Chemické inženýrství Cvičeni c. 17 (LS 2005-06). doc str. 1 destilát Vn = Ln+D nástřik F Rektifikace Rektifikace je opakovaná destilace, kdy pára se oddělí od kapaliny, s níž byla v rovnováze a zkondenzuje. Pak se znovu uvede do varu chladicí a vyfr0" nad sebou parní fázi, která je obohacena o těkavější složku. Tento postup se opakuje vícekrát na patrech kolony, kde vzniká ustálený stav daný jednak rovnováhou mezi kapalinou a parou a bilančním vztahem mezi parou patro opouštějící a kapalinou na patro přicházející. Úplná rektifikační kolona sestává z části zesilovací (horní) a části ochuzovaci (dolní), které jsou spojeny (Obr. 1.) Surovina k rozdělení rektifikací (nástřik) F vstupuje do kolony na nástřikovém patře, které tvoří rozhraní mezi zesilovací a ochuzovaci kolonou. Jako produkty odcházejí z kolony destilát D a kapalný zbytek W. Celková bilance kolony bude tedy: F = D + W, (1) kde F je molovy tok nástřiku, (např. kmol/h), D je molovy tok destilátu Wje molovy tok destilačního zbytku. Pokud je nutno analogické veličiny v zesilovací a ochuzovaci části odlišit, používáme k tomu index n, resp. m. (Viz obr.) V zásadě platí, že molovy tok par Vn je v celé zesilovací koloně konstantní, rovněž tak molovy tok kapaliny L„ (zpětný tok). Totéž platí pro ochuzovaci kolonu: Molovy tok Vm, resp. Lm je v celé ochuzovaci koloně konstantní. Mají však obecně jiné hodnoty než odpovídající veličiny v zesilovací koloně. Zatím budeme studovat případ, kdy nástřik je do kolony přiváděn jako kapalina o teplotě nástřikového patra. Za těchto podmínek nástřik F přechází do kapaliny dolní kolony a platí vztahy uvedené v obr. 1 (tm= Ln + F, Vm = L„ + F - W = Vn). ( Případy kdy nástřik přichází ve stavu odlišném od stavu nástřikového patra budeme studovat a propočítávat později.) Aby zesilovací kolona mohla vůbec pracovat, je nutno, aby část zkondenzovaného produktu se vracela na horní patro kolony a vytvářela tak zpětný tok L, nazývaný též reflux. Jeho velikost je dána poměrem R ~ L„/D. Čím je množství zpětného toku větší, tím je vyšší čistota produktu (obsah těkavější složky) avšak množství produktu bude menší. Vm = Ln + F-W t f L = L + F '-m *-n ' destilační zbytek —s—► Obr.1. Úplná kontinuálni rektifikační kolona Chemické inženýrství Cvičeni c. 17 (LS 2005-06). doc str. 2 Materiálová bilance patra zesilovací části kolony (Obr. 2). patro n-1 Obr.2. Bilance patra zesilovací kolony L„ a V,, jsou proudy, které opouštějí patro. Protože se potkávají, nazývají se střetné proudy. Mezi nimi není rovnovážný stav kapalina - pára, ale bilanční vztah: Vm1=Ln + D. (2) Protože molovy tok páry je v celé zesilovací koloně stejný, platí V„.j = Vn = Vn+t atd. Totéž platí pro molové toky páry L„. Avšak složení x, resp. y se patro od patra mění. Pro těkavější složku platí: V„+í ■ yn*i =L„. x„ + D.xD. (3) Spojením rovnic (2) a (3) dostaneme vztah: yn+1 = —**- • x„ + —— • xD (4) což je rovnice pracovní přímky zesilovací části (obr.3). Pracovní přímka zesilovací části má směrnici L„/V„+i a protíná diagonálu v bodě y= x = xD. Poměr L„/D = R se nazývá refluxní poměr nebo krátce reflux. Rovnice pracovní přímky zesilovací R 1 část se může napsat pomocí veličiny R: y = 7——-r • x + 7——-r • XD (5) (R + 1) (R +1) Yi Vz Pracovní přímka zesilovací kolony pro R = f?mŕn. Pracovní přímka zesilovací kolony pro R > R„»„. X/r xD Obr. 3. Pracovní přímka zesilovací části rektifikační kolony Chemické inženýrství Cvičeni c. 17 (LS 2005-06). doc str. 3 Jestliže pracovní přímka protíná rovnovážnou křivku v bodě, který odpovídá složení par rovnovážných k nástřiku, pak refluxní poměr je minimální. (Na obr. 3 čerchovaná čára.) Maximální možná hodnota refluxního poměru je R = LJD = 1. Je to případ tzv. totálního refluxu, tj. případ, kdy z kolony neodteká žádný destilát, nýbrž všechen se vrací jako zpětný tok do kolony. Pracovní přímka je pak shodná s diagonálou y = x. Materiálová bilance ochuzovací části: V kterémkoliv místě ochuzovací kolony platí: Lm= Vm+1 + W. (6) Pro těkavější složku platí: Lm.xm = Vm+1. ym+1 + W. xw. (7) Rovnice pracovní přímky: ym =-----2L_ .x---------------xw. (8) m+1 I -W L -W '-m "" Sn " Pracovní přímka ochuzovací části protíná diagonálu v bodě y = xw. Dále se protíná s pracovní přímkou zesilovací části v bodě odpovídajícím x = xF. Počet teoretických pater úplné rektifikační kolony zjišťujeme kreslením pravoúhlých stupňů (naznačeno na obr. 3). Začínáme na horním patře a postupujeme dolů. Patra počítáme shora. Stanovíme nástřikové patro (při překročení xF), počet pater horní (zesilovací) části kolony, počet pater dolní (ochuzovací) části kolony (až po překročení x„). Kolona dle obr. 4 má 8 teoretických pater, nástřikové patro je páté shora. xw Xf Xq Obr.4. Stanoveni počtu pater rektifikační kolony Příklad . Směs 4,0 kmolu/h acetonu a 6,0 kmolu/h toluenu je podrobena kontinuální rektifikaci. Koncentrace acetonu v destilátu je požadována min. 97 mol %, maximální přípustná koncentrace acetonu v destilačním zbytku je 5 mol.%. Refluxní poměr volte 2,0 krát větší než Rmm.. Určete počet teoretických pater a nástřikové patro kolony. Chemické inženýrství Cvičeni c.17 (LS 2005-06).doc str. 4 Aceton - toluen 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 X