Оборудование нефтеперерабатывающих предприятий и основы проектирования

Нагрев исходную смесь  состава х_г до температуры кипения получим находящийся в равновесии с жидкостью пар (точка Ь). Отбор и конденсация этого пара дают жидкость состава обогащенную НК (х₂ > л). Нагрев эту жидкость до температуры кипения, получим пар (точка й) конденсация которого дает жидкость с еще большим содержанием НК, имеющую состав х₃, и т. д. Проводя, таким образом, последовательно ряд процессов испарения жидкости и конденсации паров, можно получить в итоге жидкость (дистиллят), представляющую собой практически чистый НК.

Аналогично, исходя из паровой  фазы, соответствующей составу жидкости  ₄, путем проведения ряда последовательных процессов конденсации и испарения можно получить жидкость (остаток), состоящую почти целиком из В К.

В простейшем виде процесс многократного испарения  можно осуществить в многоступенчатой установке, в первой ступени которой испаряется исходная смесь. На вторую ступень поступает на испарение жидкость, оставшаяся после отделения паров в первой ступени, в третьей ступени испаряется жидкость, поступившая из второй ступени (после отбора из последней паров) и т. д. Аналогично может быть организован процесс многократной конденсации, при котором на каждую следующую ступень поступают для конденсации пары, оставшиеся после отделения от них жидкости  (конденсата) в предыдущей ступени.

При достаточно большом числе ступеней таким  путем можно получить жидкую или паровую фазу с достаточно высокой концентрацией компонента, которым она обогащается. Однако выход этой фазы будет мал по отношению к ее количеству в исходной смеси. Кроме того, описанные установки отличаются громоздкостью и большими потерями тепла в окружающую среду.

Значительно более экономичное, полное и четкое разделение смесей на компоненты достигается в процессах ректификации, проводимых обычно в более компактных аппаратах — ректификационных колоннах.

Рис.63  Изображение процесса разделения бинарной смеси путем ректификации на диаграмме —х—у.

 

 

 

 

 

 

 

Процесс ректификации осуществляется путем многократного контакта между неравновесными жидкой и паровой фазами, движущимися относительно друг друга.

При взаимодействии фаз между ними происходит массою теплообмен обусловленные стремлением системы к состоянию равновесия. В результате каждого контакта компоненты перераспределяются между фазами:

пар несколько  обогащается ПК, а жидкость —  В К. Многократное контактирование приводит к практически полному разделению исходной смеси.

Таким образом, отсутствие равновесия (и соответственно наличие    разности температур фаз) при движении фаз с определенной относительной скоростью и многократном их контактировании являются необходимыми условиями проведения ректификации.

Процессы  ректификации осуществляются периодически или непрерывно при различных давлениях: при атмосферном давлении, под вакуумом (для разделения смесей высококипящих веществ), а также под давлением больше атмосферного (для разделения смесей, являющихся газообразными при нормальных температурах).

Схемы  ректификационных установок для разделения бинарных смесей

Непрерывно действующие  установки.  Рассмотрим,   как  реализуются указанные выше   условия в ректификационных колоннах непрерывного действия  (рис. 64), которые наиболее   широко применяются в промышленности.

Ректификационная  колонна  имеет цилиндрический корпус, внутри которого установлены контактные устройства в виде тарелок или насадки (используемые конструкции тарелок и типы насадок не отличаются от описанных в главе XI). Снизу вверх по колонне движутся пары, поступающие в нижнюю часть аппарата из кипятильника 2, который находится вне колонны, т. е. является выносным (как показано на рисунке 64), либо размещается непосредственно под колонной. Следовательно, с помощью кипятильника создается восходящий поток пара. Пары проходят через слой жидкости на нижней тарелке, которую будем считать первой, ведя

 нумерацию  тарелок условно снизу вверх.

Пусть концентрация жидкости на первой   тарелке равна х₁ (по низкокипящему компоненту), а её температура t₁. В результате взаимно действия между жидкостью и паром, имеющим более высокую температуру, жидкость частично испаряется, причем в пар переходит преимущественно Н К. Поэтому на следующую (вторую) тарелку поступает пар с содержанием НК у₁ > х₂.

Испарение жидкости на тарелке происходит за счет тепла конденсации пара. Из пара конденсируется и переходит в жидкость преимущественно В К, содержание которого в поступающем на тарелку паре выше равновесного с составом жидкости на тарелке. При равенстве теплот испарения компонентов бинарной смеси для испарения 1 моль НК необходимо сконденсировать I моль В К, т. е. фазы на тарелке обмениваются эквимолекулярными количествами компонентов.

 

 второй тарелке  жидкость имеет состав х₂, содержит больше НК, чем на первой (х₂ > х₁), и соответственно кипит при более низкой температуре. Соприкасаясь с ней, пар состава у₂ частично конденсируется, обогащается НК и удаляется на вышерасположенную тарелку, имея состав у ₂ > X₂, и т. д.

Таким образом пар, представляющий собой на выходе из кипятильника почти чистый В К, по мере движения вверх все более обогащается низкокипящим компонентом и покидает верхнюю тарелку колонны в виде почти чистого НК, который практически полностью переходит в паровую фазу на пути пара от кипятильника до верха колонны.

Пары конденсируются в дефлегматоре 3, охлаждаемом водой, и получаемая жидкость разделяется в делителе 4 на дистиллят и флегму, которая направляется на верхнюю тарелку колонны. Следовательно, с помощью, дефлегматора в колонне создается нисходящий поток жидкости.

Жидкость, поступающая  на орошение колонны (флегма), представляет собой почти чистый НК- Однако, стекая по колонне и взаимодействуя с паром, жидкость все более обогащается В К, конденсирующимся из пара. Когда жидкость достигает нижней тарелки, она становится практически, чистым В К и поступает в кипятильник, обогреваемый глухим паром или другим теплоносителем.

На некотором расстоянии от верха колонны к жидкости из дефлегматора присоединяется исходная смесь, которая поступает на так называемую питающую тарелку колонны. Для того чтобы уменьшить, тепловую нагрузку кипятильника, исходную смесь обычно предварительно нагревают в подогревателе 5 до температуры кипения жидкости на питающей тарелке.

Питающая тарелка как  бы делит колонну на две части, имеющие различное назначение. В верхней части 1а (от питающей до верхней тарелки) должно быть обеспечено, возможно, большее укрепление паров, т. е. обогащение их НК с тем, чтобы в дефлегматор направлялись пары, близкие по составу к чистому НК. Поэтому данная часть колонны называется укрепляющей. В нижней части 16 (от питающей до нижней тарелки) необходимо в максимальной степени удалить из жидкости НК, т. е. исчерпать жидкость для того, чтобы в кипятильник стекала жидкость, близкая по составу к чистому В К. Соответственно эта часть колонны называется исчерпывающей.

В дефлегматоре 3 могут быть сконденсированы либо все пары, поступающие из колонны, либо только часть их соответствующая количеству возвращаемой в колонну флегмы. В первом случае часть конденсата, остающаяся после отделения флегмы, представляет собой дистиллят (ректификат), или верхний продукт, который после охлаждения в холодильнике 6 направляется в сборник дистиллята 9. Во втором случае несконденсированные в дефлегматоре пары одновременно конденсируются и охлаждаются в холодильнике 6, который при таком варианте работы служит конденсатором-холодильником дистиллята.

Жидкость, выходящая из низа колонны (близкая по составу  В К) также делится на две части. Одна часть, как указывалось, направляется в кипятильник, а другая — остаток (нижний продукт) после охлаждения водой в холодильнике 7 направляется в сборник 8.

На рис. 64 приведена лишь принципиальная схема непрерывно действующей ректификационной установки. Такие установки оснащаются необходимыми контрольно-измерительными и регулирующими приборами, позволяющими автоматизировать их работу и проводить процесс с помощью программного управления в оптимальных условиях. Путем автоматического регулирования сводятся к минимуму колебания количества, состава и температуры исходной смеси, давления и расхода греющего пара и расхода охлаждающей воды.

Периодически действующие  установки. В производствах небольшого масштаба используются ректификационные установки периодического действия (рис.65). Исходную смесь загружают в куб, снабженный нагревательным устройством. Смесь подогревается до кипения и ее пары

поступают под нижнюю тарелку ректификационной колонны 2. Поднимаясь по колонне, пары обогащаются НК, которым обедняется стекающая вниз флегма, поступающая из дефлегматора 3 на верхнюю тарелку колонны. Пары из колонны направляются в дефлегматор 5, где они полностью или частично конденсируются. В случае полной конденсации жидкость разделяется с помощью делителя 4 на флегму и дистиллят. Конечный продукт (дистиллят) охлаждают в холодильнике 5 и направляют в сборники 6.

 

 

После того как  достигнут заданный состав остатка  в кубе (об этом судят по температуре кипения жидкости в нем), остаток сливают, загружают

куб исходной смесью и  операцию повторяют.

          Сопоставляя периодически действующую колонну (см. рис.65) с ректификационной колонной непрерывного действия (см. рис. 64), можно заметить, что первая работает, подобно верхней части непрерывно действующей колонны, как колонна для укрепления паров, а куб играет роль исчерпывающей части.

 

 

 

 

Вопросы для  проверки

1. Фракционная перегонка,способы осуществления
2. Простая перегонка с дефлегмацией, схема и описание
3. Перегонка в токе носителя (с водяным паром),схема и описание
4. Равновесная перегонка,схема и ее описание
5. Принцип процесса ректификации
6. В чем преимущество многократного контактирования между жидкой и паровой фазами в процессе ректификации
7. Схема непрерывно действующей ректификационной установки и ее описание
8. Что такое орошение колонны  и его назначение
9. Схема периодически действующей ректификационной установки и принцип работы
10. В чем разница между периодически и непрерывнодейст-

         вующими установками      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЛЕКЦИЯ 13

ТЕХНОЛОГИЯ  ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ

 

План        

1. Тарельчатые колонны, устройство
2. Схема работы простой тарельчатой колонны
3. Сложная колонна

 

Тарельчатые колонны

Принципиальное устройство тарельчатой колонны обусловлено  тем, что в ней процесс ректификации осуществляется путем многократного  ступенчатого контактирования паровой и жидкой фаз. Для этой цели она оборудована специальными устройствами тарелками, на которых в основном и происходит массообмен, если не считать незначительного массообмена в свободном объеме колонны.

Тарелки монтируют горизонтально  внутри колонны. Известно множество различных тарелок, отличающихся конструктивным оформлением и составом элементов. Для наиболее часто применяемых тарелок имеются соответствующие ГОСТ или   .

Простая колонна. Схема работы простой тарельчатой колонны, предназначенной для разделения смеси на две фракции ректификацией, приведена на рис. 66. Сырье предварительно нагревают до определенной температуры в специальных нагревательных аппаратах, а затем в виде жидкости, паров или смели паров и жидкости подают в питательную секцию колонны. Питательная секция условно делит колонну на две части (или секции): верхнюю — обогащенную, при концентрационную, и нижнюю — отгонную, или отпаривающую. В концентрационной и отгонной секциях установлено необходимое число тарелок, на которых происходит контактирование между восходящими снизу парами и стекающей сверху жидкостью. Встречное движение паров и жидкости внутри колонны обеспечивается температурным режимом процесса, т. е. поддержанием необходимой температуры вводимого в колонну  сырья, в верхней и нижней частях колонны.

 

 

Поверхности всех работающих ректификационных тарелок залиты жидкостью, стекающей вниз по колонне. Устройство тарелок таково, что лишнее количество жидкости стекает с них на нижележащую  тарелку. Жидкость на тарелке (флегма) состоит из обоих компонентов, на которые необходимо разделить вводимую в колонну смесь. Количественное соотношение этих компонентов на данной тарелке зависит от ее расположения по отношению к питательной секции и к другим тарелкам. Разделяемые компоненты должны иметь разные температуры кипения, причем чем выше разность этих температур, тем проще разделение смеси на заданные компоненты. Разделяемые компоненты условно называют высококипящими (тяжелыми) и низкокипящими (легкими).