XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

В настоящее время основным процессом нефтеперерабатывающей промыщленности является ректификация. Без нее не обходится ни один завод по переработки нефтепродуктов. А поскольку данный метод позволяет добиться практически полного разделения смесей на их компоненты и признан универсальным, он нашел применение во многих отраслях химического производства.

Нашей задачей будет рассмотреть механизм ректификации, аппараты, используемые для ее осуществления, а также причины, популярности и незаменимости данного метода.

Ректификация-это процесс разделения жидких однородных смесей, состоящих из компонентов, обладающих различной температурой кипения, путем противоточного взаимодействия пара и жидкости. Аппараты в которых протекает этот процесс называются ректификационными колоннами. Сущность ректификации заключается в тепло- и массообмене между паровой и жидкой фазой. В этом и состоит существенное преимущество ректификации перед данного метода перед простой перегонкой. В процессе ректификации происходит противоточный контакт жидкости и пара. Жидкость, в которой доля низкокипящего компонента (он же ЛЛК- легко летучий компонент) выше равновесной y>y^* (у-концентрация ЛЛК в паре, у^*-равновесная концентрация ЛЛК в паре), стекая вниз колонны встречается с паром и отдает ему ЛЛК, а пар, в котором доля ЛЛК ниже равновесной x<x^* (х-концентрация ЛЛК в жидкости, х^*-равновесная концентрация ЛЛК в жидкости), поднимаясь вверх, в свою очередь отдает жидкости высококипящий компонент (он же ТЛК-трудно летучий компонент). В этом наблюдаются схожести ректификации с перегонкой с применением дефлегматором однако для массообмена необходима поверхность раздела фаз, поэтому в колоннах присутствует развитая поверхность соприкосновения между паром и жидкостью. Ее образуют детали, которые называются контактными устройствами. По типу контактных устройств используемых при ректификации ректификационные колонны можно разделить на несколько групп: тарельчатые, насадочные и роторные.

Насадки бывают регулярными и нерегулярными. Нерегулярная насадка представляет собой неупорядоченный слой инертного материала. Инертным материалом являются керамические шары или металлические элементов различной фигуры. Преимущества таких насадок-это малый вес, большая площадь контакта, большая площадь свободного сечения, химическая инертность и дешевизна. А их недостатки-высокое сопротивление слоя насадки, сложность правильного распределения паров и флегмы и невысокий диапазон устойчивой работы.

Регулярные насадки представляют собой скомпанованые в пакеты слои перфорированных металлических листов. Их преимущества-высокая эффективность, малый перепад давления. Но есть у них и значительный недостаток-дороговизна.

Роторные колонны используют для жидкости с большой вязкостью. В такой ректификационной колонне присутствуют ротор, который крутится, размешивая жидкость и снижая ее вязкость. Это увеличивает скорость ее стекания, а следовательно скорость процесса в целом.

Тарельчатые контактные устройства, или просто «тарелки» используют в нефтеперерабатывающей промышленности. В зависимости от технологических условий процесса ректификации в колонну устанавливаются различные типы тарелок: колпачковые, ситчатые, клапанные, с S-образными элементами и т.д.

Для анализа процесса мы будем использовать понятие: теоретическая тарелка. Это теоритически максимально эффективное контактное устройство, на котором достигается равновесие между покидающими ее потоками пара и жидкости. На действительной же тарелке равновесие недостижимо из-за неполного перемещения потоков, малых значений времени и поверхности контакта пара и жидкости.

Рассмотрим же процесс ректификации по подробней. Начальная смесь расходом G_f и составом x_f(x-доля содержания ллк в жидкости) поступает в центр колонны на тарелку, которая называется питательной. Сверху находится концентрационная или укрепляющая часть колонны (в ней пар «укрепляется» ЛЛК) . Снизу отгонная или исчерпывающая часть колонны. На верх концентрационной секции колонны подается орошение жидкостью состава x_d, которая получается в дефлегматоре путем конденсации пара, выходящего из колонны. Это часть конденсата называется флегмой. Другая часть конденсата пара выводится из дефлегматора в виде продукта разделения- дистиллята с расходом G_p и составом x_p. Снизу с отгонной секции отводится жидкость с расходом G_w и составом x_w, которая называется кубовым остатком. При поступлении начальной смеси в виде паров и жидкости в секцию питания происходит процесс однократного испарения в результате которого образуются пары и жидкость, находящиеся в состоянии равновесия. На каждой тарелке (для примера возьмем i-ую тарелку) обеспечивается взаимодействие жидкости состава L, с паром состава G и в пары преимущественно переносится ЛЛК в количестве M, моль/ч, а в жидкость ТЛК в таком же количестве (рисунок 1). Поэтому расход паров G, моль/ч при прохождении через контактное остается неизменным, а мольная доля ЛЛК y, моль/моль, увеличивается от y_i-1 до y_i. Отсюда:

Уходящие с тарелки потоки пара и жидкости имеют составы y_i и x_i неравновесные друг-другу. По теоретическим уравнениям равновесия или по экспериментальным таблицам и графикам равновесия можно определить равновесное по отношению к значению x_i значение y_i* (*-означает, что концентрация равновесная). Разность (y_i^*-y_i-1) является движущей силой в паровой фазе в начале процесса массообмена на тарелке, а разность (y_i^*-y_i) в конце этого процесса (рисунок2).

Эффективностью тарелки E_i называют отношение действительного обогащения (y_i-y_i-1) паров к максимально возможному обогащению, т.е. при достижении равновесия (y_i^*-y_i-1)

Е_iпоказывает долю реализации на действительной тарелке теоретически возможной движущей силы массопередачи.

Согласно основному уравнению массопередачи количество переносимого вещества М, моль/ч, составляет:

Где К-коэффициент массопередачи, моль/(м²*ч); F-поверхность массопередачи, м²; ∆y_cp-среднелогарифмическая движущая сила процесса массопередачи.

Подставляя (1), (5) и (4) в уравнение (3) с учетом уравнения (2), имеем

Отсюда можно выразить эффективность тарелки через коэффициент массопередачи:

Зная велечину Е_i, и узавнения (2) по известному составу паров у_i-1 приходящих на тарелку можно расчитать состав паров у_i покидающих тарелку. Равновесный состав паров у_i^* находится по уравнению или кривой равновесия, согласно составу жидкости х_i покидающей тарелку. Величина х_iсвязанна с составом встречных (в любом сечении) паров y_i-1 уравнением рабочей линии, которое получается из материального баланса по ЛЛК для этого сечения.

R-флегмовое число, которое представляет собой отношение расхода флегмы, к расходу дистиллята.

В координатах x-y это уравнение прямой, отсекающей на оси y (при x=0) отрезок B=x_p/(R+1). Эта прямая пересекается с диагональю при x=x_p.

Рисунок 1- Схема взаимодействия паров и жидкости.

Теперь рассмотрим процесс построения диограммы t-xy, для определения необходимого количества теоретических тарелок (рисунок 3). На оси у нашей дмаграммы отложим заданные составы x_w,х_p,х_f. От х_p проводим вертикаль, до пересечения с диагональю диаграммы и получаем точку «А», где х_р=у_р. Затем, откладываем вертикаль ОВ, с помощью велечины В, которую мы получили ранее, и соединяем точку В с точкой А. Так мы получаем наклон рабочей линии верха колонны. Из точки соответствующей составу х_fпроводим вертикаль до линии пересечения AB в точке D. Прямая AD- рабочая линия верха колонны. Из точки соответствующей Х_wподнимаем вертикаль до пересечения с диагональю в точке С и соединяем ее с точкой D. СD-рабочая линия низа колонны.

После получения графика мы можем графически определить число теоретических тарелок (рисунок 4). Из точки А проведем горизонталь до линии равновесия. Получаем точку 1 из которой проводим вертикаль на рабочую линию. Продолжаем таким образом строить ступени до достижения ими точки x_w. Чило этих ступеней и будет равняться числу теоретических ступеней.

Рисунок 2- Изменение состава паров на тарелке

Чтобы получить количество практических тарелок нам нужно знать такую эмпирическую велечину как КПД тарелки-велечину показывающую степень отклонения реальной тарелки от теоретической. Чаще всего определяется по усредненному для всей колонны значению и равняется отношению количества теоритических тарелок к числу действительных.

Рисунок 3-построение диограммы t-xy.

Рисунок 4- построение теоретических тарелок.

Вывод:

Опираясь на вышесказанное, можно с уверенностью сказать, что способ ректификации еще очень долгие годы так и останется основным способом разделение смесей по температуре кипения. Данный метод имеет множество плюсов, а в частности: 1) возможность графического расчета или исследования отдельных частей процесса. 2) за многолетнюю практику накопилось огромное количество опытных данных, что позволяет проводить вычисления на основе эмпирических данных, что делает расчет аппарата быстрее и проще. 3) при ректификации можно получить практически абсолютно чистый продукт 4) с помощью ректификации можно проводить многокомпонентное разделение смесей. Все это делает ректификацию простой доступной и надежной, что и необходимо успешному производству.

Список использованных источников:

ЭЛЕКТРОННЫЙ УМКД "ФИЗИЧЕСКАЯ И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ: УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ ДЛЯ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАПРАВЛЕНИЯ" Боровская Л.В. ФГУП НТЦ «ИНФОРМРЕГИСТР». Москва, 2010.

ЭЛЕКТРОННЫЙ УЧЕБНИК ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ. ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА Данилин В.Н., Шурай П.Е., Боровская Л.В. Краснодар, 2010.

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БИНАРНЫХ СИСТЕМ IN-CD, BI-CD, GA-IN, GA-SN МЕТОДОМ ДСК Боровская Л.В., Данилин В.Н., Доценко С.П.
В книге: Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов IX Российская конференция. 1998. С. 72-76.

Код для цитирования: Скопировать