Cwicz  2

120

Rys. 16.1. Schemat budowy kolumny rektyfikacyjnej oraz strumienie przepływających faz ciekłej i parowej

przekrojami skrajnymi. Optymalne miejsce wprowadzenia surówki do kolumny rektyfikacyjnej określa się na podstawie obliczeń procesowych. W przypadku kolumn rektyfikacyjnych pracujących w warunkach laboratoryjnych często stosuje się obieg zamknięty rektyfikowanej mieszaniny składników tak, że produkty rektyfikacji wracają zwykle do kotła. W takim przypadku można uważać» że surówkę stanowi para wypływająca z kotła i wpływającą od dołu do kolumny. Produktami rektyfikacji są w tym przypadku destylat (kierowany rurą z góry kolumny do kotła) i ciecz spływająca z kolumny do kotła.

Para wytworzona w kotle z wrzącej cieczy przepływa w kolumnie rektyfikacyjnej z dołu do góry, ciecz natomiast spływa (w przeciwprądzie do pary) z góry na dół. W czasie bezpośredniego kontaktu pary i cieczy przepływających w kolumnie zachodzi zjawisko dyfuzyjnego ruchu masy składników. Składnik bardziej lotny, zwykle o niższej temperaturze wrzenia, przenika z cieczy do pary, a składnik trudniej lotny, zwykle o wyższej temperaturze wrzenia, dyfunduje z pary do cieczy. W ten sposób w parze przepływającej w górę gromadzi się coraz więcej składnika bardziej lotnego,

w wyniku czego jego stężenie wzrasta. W cieczy spływającej w dół natomiast gromadzi się składnik trudniej lotny co powoduje, że stężenie tego składnika w cieczy na dole kolumny jest większe niż u góry.

Para bogata w składnik bardziej lotny wypływa z wierzchołka kolumny do kondensatora. Wytworzony strumień kondensatu jest rozdzielany na dwa strumienie. Jeden z nich jest zawracany do kolumny w jej górnym przekroju, skąd spływa w dół w przeciwprądzie do pary. Drugi strumień, nazywany destylatem lub rektyfikatem, jest odbierany z kolumny jako produkt. Stosunek ilości cieczy zawracanej z kondensatora do kolumny do ilości odbieranego destylatu nosi nazwę liczby powrotu i stanowi ważny parametr określający warunki pracy kolumny rektyfikacyjnej. Na dole kolumny jest odbierany bogaty w składnik trudniej lotny drugi produkt rektyfikacji nazywany cieczą wyczerpaną.

Obliczenia procesu rektyfikacji prowadzi się korzystając z wykresów: krzywej równowagi, górnej linii operacyjnej, dolnej linii operacyjnej i tzw. linii e, przedstawionych na rys. 16.2. Wymienione linie rysuje się w prostokątnym układzie współrzędnych odkładając na osi pionowej stężenie y składnika bardziej lotnego w fazie parowej, a na osi poziomej stężenie x składnika bardziej lotnego w fazie ciekłej. Stężenia składników wyraża się w ułamkach molowych. Ponieważ wartości stężeń składników określone w tych jednostkach mogą zmieniać się w granicach 0 * 1, cały rysunek mieści się w kwadracie jednostkowym. Natężenia przepływu strumieni cieczy i pary w kolumnie wyraża się w kmol/s.

Krzywą równowagi wykreśla się na podstawie danych doświadczalnych stężeń równowagowych dla rozważanego układu składników oraz ciśnienia pod jakim przebiega proces rektyfikacji. Dla wielu składników dane równowagowe są zestawione w tablicach własności fizykochemicznych Przebieg linii operacyjnej górnej i dolnej oraz linii e określa się korzystając z równań opisujących te linie.

Równanie górnej linii operacyjnej ma postać    '

y =

L D

-x +-x_n

L + D L+D ^D

(16.1)

gdzie: y - stężenie składnika bardziej lotnego w parze [uł. mol], x- stężenie składnika bardziej lotnego w cieczy [uł. mol], xd - stężenie składnika bardziej lotnego w destylacie [uł. mol], L - natężenie przepływu cieczy w górnej części kolumny rektyfikacyjnej [kmol/s], D - natężenie przepływu destylatu [kmol/s].

Z ogólnego bilansu masy kondensatora lub górnej części kolumny rektyfikacyjnej wynika związek

G - L+D