Оборудование нефтеперерабатывающих предприятий и основы проектирования

Для обеспечения эффективного контактирования фаз ректификационные колонны снабжены внутренними устройствами. В зависимости от конструкции этих устройств осуществляется непрерывное (в насадочных колоннах) или ступенчатое (в тарельчатых колоннах) контактирование фаз.

Насадочные  колонны

Насадочная ректификационная колонна, наиболее простая по конструкции, представляет собой цилиндрический вертикальный аппарат, заполненный по всей высоте или на отдельных участках так называемой насадкой — определенных размеров и конфигурации телами из инертных материалов. На рис. 71- показано несколько типов встречающихся на практике насадок.

Насадка предназначена для создания большой поверхности контакта между стекающей по ней жидкостью и поднимающимся потоком паров и интенсивного перемешивания их. Контакт и массообмен между фазами в насадочной колонне происходят непрерывно на всем участке аппарата, заполненном насадкой. Этим и отличается работа насадочной и тарельчатой колонн.

В насадочных колоннах практически  невозможно добиться равномерного распределения  стекающей сверху вниз жидкости по всем поперечным сечениям аппарата. Особенно неравномерно распределяется жидкость при больших диаметрах колонн. Именно поэтому контактирование фаз в них недостаточно, вследствие чего трудно достигнуть четкого разделения.

В настоящее время  насадочные колонны для ректификации применяют редко, их вытеснили тарельчатые  колонны. Конструкции их представляют интерес скорее для проведения процессов абсорбции, экстракции и т. д. Однако в тех случаях, когда для разделения смеси в тарельчатой колонне требуется

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 71. Типы насадок для колонных аппаратов:

в —кольца Рашига внавал; б — кольца с крестообразными перегородками с упорядоченной укладкой; в — керамические седла Берля; г — шарообразная насадка; д — деревянная хордовая насадка; е — пропеллерная насадка.

 

большое число тарелок (см. ниже), применение насадочных ректификационных колонн может оказаться оправданным. На практике встречаются тарельчатые ректификационные колонны, у которых одна или несколько тарелок — насадочные (обычно над участком ввода сырья или в верхней части аппарата). Такие насадочные тарелки в колоннах чаще всего играют роль. Отбойников, хотя на них также происходит ректификация.

Важным качеством работы насадочных колонн являются небольшие  по сравнению с тарельчатыми колоннами  гидравлические сопротивления. Благодаря этому создаются более благоприятные условия для ректификации в них жидкостей с большими температурами кипения, обычно осуществляемой при высоком вакууме.

На рис. 72 показана схема насадочной ректификационной колонны высоковакуумной установки для получения дистиллята цилиндрового масла из гудрона. Колонна представляет собой: вертикальный цилиндрический аппарат с верхним и нижним эллиптическими днищами, разделенный по высоте внутренними устройствами на несколько секций.

По трубному коллектору 1, снабженному специальными распылителями 2, сырье, предварительно нагретое до нужной температуры, вместе с перегретым водяным паром поступает в колонну. Коллекторы и распылители предназначены для создания

 

 

 

 

одинаковой, равномерной  нагрузки по всему сечению колонны. Первый слой насадки 3 высотой 0,75—1,20 м расположен непосредственно над участком ввода сырья и водяного пара и служит одновременно для контактирования фаз и отделения от устремленного вверх потока сырья тяжелых капель жидкости, которые опускаются в нижнюю часть колонны, не попадая в ее верхнюю часть, т. е. играют роль отбойника (см. ниже). С отборной тарелки 4, снабженной несколькими переходными трубами 5, сконденсировавшиеся пары целевого масляного дистиллята, образовавшегося в результате ректификации при прохождении через слои насадок Зкб, откачиваются насосом. Легкие пары нефтепродуктов вместе с водяными парами, поднимаясь вверх, проходят слои насадок 7 и 8. Жидкость, отбираемая с тарелки 9, охлаждается в теплообменниках и холодильниках и насосом возвращается в колонну через ороситель 11 в качестве потока орошения (см. ниже). Изменяя количество орошения, регулируют температурный режим верхнего участка колонны и предотвращают тем самым унос из колонны высококипящих компонентов. Часть легких сконденсировавшихся компонентов откачивается с отборной тарелки 9 в виде готового дистиллята, остальная часть переливается с нее вниз, являясь жидкой фазой в диффузионном процессе. Несконденсировавшиеся пары через шлемовую трубу 12, расположенную в верхней части колонны, поступают в барометрический конденсатор (см. ниже), где частично конденсируются, а частично отсасываются вакуумсоздающими устройствами. С низа колонны остаток от перегонки (гудрон) насосом откачивается в резервуар.

При определении диаметра насадочных колонн обычно руководствуются допустимыми скоростями движения паров по колонне, и в частности в каналах насадки. Скорость паров должна быть ниже той, при которой жидкость не стекает по насадке, а вытесняется из нее скоростным напором потока пара, движущегося снизу вверх, создавая так называемый режим захлебывания. Режим захлебывания вызывает резкое повышение сопротивления движущимся парам, т. е. давление в колонне, поэтому при заданной производительности диаметр колонны должен быть таким, чтобы скорость восходящих паров не нарушала постоянного противоточного движения жидкой и паровой фаз.

Однако слишком малые  скорости движения паров не обеспечивают хорошего массообмена. Если значительно уменьшить-производительность колонны при одном и том же ее диаметре, эффективность процесса ректификации резко снизится. Таким образом, наилучшим режимом работы насадочной колонны является режим, непосредственно предшествующий захлебыванию. Такой режим называют режимом подвисания.

При режиме подвисания движение жидкости вниз тормозится потоком газа, и последний начинает барботировать через-жидкость. Скорость паров, соответствующую началу режима подвисания, определяют по эмпирическим формулам в зависимости от плотности пара и жидкости, диаметра применяемой: насадки и других данных. По установленной оптимальной скорости пара (газа) находят диаметр поперечного сечения колонны с учетом того, что свободное сечение меньше из-за наличия насадки и стекающей по ней жидкости.

Практически наступление  режимов подвисания и захлебывания определяют сравнением давлений (разрежений) над и под слоем насадки. Если перепад давления (разрежения) резко-повышается, это свидетельствует о начале захлебывания, и скорости паров необходимо снизить уменьшением производительности колонны по сырью или изменением теплового режима работы.

Интенсивность массообмена  и сопротивление движущимся потокам  паров и жидкости во многом зависят  от применяемой насадки. Высоту насадки  и размеры ее элементов устанавливают на основании экспериментальных данных и накопленного практического опыта. Насадка малых размеров и сложной конфигурации имеет большую поверхность контакта, но создает повышенные сопротивления. Кроме того, при выборе размеров насадки необходимо знать, что мелкая насадка менее прочна и быстрее забивается твердыми отложениями (коксом, грязью).

Практикой установлено, что в ректификационных колоннах проявляет достаточную прочность  и стойкость к коррозии и эрозии керамическая насадка размерами (мм) 50x50x8; 80X80X8; 100ХЮО. Х10.

Насадку укладывают беспорядочно на колосниковую решетку (колосник), представляющую собой тарелку, составленную из перфорированных (дырчатых), просечено вытяжных металлических листов или пластинчатых решеток. Колосники должны быть прочными и долговечными. Их монтируют из отдельных секций на жестком металлическом каркасе или на полке из стального уголка, приваренного к внутренней стенке колонны.

 

 

 

 

Секции колосника  должны быть таких размеров, чтобы можно было легко извлекать их из колонны и вставлять в нее через люк нормальных размеров. На рис. 73 показана конструкция секции пластинчатого колосника, обеспечивающего достаточную жесткость.

Эксплуатация  насадочных колонн несложна. Необходимо поддерживать оптимальные для данных условий температурный режим и скорость паров, а также предотвращать закоксовывание насадки, особенно сильное в слое насадки, находящемся непосредственно над участком ввода сырья. При ремонтах закоксованную насадку выгружают из колонны и заменяют новой. Это довольно трудоемкая операция, поэтому всегда стремятся как можно дольше поддерживать работоспособность насадки.

Вопросы для проверки

1. Определение ректификационных колонн
2. Условие протекания ректификации
3. Как обеспечивается эффективное контактирование фаз в ректификационных колоннах
4. Роль насадки в колонне
5. Типы насадок
6. Почему в насадочных колоннах четкость разделения хуже чем в тарельчатых
7. Преимущество насадочных колонн по сравнению с тарельчатыми
8. Схема насадочной ректификационной колонны и принцип работы
9. Роль орошения в насадочных колоннах
10. Что такое режим подвисания, объясните

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЛЕКЦИЯ 16

ЭКСТРАКЦИОННЫЕ  ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ

 

План

1. Общие сведения
2. Методы экстракции
3. Устройство экстракционных аппаратов

 

Экстракция

Экстракцией в широком  смысле называют процессы извлечения одного или нескольких компонентов из растворов или твердых тел с помощью избирательных растворителей (экстрагентов). При взаимодействии с экстрагентом в нем хорошо растворяются только извлекаемые компоненты и значительно слабее или практически вовсе не растворяются остальные компоненты исходной смеси.

В химической технологии экстракция из растворов экстрагентами  более распространена, чем экстракция из твердых тел. Экстракция из твердых веществ или квазитвердых материалов (например, из тканей растительного сырья) применяется главным образом в лесохимической, пищевой и фармацевтической промышленности. В химической технологии используют в основном экстракцию из твердых пористых веществ водой или водными растворами кислот и щелочей (процессы выщелачивания).

Как следует из главы X, процесс массоотдачи в твердой фазе существенно отличается от массоотдачи в жидкостях, поэтому процессы экстракции в системах жидкость — жидкость и в системах жидкость — твердое тело Должны рассматриваться раздельно.

 

Процессы экстракции  в системах жидкость

1.    Общие сведения

Процессы экстракции в системах жидкость — жидкость находят широкое применение в химической, нефтеперерабатывающей и нефтехимической и других отраслях промышленности. Они эффективно используются для выделения в чистом виде различных продуктов органического и нефтехимического синтеза, извлечения и разделения редких и рассеянных элементов, очистки сточных вод и т. д.

Экстракция в системах жидкость — жидкость представляет собой диффузионный процесс, протекающий  с участием двух взаимно нерастворимых или ограниченно жидких растворимых фаз, между которыми распределяется экстрагируемое вещество (или несколько веществ). Так, например, очистку сточных вод производят экстракцией бутилацетатом, в который предпочтительно переходят одноатомные и многоатомные фенолы.

Для повышения скорости процесса исходный раствор и экстрагент приводят в тесный контакт, осуществляемый обычно многократно. В результате взаимодействия фаз получают экстракт — раствор извлеченных веществ в экстр агенте и рафинат — остаточный исходный раствор, из которого с той или иной степенью полноты удалены экстрагируемые компоненты. Полученные жидкие фазы (экстракт и рафинат) отделяются

друг от друга отстаиванием, иногда центрифугированием или другими  механическими способами. После этого производят, извлечение целевых продуктов из экстракта и регенерацию экстрагента из, рафината.

Соответствующие компоненты выделяются из экстракта либо ректификацией, либо путем реэкстракции, например перевода их в водный раствор. Во избежание потерь экстрагента, растворенного или унесенного рафинатом, экстрагент выделяют ректификацией или экстракцией другим растворителем и возвращают для последующего использования.

Принципиальная схема  процесса непрерывной экстракции приведена нарис.74, а. Процесс собственно экстракции происходит в колонном экстракторе 1, после чего производится выделение извлеченных веществ из экстракта (в ректификационной колонне 2) и экстрагента из рафината (в ректификационной колонне 3).

Рис. 74.   Принципиальные   схемы   процесса   экстракции   в   системах   жидкость —жидкость:       

а — непрерывная экстракция; б — экстракция солей металлов; 1 — колонный экстрактор; 2- ректификационная колонна для выделения извлеченных веществ из экстракта; 3 — ректификационная колонна для регенерации экстрагента из рафината; 4 — колонный экстрактор; 5 —колонна для реэкстракции. I

 

На рис.74, б показана типичная схема экстракции солей металлов, отличающаяся тем, что после колонного экстрактора 4 соли извлекаются из экстракта путем перевода их в водный раствор (реэкстракции) в колонне 5. Экстрактор 4 может иметь, как видно из рисунка, промывную, секцию для дополнительной отмывки экстракта от нежелательных примесей.