Оборудование нефтеперерабатывающих предприятий и основы проектирования

В результате ректификации в колонне получают два продукта, один из которых в виде паров, содержащих низкокипящие компоненты, отводится из колонны сверху, а другой в виде жидкости, содержащей в основном высококипящие компоненты, откачивается из колонны снизу.

Разделение смеси на высококипящий и низкокипящий компоненты в простой тарельчатой колонне происходит следующим образом. В результате массообмена между жидкой и паровой фазами концентрации низкокипящих и высококипящих компонентов в этих фазах  по «высоте колонны непрерывно изменяются. Поднимающиеся с низа колонны пары, проходя через слой жидкости на тарелке, отдают ей часть тепла. Вследствие этого температура жидкости повышается, и она частично испаряется, освобождаясь от низкокипящего компонента, который присоединяется к восходящей паровой фазе. Одновременно с этим паровая фаза, смешавшись с холодной жидкостью на каждой тарелке и охладившись, частично конденсируется, при этом в жидкости (флегме) остаются высококипящие компоненты. Это, в свою очередь, приводит к увеличению концентрации высококипящих в жидкой фазе и низкокипящих — в паровой.

Таким образом, в результате теплообмена между паровой фазой  и жидкостью на каждой тарелке  происходит непрерывное частичное  испарение жидкости и частичная  конденсация паров, что обеспечивает определенное изменение концентрации компонентов в жидкой и паровой фазах. Пары движутся снизу вверх, и на каждой последующей тарелке концентрация низкокипящих фракций в них увеличивается, а концентрация высококипящих уменьшается. Жидкость же при движении сверху вниз на каждой последующей тарелке обогащается высококипящими и обедняется низкокипящими компонентами.

Для поддержания процесса ректификации необходимо, чтобы температура  в колонне убывала от тарелки  к тарелке в направлении движения паров (т. е. кверху) и возрастала в направлении движения жидкости (т. е. книзу). Для этого наверху колонны устанавливают парциальный конденсатор, в котором отнимается тепло паров, и часть их конденсируется, что обеспечивает непрерывный ноток жидкости, перетекающей с тарелки на тарелку. В настоящее время отвод тепла чаще всего осуществляется холодным острым орошением, при котором часть парового потока, отводимого с верха колонны в качестве готовой продукции (целевой компонент), после конденсации и охлаждения в специальных конденсаторах холодильниках возвращается в колонну на верхнюю тарелку. Острое орошение, во первых, снижает температуру верха колонны, вследствие чего конденсируется часть паров, и, во вторых, присоединяется к нисходящему жидкому потоку, создавая необходимое количество флегмы.

Температуру в нижней части колонны поддерживают вводом в нее определенного количества тепла. Для этого в отгонной части  устанавливают специальный кипятильник  или подают в нее водяной пар, который одновременно необходим  для поддержания наиболее благоприятного режима эксплуатации ректификационной колонны. Благодаря вводимому теплу из жидкости, стекающей в отгонную часть колонны, испаряются низкокипящие компоненты, которые присоединяются к восходящему паровому потоку.

Число тарелок, т. е. число ступеней контактирования паровой и жидкой фаз, должно быть таким, чтобы в паре наверху колонны и в жидкости в нижней ее части концентрации низкокипящих и высококипящих компонентов достигли заданных значений.

Число тарелок, необходимых  для разделения данной смеси, определяют графически или аналитически. Для графического определения необходимо иметь кривую равновесия фаз и кривые концентраций для верхней и нижней частей колонны. Методика определения числа идеальных контактов, или числа так называемых теоретических тарелок, дана в литературе, где приведен расчет массообменных процессов. Под теоретической тарелкой понимают такую,  на которой массообменивающиеся фазы полностью уравновешиваются. Это допущение условно. Практически на тарелках даже самой совершенной конструкции невозможно достигнуть полного равновесия фаз, поэтому число реальных тарелок всегда больше числа теоретических:

                          (29)

где N-   реальное число тарелок в колонне; #_т — теоретическое число тарелок; >1 — средами к.п.д. тарелок.              

Средний к.п.д. тарелок  зависит от различных факторов, в  первую очередь от конструкции тарелки  и режима ее работы. Значение к. п. д. обычно устанавливают на основе экспериментальных  данных, реже — путем приближенных расчетов. Оно колеблется в довольно широких пределах, например для желобчатых тарелок т) = 0,4—0,7.

Сложная колонна. В простой колонне, показанной на рис. 66, можно разделить смесь только на две фракции. В практике нефтепереработки чаще требуется разделить смесь углеводородов на несколько фракций с разными температурами кипения. Например, в процессе перегонки нефти необходимо разделить углеводороды на фракции бензина, лигроина, керосина, солярового масла и мазута. Сделать это в одной простой колонне невозможно. Для такого разделения требуется несколько последовательно работающих простых тарельчатых колонн. Число их, очевидно, должно быть на единицу меньше числа целевых фракций (продуктов), так как в каждой простой колонне смесь фракционируется только на два компонента. Такая установка громоздка и неудобна. Поэтому разделение нефтяного сырья на три фракции и более проводят 1 одной сложной колонне, представляющей собой несколько простых колонн, объединенных в одном корпусе и расположенных одна над другой. На рис.67   показана принципиальная схема сложной тарельчатой колонны, предназначенной для разделения смеси па четыре компонента. Она состоит из трех последовательно соединенных простых колонн, расположенных одна над другой на единицу меньше числа разделяемых компонентов. Преимущество такой колонны перед тремя отдельно стоящими простыми колоннами состоит в том, что она занимает втрое меньшую площадь и острое орошение в нее сырье

 

 

подают только на самую  верхнюю тарелку, в то время как  в каждую простую колонну подают свое орошение.

Сложная колонна имеет  выносные отпорные секции, число которых  также на единицу меньше числа  разделяемых компонентов. В большинстве  случаев все выносные отпорные секции объединены в одном корпусе и  расположены одна над другой в  тоже  порядке, что и простые колонны. Секции разделены перегородками (днищами). Колонны, объединяющие отпорные секции, на заводах называют стриппинг-колоннами. Они небольшого диаметра и обычно установлены рядом с основной ректификационной колонной. Каждая. Секция снабжена несколькими ректификационными тарелками.

Процесс разделения смеси  на фракции в сложной колонне  происходит следующим образом.  Смесь, нагретая до нужной температуры, поступает  в питательную часть первой   (нижней) простой колонны. Паровой  поток смеси отделяется в первой колонне от фракции,  которая должна отводиться с низа колонны как самая высококипящая,    и    поднимается    в    следующую, вторую колонну. Здесь от смеси в виде остатка    отделяется вторая     фракция.     Пары, в которых частично содержится и вторая фракция, поступают в третью колонну, где отделяются в виде остатка третья фракция и в виде паров с верха колонны четвертая фракция.

Парциальный конденсатор (или острое орошение) отбирает тепло  от паров наверху колонны. При  этом часть паров конденсируется, образуя флегму, которая с верха сложной колонны перетекает по всем тарелкам третьей (самой верхней) простой колонны. С нижней тарелки этой колонны часть флегмы длится на отварку в стриппинг - секцию, а оставшееся количество ее перетекает во вторую    колонну,    играя   роль    флегмы-орошения.    Аналогичный   процесс происходит и во второй колонне.

Полученные на нижних тарелках каждой простой колонны  фракции содержа некоторое количество пограничных фракций. Для получения  заданной фракции отведенную с тарелок отбора флегму отпаривают в стриппинг-секциях. Отварку осуществляют водяным паром, подаваемым в низ каждой секции. Водяной пар вместе с отпаренными от флегмы парами низкокипящих фракций возвращается в простую колонну выше участка, откуда была отобрана флегма. Отпаренную флегму отводят с низа каждой стриппинг-секции в качестве целевого продукта.

Остаток в нижней части  основной колонны отпаривают так  же, как в простых колоннах, т. е. без выносных секций, подавая пар  непосредственно в нижнюю часть колонны.

 

 

 

 

 

Вопросы для  проверки

1. Принципиальное устройство тарельчатой колонны
2. Схема работы простой тарельчатой колонны
3. Разделение смеси на высококипящий и низкокипящий компоненты в простой тарельчатой колонне
4. Как должна меняться температура по высоте колонны чтобы происходила ректификация
5. Каким образом поддерживается температура в нижней части колонны
6. Как осуществляется разделение нефтяного сырья на три и более фракции
7. Схема сложной тарельчатой ректификационной колонн и принцип работы
8. Устройство тарельчатой ректификационной колонны
9. Что такое стриппинг-колонны и как они работают
10. Процесс разделения смеси на фракции в сложной колонне.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЛЕКЦИЯ 14

РАСЧЕТ РЕКТИФИКАЦИОННЫХ КОЛОНН

План

1. Корпус ректификационной колонны
2. Формула определения диаметра колонны
3. Высота колонны

Корпус ректификационной колонны

На рис.68 представлена схема устройства ректификационной колонны. Колонна состоит из вертикального корпуса с юбкой, которая закрепляется на фундаменте болтами. Сверху и снизу корпус колонны закрыт сферическими или эллиптическими днищами. Внутри колонны смонтированы ректификационные тарелки, улита, отбойник, паровой маточник. Колонна снабжена штуцерами для отвода целевого продукта паров в конденсатор-холодильник, откачки отпаренного остатка, ввода верх-негр острого орошения, ввода сырья, отвода боковых погонов, возврата паров из стриппинг  колонны, подачи боковых орошений и др.

Конструктивное исполнение корпусов колонн зависит от их назначения и режима работы. В зависимости  от давления в процессе эксплуатации колонны подразделяются на атмосферные, вакуумные и находящиеся под давлением. В двух последних давление (вакуум) зависит от выбранного технологического режима. В атмосферных же колоннах незначительное давление (обычно не превышающее 0,05 МПа) является результатом сопротивления движению паров и жидкости внутри колонны и в коммуникациях после колонны.

Диаметр колонны определяют из уравнения расхода по объему поднимающихся паров и допустимой их скорости:

 

где V — максимальный объемный расход паров, поднимающихся по рассчитываемому сечению колонны; у_д — допустимая линейная скорость паров в свободном сечении колонны; О — максимальный массовый расход паров.

Максимальные объем  или вес паров находят из материального баланса колонны. Для различных сечений колонны объемы паров неодинаковы, поэтому расчет ведут по максимальным объемам. Однако в тех случаях, когда объемы паров для различных сечений значительно отличаются друг от друга, для экономного использования металла, уменьшения веса аппарата и поддержания рационального режима эксплуатации колонну выполняют с разными диаметрами по высоте.

Диаметр колонны тем  меньше, чем больше допустимые скорости паров. Поэтому выбор скоростей — весьма ответственный этап расчета колонны. Следует иметь в виду, что увеличение скоростей, в конечном счете, вызывает необходимость неоправданного увеличения числа тарелок.

Допустимые скорости движения паров определяют по уравнениям и графикам. Значения их зависят от различных факторов, в том числе от конструкции тарелок, расстояния между ними, плотностей жидкой и паровой фаз в рассматриваемом сечении, поверхностного натяжения и т. д. Подробные сведения и методики определения допустимых скоростей даны в специальной литературе, где приведен технологический расчет аппаратов. Например, для колонн с колпачковыми тарелками (при расстоянии между ними 0,7—0,8 м) допустимую, линейную скорость определяют по формуле

                                                                                      (30)

где ржи р_п — плотность, жидкости и пара   в   рассматриваемом   сечении   колонны.

При скоростях, существенно  превышающих рассчитанную по формуле (У.в), может произойти унос потоком пара капелек жидкости с данной тарелки на вышележащую. На практике условия эксплуатации принято считать нормальными, если скорости паров находятся в пределах 0,5—1,2 м/с в атмосферных колоннах и 1,5—3,5 м/с в вакуумных колоннах.

Для колонн с сетчатыми  или решетчатыми тарелками провального типа диаметр определяют из условия, что скорости паров в колонне находятся в пределах между минимальной и максимальной допустимыми скоростями, при которых обеспечивается необходимый слой жидкости на поверхности тарелки и в то же время не происходит захлебывания. Полученный расчетом диаметр округляют до ближайшего, большего диаметра, предусмотренного действующими нормалями. В процессе эксплуатации обычно приходится выполнять проверочный расчет для данного режима работы колонны. Для этого при известном диаметре колонны определяют фактическую линейную скорость паров и сравнивают ее с допустимой.

Высоту колонны находят, зная число реальных тарелок и принятое расстояние между ними, а также высоту участков питательной секции и высоту свободных объемов между днищами и крайними тарелками. Размеры указанных участков принимают в зависимости от конструкции внутренних устройств, возможности их монтажа и ремонта, а также с учетом необходимости отбора некоторого количества жидкого остатка внизу колонны: