X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Ректификация – это процессразделения жидкой смеси компонентов с различными летучестями в результате противоточного движения жидкой и паровой фаз, в процессе которого пары смеси, соприкасаясь с несколько более холодной жидкой смесью, имеющей большее содержание летучего компонента, конденсируются. За счет выделяющейся теплоты фазового перехода образуются пары, обогащенные летучим компонентом, которые в свою очередь контактируют с жидкостью, конденсируются, и происходит образование паров с еще большим содержанием летучего компонента.

Промышленные ректификационные установки представляют собой ректификационные колонны непрерывного действия, по высоте которых установлены различные контактные элементы (тарелки или слой насадок), благодаря которым увеличивается площадь соприкосновения фаз.

Ректификационные колонны предназначены для проведения процессов массообмена в химической, нефтехимической и других отраслях промышленности. Основная задача процесса ректификации – разделение смеси на практически чистые составные компоненты.

Основным элементом установки является ректификационная колонна. Среди различных типов ректификационных колонн в нефтепереработке преимущественное использование имеют тарельчатые колонны. Установка работает по схеме, представленной на рисунке 1.

1 – клапанная колонна; 2 – сырьевая емкость; 3 – теплообменник для подогрева исходной смеси; 4 – конденсатор; 5 – рефлюксная емкость; 6 – товарная емкость для ЛЛК; 7 – товарная емкость для ТЛК; 8 – теплообменник для охлаждения ТЛК; 9 – теплообменник для охлаждения ЛЛК; 10 – кипятильник; 11 – коллектор водяного пара; 12, 13, 14 – насосы; 15, 16 – ротаметры;

– греющий пар;

– охлаждающая вода.

Рисунок 1 – Схема промышленной ректификационной установки непрерывного действия

Исходную смесь из сырьевой емкости 2 центробежным насосом 13 подают в теплообменник 3, где она нагревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 1 на тарелку питания.

Стекая вниз по колонне с тарелки на тарелку, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром и направляется в кипятильник 10, в котором она кипит и испаряется, а образующиеся пары жидкости поступают в нижнюю часть колонны 1, двигаются навстречу исходной смеси, барбатируя через нее и обогащаясь низкокипящим компонентом.При этом ЛЛК переходит в пары, а ТЛК – в жидкость. Теплота в кипятильнике 10 поддерживается за счет греющего пара, который подается из коллектора 11. Из кипятильника 10выводится кубовый остаток – готовый продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 8 и насосом 12 направляется в товарную емкость 7, а затем на склад готовой продукции.

Выходя из верхней части колонны, обогащенные ЛЛК, пары попадают в конденсатор 4, где происходит их полная конденсация. Из конденсатора дистиллят через рефлюксную емкость 5 поступает в насос 14, где разделяется на два потока: одна часть в качестве флегмы возвращается в колонну и стекает вниз по тарелкам, другая часть выводится из установки ввиде готового продукта – дистиллята. Дистиллят охлаждается в теплообменнике и направляется в товарную емкость 6, после на склад готовой продукции.Расходы флегмы и дистиллята регулируются с помощью вентилей и ротаметра 15.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный процесс разделения исходной бинарной смеси на дистиллят (с высоким содержанием легколетучего компонента) и кубовый остаток (обогащенный труднолетучим компонентом).

Ректификационный аппарат состоит из двух частей: верхней и нижней, каждая из которых представляет собой организованную поверхность контакта фаз между паром и жидкостью.

В нижней части смесь взаимодействует с паром, начальный состав которого равен составу кубового остатка. Вследствие этого из смеси извлекается ЛЛК, т.е. пары исчерпывают ЛЛК. Поэтому нижнюю часть колонны называют исчерпывающей.

В верхней части пар начального состава, соответствующий составу исходной смеси, взаимодействует с жидкостью, начальный состав которой равен составу дистиллята. Вследствие этого пар дополнительно обогащается ЛЛК, т.е укрепляется (данная часть колонны называется укрепляющей), а ТЛК извлекается из паровой фазы [2].

Пар для питания ректификационной колонны получается многократным испарением жидкости, а жидкость–многократной конденсацией пара. Полученный в конденсаторе дистиллят делится на две части: одна часть возвращается обратно в колонну – флегма, другая является готовым продуктом –дистиллят. Отношение количества флегмы к количеству дистиллята называется флегмовым числом R.

Эффективность процесса ректификации зависит от поверхности контакта фаз. Для увеличения поверхности массообмена используют различные контактные устройства насадочного или барботажного типа.

В промышленности применяют колпачковые, ситчатые, насадочные, пленочные трубчатые колонны. Они различаются в основном конструкцией внутреннего устройства аппарата, назначение которого – обеспечение взаимодействия жидкости и пара. Это взаимодействие происходит при барботировании пара через слой жидкости на тарелках (колпачковых или ситчатых), либо при поверхностном контакте пара и жидкости на насадке или поверхности жидкости, стекающей тонкой пленкой.

Тарельчатые колпачковые колонны наиболее часто применяют в ректификационных установках. Пары с предыдущей тарелки попадают в паровые патрубки колпачков и барботируют через слой жидкости, в которую частично погружены колпачки. Колпачки имеют отверстия или зубчатые прорези, расчленяющие пар на мелкие струйки для увеличения поверхности соприкосновения его с жидкостью. Переливные трубки служат для подвода и отвода жидкости и регулирования ее уровня на тарелке. Основной областью массообмена и теплообмена между парами и жидкостьюявляется слой пены и брызг над тарелкой, создающийся в результате барботажа пара. Высота этого слоя зависит от размеров колпачков, глубины их погружения, скорости пара, толщины слоя жидкости на тарелке, физических свойств жидкости и др. Следует отметить, что, кроме колпачковых тарелок, применяют также клапанные, желобчатые, S-образные, чешуйчатые, провальные и другие конструкции тарелок.

Клапанные тарелки показали высокую эффективность при значительных интервалах нагрузок благодаря возможности саморегулирования. В зависимости от нагрузки клапан перемещается вертикально, изменяя площадь живогосечения для прохода пара, причем максимальное сечение определяется высотой устройства, ограничивающего подъем. Площадь живого сечения отверстий для пара составляет 10-15% площади сечения колонны. Скорость пара достигает 1,2 м/с. Клапаны изготовляют в виде пластин круглого или прямоугольного сечения с верхним или нижним ограничителем подъема [2].

Тарелки, собранные из S-образных элементов, обеспечивают движение пара и жидкости в одном направлении, способствуя выравниванию концентрации жидкости на тарелке.

Чешуйчатые тарелки подают пар в направлении потока жидкости. Они работают наиболее эффективно при струйном режиме, возникающем при скорости пара в чешуях свыше 12 м/с. Площадь живого сечения составляет 10% площади сечения колонны. Чешуи бывают арочными и лепестковыми; их располагают на тарелке в шахматном порядке. Простота конструкции, эффективность и большая производительность – преимущества этих тарелок.

Пластинчатые тарелки собраны из отдельных пластин, расположенных под углом 4-9° к горизонтам. В зазорах между пластинами проходит пар со скоростью 20-50 м/с. Над пластинами установлены отбойные щитки, уменьшающие брызгоунос. Эти тарелки отличаются большой производительностью, малым сопротивлением и простотой конструкции.

К провальным относят тарелки решетчатые, колосниковые, трубчатые, ситчатые (плоские или волнистые). Площадь живого сечения тарелок изменяется в пределах 15-30%. Жидкость и пар проходят попеременно через каждое отверстие в зависимости от соотношения их напоров. Тарелки имеют малое сопротивление, высокий КПД, работают при значительных нагрузках и отличаются простотой конструкции[3].

Насадочные колонны получили широкое распространение в промышленности. Они представляют собой цилиндрические аппараты, заполненные инертными материалами в виде кусков определенного размера или насадочными телами, имеющими форму, например, колец, шаров для увеличения поверхности фазового контакта и интенсификации перемешивания жидкой и паровой фаз. Массо- и теплообмен в колоннах с насадкой характеризуются не только явлениями молекулярной диффузии, определяющимися физическими свойствами фаз, но и гидродинамическими условиями работы колонны, которые определяют турбулентность потоков: ламинарный, промежуточный и турбулентный, при которых поток пара является сплошным, непрерывным и заполняет свободный объем насадки, не занятый жидкостью, в то время как жидкость стекает лишь по поверхности насадки. Дальнейшее развитие турбулентного движения может привести к преодолению сил поверхностного натяжения и нарушению граничной поверхности между потоками жидкости и пара. При этом газовые вихри проникают в поток жидкости, происходит эмульгирование жидкости паром, и массообмен между фазами резко возрастает. В случае эмульгирования жидкость распределяется не по насадке, а заполняет весь ее свободный объем, не занятый паром; жидкость образует сплошную фазу, а газ – дисперсную фазу, распределенную в жидкости, т.е. происходит инверсия фаз. Насадочную колонну следует рассчитывать, исходя из оптимальной скорости. При превышении оптимальной скорости начинается обращенное движение жидкости снизу вверх, происходит так называемое “захлебывание” колонны и нарушение режима ее работы[3].

Трубчатые пленочные ректификационные колонны состоят из пучка вертикальных труб, по внутренней поверхности которых тонкой пленкой стекает жидкость, взаимодействуя с поднимающимся по трубам паром. Пар поступает из куба в трубки. Флегма образуется в дефлегматоре непосредственно на внутренней поверхности трубок, охлаждаемых водой в верхней их части. Диаметр применяемых трубок 5-20 мм. Эффект работы пленочного аппарата возрастает с уменьшением диаметра трубок. Трубчатые колонны характеризуются простотой изготовления, высокими коэффициентами массопередачи и весьма малыми гидравлическими сопротивлениями движению пара. Многотрубные (и длиннотрубные) колонны с искусственным орошением имеют значительно меньшие габаритные размеры и массу, чем тарельчатые.

Ситчатые колонны применяют главным образом при ректификации спирта и жидкого воздуха. Допустимые нагрузки по жидкости и пару для них относительно невелики, и регулирование режима их работы затруднительно. Массо- и теплообмен между паром и жидкостью в основном происходят на некотором расстоянии от дна тарелки в слое пены и брызг. Давление и скорость пара, проходящего через отверстия сетки, должны быть достаточны для преодоления давления слоя жидкости на тарелке и создания сопротивления ее отеканию через отверстия. Ситчатые тарелки необходимо устанавливать строго горизонтально для обеспечения прохождения пара через все отверстия тарелки, а также во избежание стекания жидкости через них. Диаметр отверстий ситчатой тарелки принимают в пределах 0,8-3,0 мм.

Все ректификационные установки классифицируют на установки периодического и непрерывного действия.

В ректификационных установках периодического действия начальную смесь заливают в перегонный куб, где поддерживается непрерывное кипение с образованием паров. Пар поступает на укрепление в колонну, орошаемую частью дистиллята. Другая часть дистиллята из дефлегматора или концевого холодильника, охлажденная до определенной температуры, через контрольный фонарь поступает в сборник готового продукта. В колоннах периодического действия ректификацию проводят до тех пор, пока жидкость в кубе не достигает заданного состава. Затем обогрев куба прекращают, остаток сливают в сборник, а в куб вновь загружают на перегонку начальную смесь. Установки периодической ректификации успешно применяют для разделения небольших количеств смесей. Большим недостатком ректификационных установок периодического действия является ухудшение качества готового продукта (дистиллята) по мере протекания процесса, а также потери тепла при периодической разгрузке и загрузке куба. Эти недостатки устраняются при непрерывной ректификации [4].

Колонны непрерывного действия состоят из нижней (исчерпывающей) части, в которой происходит удаление легколетучего компонента из стекающей вниз жидкости, и верхней (укрепляющей) части, назначение которой – обогащение поднимающихся паров легколетучего компонента. Схема установки непрерывной ректификации отличается от периодической тем, что питание колонны начальной смесью определенного состава происходит непрерывно с постоянной скоростью; готовый продукт постоянного качества также непрерывно отводится.

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный неравновесный процесс разделения исходной смеси на дистиллят и кубовый остаток.

Ректификация известна с начала 19 века как один из важнейших технологических процессов главным образом спиртовой и нефтяной промышленности. В настоящее время ректификацию все шире применяют в самых различных областях химической технологии, где выделение компонентов в чистом виде имеет весьма важное значение (в производствах органического синтеза, изотопов, полимеров, полупроводников и различных других веществ высокой чистоты).

Список использованных источников

1. Константинов Е.Н., Лобанов А.А. Курсовое проектирование ректификационной установки. – Методическое указание к курсовому проектированию для студентов всех форм обучения направления 240100 – Краснодар: изд. КубГТУ, 2014 –31с.

2. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. – М: Химия, изд. 11е испр., 2009. –750 с.

3. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии, часть 1 – М: Химия, 1995 г. – 400 с.

4. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии, часть 2 – М: Химия, 1995 г. – 368 с.

Код для цитирования: Скопировать