу теплового насоса. Тиск пари, який надходить з колони, знижується компресором до тиску, що відповідає необхідній температурі його конденсації в нагрівальній камері дистиляційного куба. При цьому відпадає необхідність в конденсаторі і скорочуються витрати пари і охолоджуючої води.. Дана схема вигідна в тих випадках, коли вартість енергії, що споживається компресором, менше витрат на гріючу пару і охолоджуючу воду. Економічність установки зростає у міру зменшення різниці температур кипіння компонентів ректифікованої суміші.

     5. Якщо при ректифікації кубовим  залишком є вода, вигідно обігрівати  дистиляційний куб гострою парою,  а не через поверхню нагріву.  При цьому крім здешевлення установки ректифікації може бути досягнута значна економія теплоти шляхом використовування принципу теплового насоса у вигляді пароструйного інжектора.

     2. Сушіння, його  види. Види штучного  сушіння. Класифікація  сушарок за різними  ознаками.

     Сушіння є одним з основних технологічних процесів виробництва різних виробів.

     У результаті видалення вологи капіляри матеріалу звужуються, структура  ущільнюється. При видаленні з  розчинів і дисперсій полімерів  рідкого середовища формується структура, фізико-механічні і гігієнічні властивості полімерів.

     Сушінням називається процес видалення вологи з вологих твердих матеріалів шляхом випаровування і відведення пари, що утворилися.

      Для випаровування вологи необхідно  надати висушуваному матеріалу певної кількісті теплоти, при цьому волога дифундує з матеріалу в зовнішнє середовище. Таким чином, сушіння є складним процесом тепло- і масообміну.

     За  способом підведення теплоти розрізняють конвективне, контактне, терморадіаційне і високочастотне сушіння.

     При конвективному сушінні теплота підводиться до висушуваного матеріалу від потоку нагрітого повітря (інертних газів, перегрітої пари) конвекцією, при цьому волога дифундує в потік газу і відводиться з сушильного простору.

     При контактному сушінні теплота до висушуваного матеріалу підводиться через розділюючу перегородку (стінку).

     При терморадіаційному  сушінні теплота до матеріалу передається інфрачервоним випромінюванням, яке частково поглинається поверхнею матеріалу і перетворяться в теплоту в середині матеріалу; остання витрачається на випаровування вологи. Цей спосіб застосовується для сушіння тонколистових матеріалів і лакових покриттів.

     При високочастотному сушінні  теплота, що витрачається на випаровування вологи, генерується всередині матеріалу за рахунок індукційних потоків. Цим способом сушать товстостінні матеріали.

     Кількість вологи, що міститься в матеріалі, визначає його вологість. Розрізняють відносну і абсолютну вологість.

     Відносна  вологість матеріалу – відношення маси вологи до маси вологого матеріалу, %.

     Абсолютна вологість матеріалу – відношення маси вологи до маси сухого матеріалу, %.

     Для переходу вологи з матеріалу в  оточуюче середовище необхідно, щоб  парціальний тиск пари біля поверхні матеріалу був більший парціального тиску пари в навколишньому середовищі. Чим більше різниця парціального тиску, тим інтенсивніше йде вологообмін. Парціальний тиск біля поверхні матеріалу визначається вологістю і температурою.

     При тривалому контакті висушуваного матеріалу  із зовнішнім середовищем вологообмін  припиняється, оскільки встановлюється молекулярна і термічна рівновага. В процесі видалення вологи вологість матеріалу досягає рівноважної вологості, величина якої залежить як від властивостей матеріалу, так і від параметрів навколишнього середовища.

     Кожному рівноважному стану матеріалу і навколишнього середовища відповідають незмінні параметри навколишнього середовища: температура і відносна вологість повітря. Залежність рівноважної вологості матеріалу від вологості середовища при постійній температурі носить назву ізотерм сорбції (зволоження) і десорбції (сушіння).

       Варіанти сушіння.

     Існують такі варіанти сушіння шкіри, хутра, взуття, картону:

     1. Основний, з багаторазовим  проміжним  підігрівом повітря;

     2. З частковим поверненням повітря;

     3. З частковим поверненням і  проміжним підігрівом повітря;

     4. З замкнутою циркуляцією повітря.

     При основному варіанті сушіння сушильний  агент однократно проходить через  сушильну камеру і видаляється з  сушарки. За цим варіантом працюють сушарки барабанні, розпилюючі, з  псевдозрідженим шаром.

     При багатократному проміжному підігріві  сушильна камера розділена на ряд  зон; після кожної зони повітря підігрівається в проміжних підігрівачах (калориферах) до заданої температури. В цьому  випадку необхідна кількість  теплоти підводиться до висушуваного матеріалу при зниженій температурі, тобто створюються м'які умови сушіння Значної економії теплоти одержати не можна, хоча спостерігається деяке зниження втрат за рахунок зменшення теплових втрат в оточуюче середовища.

     Сушіння з частковим поверненням повітря застосовується в ежекційних, камерних, тунельних сушарках. В цьому варіанті свіже повітря змішується з частиною відпрацьованого, суміш підігрівається в калорифері, створюються більш м'які умови для сушіння: знижена температура, підвищена відносна вологість повітря. Швидкість повітря в сушильній камері  порівняно з основним варіантом збільшується за рахунок швидкості частини відпрацьованого повітря.

     Сушіння з частковим поверненням і  проміжним підігрівом повітря застосовується в кільцевих, петлевих, ланцюгових прохідних сушарках для сушіння шкіри, хутра, взуття, картону, штучної шкіри.

     Цей варіант забезпечує м'які умови  і високу швидкість сушіння, не дивлячись  на знижені температури за рахунок  підвищення швидкості повітря в  сушильній камері.