Организация на потоците на колоните и многоколонните схеми за ректификационно разделяне на многокомпонентни смеси

2.2 Организация на потоците на колоните и многоколонните схеми за ректификационно разделяне на многокомпонентни смеси.

Увеличеният брой компоненти не изменя вида на контактните устройства между потоците от пари и течност в колоните. Той се отразява обаче, върху цялостната схема на ректификационната инсталация. Преди всичко изолирането на няколко компонента в сместа изисква не една, а няколко взаимосвързани ректификационни колони. Съществува принцип, съгласно който при наличие на смес, съдържаща на брой компоненти, са необходими колони за разделяне на сместа. Възможно е например ректификационната инсталация за разделяне на многокомпонентни смеси да има следният вид:

Сместа за разделяне постъпва в първата колона от ректификационната инсталация, където се изолира най-леснолетливата компонента под формата на дестилат, а останалите компоненти ( и ) напускат колоната като кубов остатък. Последния се подава на входа на втората колона, където отгоре се извежда компонента , а отдолу като кубов остатък и и т.н. до пълното разделяне на сместа в инсталацията.

Възможно е също така колоните да се разположат паралелно в схемата (фиг.11).

Всичко това показва, че между различните многоколонни схеми за организация на многокомпонентното разделяне може да се намери и реализира една оптимална схема, т.е. такава, за която при запазена висока концентрация на компонентите и да се осъществяват минимални топлинни (те зависят от организацията на потоците) и апаратурни разходи (последните са функция от броя на тарелките и диаметъра на колоната). Оптимизацията налага многовариантност, т.е. икономическа оценка за всяка една от многоколонните схеми. Досегашният опит е довел до евристични правила, чиито препоръки могат да се имат в предвид, като ориентировъчни. Например, при разделяне на многокомпонентна смес съществува правило, според което в първата колона е целесъобразно да се изолира основния примес, т.е. този, който е в най-голямо количество, докато останалите компоненти следва да се разделят в другите колони. При това е важно де се знае, че оптималното решение за цялата система от колони не означава непременно оптимална работа за всяка колона поотделно.

Понякога е възможно, като охлаждаща течност в дефлегматора след едната колона да се пропуска не студена вода, а изходната смес, захранваща друга колона (фиг.13).

Понякога водният кондензат от изпарителя, поради високото си налягане има и висока температура. Той може да се използва за нагряване на някаква друга смес.

Разбира се, в този случай е необходимо разглежданият продукт да се окаже концентриран в достатъчна степен на някоя от тарелките, за да се извежда в достатъчно чист вид оттам. Типичен пример е т.нар. атмосферна дистилация на нефт (фиг.15), където бензиновата фракция се извежда от горната част на колоната, мазутната фракция се отделя като кубов остатък, а от междинни тарелки се отвеждат реактивно гориво, керосин, леко и тежка дизелово гориво.

В практиката, освен колони с междинно извеждане на продукт съществуват и колони без дефлегматор и без флегма, при които течната смес се подава върху най-горната тарелка на колоната (фиг.16).

Такава колона се нарича се нарича обедняваща ( Stripping ), понеже в ния липсва обогатяваща част. Този тип колони се използват тогава, когато е необходимо да се получи кубов остатък с висока чистота ( например при пречистване на отпадни води).

Понякога в инсталацията липсва изпарител, а за подгряване се използва директна водна пара (фиг.18). В този случай, водната пара се подава под най-долната тарелка и играе ролята на втори захранващ поток. Директно нагряване с водна пара е за предпочитане, когато кубовият остатък е вода.

Възможно е също така да липсва дефлегматор и въпреки това в колоната да има поток от флегма (фиг.19).

За целта се използва междинен охладител, който охлажда поток от флегма, извеждан от по-долна тарелка до температура по-ниска или равна на тази на по-високо разположена тарелка, където споменатия поток се въвежда. При това положение, странично подавания поток осигурява необходимата за процеса флегма без наличие на дефлегматор. Възможно е също така да съществуват няколко междинни охладителя в една колона (фиг.19), за която течния поток се извежда и въвежда на определени места по височина на колоната, така че да се увеличи количеството на флегмата, там където е необходимо.

По линията, която свързва колони с различно налягане постъпващия горещ течен поток може да понижи температурата си ако се дроселира. Отделената топлина предизвиква „самоизпарение” на течността, поради което втората колона се захранва също с паротечна смес (фиг.21 адиабатен Flash).

Съществуват случаи в практиката, при които се получава разслояване на течната фаза и формиране на две течни фази върху дадена тарелка. Този процес е характерен за смес от компоненти с ограничена взаимна разтворимост. Появата на две фази върху тарелката силно затруднява изчисленията, понеже съставът на парите зависи от концентрацията на компонентите в двете течни фази, а те са с различен състав. В този случай, при наличие на две течни фази (емулсия) върху тарелките проблемът може да се опрости, ако се предвидят конструктивни устройства за извеждане на едната течна фаза от колоната. Едно такова устройство е т.нар. „глуха” тарелка (фиг.22).

Глухата тарелка е снабдена с една единствена парова тръба, разположена в центъра на тарелката, но лишена от устройства за паротечен контакт, например звънци. Отсъствието на барботаж дава възможност на хетерогенната течна смес да остане спокойна, при което тя се разслоява. Понеже по леката течна фаза прелива на изхода на тарелката, по-тежкатаформира дебел слой под нея и може да бъде извеждана от колоната, ако се предвиди странично разположен щуцер на глухата тарелка.

Съществуват не само бинерни ацеотропни състави, но и такива, съставени от три и повече компоненти. Характерна особеност на ацеотропните смеси е тази, че ако от едната страна на ацеотропната точка дадена компонента е леснолетлива, то за съставите отвъд ацеотропната точка тя е трудно летлива (фиг.24).

Ацеотропията затруднява ректификационното разделяне, понеже сместа с ацеотропен състав има поведение на допълнителен компонент в системата, притежаващ съответна летливост и съответна температура на кипене. В резултат на това, ацеотропния състав се отделя при ректификацията по-често като дестилат или като кубов остатък. Формирането на ацеотропен състав обаче, може да се използва за отстраняването на примес с ниска концентрация в системата. Това може да стане чрез целенасочено добавяне на допълнителен компонент към сместа, т.нар. ацеотропообразовател, предназначението на който е да обвърже примеса в ацеотропен състав и да го изведе от системата. Ако умишлено формираният по този начин ацеотроп се отделя като дестилат (ацеотропа е по-лесно летлив от индивидуалните компоненти и е с минимум в температурата на кипене), ректификацията се нарича ацеотропна.