Основным аппаратом при использовании ректификационного способа очистки жидких сред от примесей – является ректификационная колонна.

Этот способ является эффективным и одним из наиболее распространенных методов разделения и очистки различных веществ.

Для теоретического объяснения процесса ректификации необходимо знать состояние равновесия между кипящей жидкой смесью и образующимися из нее парами.

Система, состоящая из двух и более фаз, называется равновесной, если в ней не происходит видимых изменений, качественных или количественных. Из этого определения вытекает, что необходимым условием равновесия является постоянство температуры и давления во всех фазах системы.

При неравенстве температуры процесс в ректификационной колонне будет нарушаться из-за теплообмена, а при неравенстве давления – из-за массообмена между фазами.

Очевидно, если первая фаза состоит только из паров, выделяемых жидкой фазой, то равновесие системы возможно лишь при кипении жидкости. Только в этом случае упругость паров будет равна полному давлению над жидкостью.

На равновесие системы не оказывает влияния изменение веса отдельных фаз, но могут влиять изменения давлений отдельных фаз, а также температуры и концентрации.

Зная температуру смесей разного состава при одном и том же давлении, можно получить кривую кипения, отложив на оси абсцисс состав жидкости, а на оси ординат соответствующие этим смесям температуры кипения.

Верхняя кривая показывает равновесный состав пара при температуре кипения смеси, нижняя кривая – состав жидкой фазы при температуре кипения.

На этой диаграмме можно отобразить процесс последовательного испарения и конденсации, и получить жидкость, состоящую из одного чистого труднолетучего компонента или из чистого легколетучего компонента в ректификационной колонне с ситчатыми тарелками.

Взаимное положение кривых в фазовых диаграммах определяется первым законом Коновалова: пар обогащается тем компонентом, прибавление которого к жидкости повышает давление пара над ней или понижает ее температуру кипения. Прибавление к смеси понижает температуру ее кипения, и поэтому концентрация в паре будет выше, чем в жидкости. Из диаграммы видно, что кривая состава пара всегда выше кривой равновесия.

Необходимое условие для проведения ректификации – различная летучесть разделяемых компонентов. Следовательно, при одинаковой температуре упругость паров разделяемых компонентов должна быть различной.

При кипении смеси, состоящей из различных по летучести компонентов, более летучий компонент переходит в паровую фазу в относительно большем количестве, чем менее летучий. Это приводит к обогащению паровой фазы более летучим компонентом. Так как этот компонент обладает большим давлением пара, то он будет и низкокипящим компонентом. Таким образом, пары обогащаются низкокипящим легколетучим компонентом в чертеже ректификационной колонны с регулярной насадкой. Используя это явление, можно отделить как низкокипящие, так и высококипящие примеси и получить продукт в чистом виде.

Относительная летучесть – основная характеристика компонентов смеси, используемая при разделении методом ректификации. Относительная летучесть количественно характеризуется коэффициентом разделения, который иногда называют коэффициентом относительной летучести. Под этим понятием подразумевают отношения относительных концентраций смеси в равновесных паровой и жидкой фазах.

Флегмовое число - важнейшая величина, характеризующая процесс ректификации. Флегмовое число определяется как для укрепляющей, так и для исчерпывающей частей колонны. Флегмовое число для укрепляющей части колонны ровно отношению количества флегмы, подаваемой в колонну, к количеству дистиллята. Иными словами, флегмовое число - это относительный возврат или отбор продукта из ректификационной колонны. Сконденсированная жидкость направленная на орошение ректификационной колонны с провальными тарелками называется флегма. Флегма представляет собой почти чистый низкокипящий компонент. Однако, стекая по колонне ректификации и взаимодействуя с паром она всё более обогащается высококипящим компонентом, конденсирующимся из пара.

Когда жидкость достигает нижней тарелки она становится практически чистым высококипящим компонентом. Как уже было отмечено, понижение давления ректификации благоприятно сказывается на статике процесса Также известно, что понижение давления на чертеже колонны ректификации не влияет на кинетику процесса ректификации. Эти два фактора являются положительными. Однако хорошо известно, что с понижением давления понижается пропускная способность ректификационных колонн. Этот факт является отрицательной стороной применения вакуума. Повышение давления в ректификационной колонне приводит к увеличению ее производительности и, следовательно, к возможному уменьшению диаметра; однако при этом появляется необходимость увеличения толщины корпуса колонны ректификации. Также при увеличении давления уменьшается относительная летучесть компонентов, особенно при малых значениях коэффициентов относительной летучести, и поэтому требуется большее количество орошения или большее число тарелок для заданного разделения.

Процесс ректификации относятся к массообменным. При анализе и расчете таких процессов обычно рассматривают изменение концентрации компонентов.

Процесс массопереноса протекает самопроизвольно при наличии разности между рабочими и равновесными концентрациями (при данных условиях температуры и давления). Разность между рабочими и равновесными концентрациями и есть движущая сила массообменных процессов. Таким образом, движущая сила характеризует степень отклонения системы от равновесия. При установлении равновесия между фазами массообмен между ними прекращается.

Так же как и при теплообмене, величина движущей силы массообменных процессов зависит от относительного направления движения фаз (противоток, прямоток и т.д.). Кроме того, на движущую силу большое влияние оказывает гидродинамическая структура потоков в ректификационной колонне с колпачковой тарелкой.