Что такое ректификация? Описание процесса и применение в промышленности. Процесс ректификации в ректификационной колонне Характеристика процесса ректификации

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

1. Технологическая схема и ее описание

2.Технологический расчет

2.1Расчет ректификационной колонны

2.2 Материальный баланс

4. Расчет тепловой установки

3. Тепловой расчет колонны

Заключение

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Ректификация - один из способов разделения жидких смесей основанный на различном распределении компонентов смеси между жидкой и паровой фазами. В качестве аппаратов служащих для проведения ректификации используются ректификационные колонны - состоящие из собственно колонны, где осуществляется противоточное контактирование пара и жидкости, и устройств, в которых происходит испарение жидкости и конденсация пара - куба и дефлегматора. Колонна представляет собой вертикально стоящий полый цилиндр, внутри которого установлены так называемые тарелки (контактные устройства различной конструкции) или помещен фигурный кусковой материал - насадка. Куб и дефлегматор - это обычно кожухотрубные теплообменники (находят применение также трубчатые печи и кубы-испарители).

Назначение тарелок и насадки - разделение межфазной поверхности и улучшение контакта между жидкостью и паром. Тарелки, как правило, снабжаются устройством для перелива жидкости. В качестве насадки ректификационных колонн обычно используются кольца, диаметр которых равен их высоте.

Как в насадочных, так и в тарельчатых колоннах кинетическая энергия пара используется для преодоления гидравлического сопротивления контактных устройств и для создания динамической дисперсной системы пар - жидкость с большой межфазной поверхностью. Существуют также ректификационные колонны с подводом механической энергии, в которых дисперсная система создаётся при вращении ротора, установленного по оси колонны. Роторные аппараты имеют меньший перепад давления по высоте, что особенно важно для вакуумных колонн. По способу проведении различают - непрерывную и периодическую ректификацию.

В первом случае разделяемая смесь непрерывно подается в ректификационную колонну, а из колонны непрерывно отводятся две или более число фракций, обогащенных одними компонентами и обедненных другими. Полная колонна состоит из двух секций укрепляющей и исчерпывающей. Исходная смесь (обычно при температуре кипения) подается в колонну, где смешивается с так называемой извлеченной жидкостью, стекающей по контактным устройствам (тарелкам или насадке) исчерпывающей секции противотоком к поднимающемуся потоку пара. Достигая низа колонны, жидкость обогащается тяжелолетучими компонентами. В низу жидкость частично испаряется в результате нагрева подводящимся теплоносителем, и пар снова поступает в исчерпывающую секцию. Пройдя её, обогащенный легколетучими компонентами, пар поступает в дефлегматор, где обычно полностью конденсируется подходящим хладагентом. Полученная жидкость делится на два потока - дистиллят и флегму. Дистиллят является продуктовым потоком, а флегма поступает на орошение укрепляющей секции, по контактным устройствам которой стекает. Часть жидкости выводится из куба колонны в виде так называемого кубового остатка (также продуктовый поток).

Если исходную смесь нужно разделить непрерывным способом на число фракций больше двух, то применяется последовательное либо параллельно - последовательное соединение колонн.

При периодической ректификации исходная жидкая смесь единовременно загружается в куб колонны, ёмкость которая соответствует желаемой производительности. Пары поступают в колонну и поднимаются к дефлегматору, где происходит их конденсация. В начальный период весь конденсат возвращается в колонну, что отвечает режиму полного орошения. Затем конденсат делится на дистиллят и флегму. По мере отбора дистиллята (либо при постоянном флегмовом числе, либо с его изменением из колонны выводятся сначала легколетучие компоненты, затем среднелетучие и так далее). Нужную фракцию (или фракции) отбирают в соответствующий сборник. Операция продолжается до полной переработки первоначально загруженной смеси.

Основные области промышленного применения ректификации - получение отдельных фракций и индивидуальных углеводородов из нефтяного сырья в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, окиси этилена, акрилонитрила, акрилхлорсиланов - в химической промышленности. Ректификация широко используется и в других отраслях народного хозяйства: коксохимической, лесохимической, пищевой, химико-фармацевтической промышленностях.

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА И ЕЕ ОПИСНИЕ

Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рис.1.1

Схема ректификационной установки непрерывного действия

1 - емкость для исходной смеси; 2 - подогреватель; 3 - колонна;

4 - кипятильник; 5 - дефлегматор; 6 - делитель флегмы; 7 - холодильник; 8 - сборник дистиллята; 9 - сборник кубового остатка.

Исходную смесь из емкости 1 центробежным насосом подают в теплообменник 2, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 3, где состав жидкости равен составу исходной смеси xF . Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава хР, получаемой в дефлегматоре 5 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в емкость 8.

Из кубовой части колонны насосом непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 7 и направляется в емкость 9.

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

2.ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

2.1 Расчет ректификационной колонны

2.2 Материальный баланс

Зная производительность колонны и необходимые концентрации, определим недостающие данные, т. е. Производительность по дистилляту и по кубовому остатку (GW и GD), на основании уравнений материального баланса.

Отсюда найдем:

0,83-0,31=0,52 кг/с

где - мольные доли легколетучего компонента в жидкости, а - концентрация легколетучего компонента в паре, находящаяся в равновесии с жидкостью (питанием исходной смеси).

Пересчитаем составы фаз из массовых в мольные доли по соотношению

где Мч и Мт - молекулярные массы соответственно четыреххлористого углерода и толуола, кг/кмоль.

Низкокипящий компонент (легколетучий) - четыреххлористый углерод

Высококипящий компонент (труднолетучий) - толуол

кмоль/кмоль смеси.

кмоль/кмоль смеси

Уравнение рабочей линии верхней укрепляющей части колонны

По диаграмме y-x находим при соответствующем значении, таким образом = 0,68

Относительный мольный расход

Средние массовые расходы (нагрузки) по жидкости для верхней и нижней частей колонны определяются из соотношений:

где MP и MF - мольные массы дистиллята и исходной смеси;

МВ и МН - средние мольные массы жидкости в верхней и нижней частях колонны.

Мольную массу дистиллята в данном случае можно принять равной мольной массе легколетучего компонента - четыреххлористый углерод. Мольная масса жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равна:

где Мч и МТ - мольные массы четыреххлористого углерода и толуола;

хср.в и хср.н - средний мольный состав жидкости соответственно в верхней и нижней части колонны:

Мольная масса исходной смеси

Мольная масса дистиллята

Подставив, получим:

Средние массовые потоки пара в верхней GВ и нижней GН частях колонны соответственно равны:

Здесь и - средние мольные массы паров в верхней и нижней частях колонны:

Подставив, получим:

2.3 Расчет скорости и диаметра колонны

Расчёт скорости пара для тарельчатых ректификационных колонн с ситчатыми тарелками выполняется по следующему уравнению:

с коэффициент, зависящий от конструкции тарелок, расстояния между тарелками, рабочего давления колонны, нагрузки колонны по жидкости. Зададим расстояние между тарелками h=300мм. По h определим из графика с=f(h) приведенного на рисунке 7.2 учебника значение коэффициента с=0,032.

Найдём плотности жидкости хв и хн и пара ув и ун в верхней и нижней частях колонны при средних температурах в них tB и tН. Средние температуры паров определяем по диаграмме t -x,y.

tв = 86 C; tн = 105 C

Рассчитаем плотности жидкой фазы вверху и внизу колонны:

где xоб.в,xоб.н - объемные концентрации жидкой фазы соответственно вверху и внизу колонны.

Допустимая скорость в верхней и нижней частях колонны соответственно равна:

Так как полученные скорости мало отличаются друг от друга, в расчёте используем среднюю скорость паров:

= (0,54+0,52)/2 = 0,53 м/с

Ориентировочный диаметр колонны определяют из уравнения расхода:

Принимаем средний массовый поток пара в колонне равным полусумме GВ и GH:

G = (1,4+1,6)/2 = 1,28 кг/с

Средняя плотность паров:

Диаметр колонны

Выберем стандартный диаметр обечайки колонны по каталогу d = 800 мм. При этом действительная рабочая скорость пара будет равна:

0, (0,79/0,8)2 = 0,6 м/с

Для колонны диаметром 800 мм выбираем тарелку ТСК-Р со следующими конструктивными размерами:

Диаметр отверстий в тарелке do=3мм

Шаг между отверстиями t=7мм

Высота переливного порога hпер=30мм

Ширина переливного порога b=0,4м

Рабочее сечение тарелки St=0,41м2

Скорость в рабочем сечении тарелки

T=*0,785*d2/ST=0,6*0,785*0,82/0,41=0,74 м/с

2.4 Высота светлого слоя жидкости на тарелке и паросодержания барботажного слоя

Высоту светлого слоя жидкости hо для ситчатых тарелок находим по уравнению

ho = 0,787 , (2.30)

где удельный расход жидкости на 1м ширины сливной перегородки,

b - ширина сливной перегородки, м;

высота переливной перегородки, м;

динамический коэффициент вязкости жидкости, мПа с;

m - показатель степени;

поверхностное натяжение жидкости, мН/м;

поверхностное натяжение воды, мН/м.

Для смеси нормальных жидкостей в верхней и нижней частях колонны значение вязкости мсм может быть вычислена по формулам:

где, динамические коэффициенты вязкости четыреххлористого углерода и толуола вверху и внизу.

Высота светлого слоя:

а) для верхней части колонны:

б) для нижней части колонны:

Для верхней части колонны

Для нижней части колонны

2.5 Расчет тарелок и высота колонны

Рт=559 мм.рт.ст.

РCCL4=1475 мм.рт.ст.

Для определения к.п.д. тарелок находим коэффициент относительной летучести разделяемых компонентов б=Рт/РССL4 и динамический коэффициент вязкости исходной смеси м при средней температуре в колонне.

б=1475/559=2,64

Динамический коэффициент толуола равен 0,29 сП, четыреххлористого углерода 0, 32 сП

м= (мссl4-µt)/2=(0,29+0,32)/2=0,36

бµ=2,64*0,36=0,954

По графику кпд равно 0,48.

По графику находим значение поправки на длину пути =0,185

Средний кпд тарелок:

l=(1+)=0,48*(1+0,185)=0,57

Число реальных тарелок рассчитывается по уравнению

Высота тарельчатой части

Нт = (n - 1) h = (14 - 1) 0,3 = 6,6м

3. Гидравлический расчет сопротивления тарелок

Гидравлическое сопротивление тарелок колонны РК определяют по формуле:

где РВ и РН - гидравлическое сопротивление одной тарелки соответственно верхней и нижней части колонны, Па.

Полное гидравлическое сопротивление одной тарелки складывается из трёх слагаемых.

Гидравлическое сопротивление сухой тарелки рассчитаем по уравнению:

Коэффициент сопротивления /Примем = 1,5.

Гидравлическое сопротивление газо-жидкостного слоя (пены) на тарелках будет различным в верхней и нижней частях колонны:

Гидравлическое сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжения, равно:

Тогда полное сопротивление одной тарелки равно:

Тогда полное сопротивление ректификационной колонны:

4. РАСЧЕТ ТЕПЛОВОЙ УСТАНОВКИ

Qд = GD(1 + R)rD

Qд = 0,52(1+1,8)* 204*103 = 297*103 Вт

где rD - теплота конденсации флегмы

rD = ra *xD + (1 - xD)rв

rD = 0,95*195*103+0,01*394*103=204*103 Дж/кг

где rс = 195*103 Дж/кг - теплота конденсации четыреххлористого углерода,

rт = 394*103 Дж/кг-теплота конденсации толуола.

Расход теплоты получаемой в кубе-испарителе от греющего пара, находим по уравнению:

Qk=QД +GD*CD*tD+GW*CW*tW-Gf*Cf*tf

Qk=1,03*(297*103+0,52*0,46*4190*80+0,31*4190*110,6*0,46-0,83*0,455*4190*93)= 305*103

Расход теплоты в паровом подогревателе исходной смеси:

Q=1.05*Gf*Cf*(tf-tнач) = 1, 05*0, 83*4190*(93-18) =274*103Вт (3.4)

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике дистиллята:

Q= GD*CD*(tD-tкон) = 0,52*0, 46 *4190*(80-25) =155020Вт (3.5)

Расход теплоты, отдаваемой охлаждающей воде в водяном холодильнике кубового остатка:

Q= GW*CW*(tW -tкон) = 0, 31*0, 46*4190*(110, 9-25) =202010Вт (3.6)

Расход греющего пара:

а) в кубе - испарителе

Gг.п =Qk/rг.п= 305*103/2141*103=0, 42 кг/с (3.7)

б) в подогреватели исходной смеси

Gг.п =274*103/2141*103=0, 12 кг/с

Всего: 0,42+0,12=0,54 кг/с или т/ч

Расход охлаждающей воды при нагреве ее на 200С:

а) в дефлегматоре

Vв=QД/Св*(tкон - tнач)*св =297*103/4190*20*1000 = 0, 0035 м3/с (3.8)

б) в водном холодильнике дистиллята

Vв=155,020*103/4190*20*1000 = 0,0184 м3/с

в) в водяном холодильнике кубового остатка

Vв= 202,010*103/4190*20*1000 = 0,0024 м3/с

установка ректификационный действие непрерывный

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном курсовом проекте в результате проведённых инженерных расчетов была подобрана ректификационная установка для разделения бинарной смеси четыреххлористый углерод - толуол, с ректификационной колонной диаметром D = 0,8(м), высотой H = 6,6 (м), в которой применяется ситчатые тарелки, расстояние между которыми h = 0,3(м). Колонна работает в нормальном режиме.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Основные процессы и аппараты химической технологии /Пособие по проектированию / Под. ред. Ю.И. Дытнерского.- М: Химия, 1983 - 272 с.

Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии /Учебное пособие/, К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков, 9-ое изд. перераб. и дополнен. Л. Химия,1987-575с.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Сущность процесса периодической ректификации бинарных смесей. Принципы работы непрерывно действующей ректификационной установки для разделения бинарных смесей. Расчет материального и теплового баланса. Определение скорости пара и диаметра колонны.

курсовая работа , добавлен 24.10.2011

Суть и назначение ректификации - диффузионного процесса разделения жидких смесей взаимно растворимых компонентов, различающихся по температуре кипения. Расчет материального баланса. Определение скорости пара и диаметра колонны. Тепловой расчет установки.

контрольная работа , добавлен 24.10.2011

Принципиальная схема ректификационной установки. Технологический расчет ректификационной колонны непрерывного действия. Основные физико-химические и гидравлические свойства паровой и жидкой фаз для верха и низа колонны. Локальная эффективность контакта.

курсовая работа , добавлен 05.12.2010

Основы процесса ректификации и расчета ректификационных колонн. Схема работы и виды колпачковых тарелок. Принципиальная схема процесса ректификации. Тепловой расчёт установки. Расчет тарельчатой ректификационной колонны. Подробный расчет дефлегматора.

курсовая работа , добавлен 20.08.2011

Описание установки непрерывного действия для ректификации. Определение рабочего флегмового числа и диаметра колонны. Вычисление объемов пара и жидкости. Расчет кипятильника. Выбор насоса для выдачи исходной смеси на установку, анализ потерь напора.

курсовая работа , добавлен 26.11.2012

Разработка ректификационной установки для непрерывного разделения смеси: ацетон - уксусная кислота. Расчет диаметра, высоты, гидравлического сопротивления ректификационной колонны. Определение теплового баланса и расхода греющего пара, охлаждающей воды.

курсовая работа , добавлен 24.10.2011

Расчет ректификационной колонны непрерывного действия с ситчатыми тарелками для разделения смеси этанол-вода производительностью 5000 кг/час по исходной смеси. Материальный и тепловой баланс, размеры аппарата и нормализованные конструктивные элементы.

курсовая работа , добавлен 13.05.2011

Анализ результатов расчета ректификационной колоны непрерывного действия, предназначенной для разделения бинарной смеси метиловый спирт - этиловый спирт. Материальный баланс, расчет тепловой изоляции колонны, вспомогательного оборудования, кипятильника.

дипломная работа , добавлен 17.04.2011

Характеристика технологического процесса ректификации; расчет установки для разделения смеси этанол-метанол производительностью 160 т/сут. Определение режима работы колонны, материальных потоков, теплового баланса; гидравлический расчет ситчатой тарелки.

курсовая работа , добавлен 17.12.2012

Процесс ректификации играет ведущую роль среди процессов разделения промышленных смесей. В промышленности разделению подвергаются многокомпонентные смеси как простых зеотропных, так и сложных азеотропных смесей. Методы разделения неидеальных смесей.

Одним из наиболее распространенных методов разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или большего числа компонентов, является перегонка (дистилляция и ректификация). В широком смысле перегонка представляет собой процесс, включающий частичное испарение разделяемой смеси и последующую конденсацию образующихся паров, осуществляемые однократно или многократно. В результате конденсации получается жидкость, состав которой отличается от состава исходной смеси.

Ректификация представляет собой процесс многократного частичного испарения жидкости и конденсации паров. Процесс осуществляется путем контакта потоков пара и жидкости, имеющих различную температуру, и проводятся обычно в колонных аппаратах. При каждом контакте из жидкости испаряется преимущественно низкокипящий компонент (НКК), которым обогащаются пары, а из паров конденсируются преимущественно высококипящий компонент (ВКК), переходящий в жидкость. Такой двусторонний обмен компонентами, повторяемый многократно, позволяет получить, в конечном счете, пары, представляющие собой почти чистый НКК. Эти пары после конденсации в отдельном аппарате дают дистиллят (ректификат) и флегму - жидкость, возвращаемую для орошения колонны и взаимодействия с поднимающимися парами. Пары получают путем частичного испарения снизу колонны остатка, являющегося почти чистым ВКК.

Процессы ректификации осуществляются в аппаратах, технологическая схема которых зависит от назначения аппарата и давления в нем, а конструкция - от способа организации контакта фаз.

При ступенчатом осуществлении процесса ректификации в колонных аппаратах контакт пара и жидкости может происходить в противотоке (на тарелках провального типа), в перекрестном токе (на колпачковых тарелках), в прямотоке (струйные тарелки).

Если процесс ректификации осуществляется непрерывно во всем объеме колонного аппарата, то контакт пара и жидкости при движении обеих фаз может происходить только в противотоке. Современные ректифицирующие аппараты можно классифицировать в зависимости от технологического назначения, давления и внутреннего устройства, обеспечивающего контакт между паром и жидкостью.

По технологическому назначению ректификационные аппараты подразделяются на колонны атмосферно-вакуумных установок, термического и каталитического крекингов, вторичной перегонки нефтепродуктов, а также для ректификации газов, стабилизации легких нефтяных фракций и т.д.

К современным ректификационным аппаратам предъявляются следующие требования: высокая разделительная способность и производительная способность, достаточная надежность и гибкость в работе, низкие эксплуатационные расходы, небольшой вес и простота, техничность конструкции.

Последние требования не менее важны чем первые, поскольку они не только определяют капитальные затраты, но и в значительной мере влияют на величину, эксплутационных расходов, обеспечивают легкость и удобства изготовления аппарата, монтажа и демонтажа, ремонта, контроля, испытания, а также безопасность эксплуатации и пр.

Кроме перечисленных выше требований ректификационные аппараты должны отвечать также требованиям государственных стандартов, ведомственных нормалей и инспекций Гостехнадзора.

Технологическая схема аппарата зависит от состава разделяемой смеси, требований к качеству получаемых продуктов, от возможностей уменьшения энергетических затрат, назначения аппарата, его места в технологической цепочке всей установки и от многих других факторов.

Процесс ректификации жидких смесей осуществляется на ректификационных установках, состоящих из нескольких аппаратов. Рассмотрим принцип разделения двухкомпонентной смеси ректификацией на примере работы подобной установки (рис. 10.1). Подлежащая разделению смесь непрерывно подается в ректификационную колонну через ввод, расположенный несколько выше середины корпуса колонны. Введенная жидкая смесь опускается по контактным устройствам (тарелкам) в нижнюю часть колонны, называемую кубом. Навстречу потоку жидкости поднимается пар, образующийся в результате кипения жидкости в кубе колонны. Образующиеся пары содержат в основном НКК и некоторое количество ВКК. При взаимодействии пара с жидкостью на тарелках колонны ВКК конденсируется и уносится вниз колонны потоком жидкости. За счет этого в поднимающихся парах возрастает количество НКК . Таким образом, при подъеме паров они обогащаются НКК , в то время как жидкость, стекающая вниз, обогащается ВКК .

Исходная смесь из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подается в теплообменник 3, где подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси. Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка, т. е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом

Рис. 10.1. Принципиальная схема ректификационной установки:

1 - ёмкость для исходной смеси; 2, 9 - насосы; 3- теплообменник- подогреватель исходного сырья; 4 – кипятильник; 5 – ректификационная колонна; 6 – дефлегматор; 7 – холодильник дистиллята; 8 – емкость для сбора дистиллята; 10 – холодильник кубовой жидкости; 11 – емкость для кубовой жидкости.

Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой), которая получается в дефлегматоре 6 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7, и направляется в промежуточную емкость 8.

Из кубовой части колонны насосом 9 непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащенный труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике 10 и направляется в емкость 11.

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

Ректификацию многокомпонентных смесей, а они в практике встречаются чаще, чем двухкомпонентные, протекает по рассмотренной выше схеме, хотя число используемой при этом аппаратуры увеличивается.

В ректификационных установках используют главным образом аппараты двух типов: колонны со ступенчатым контактом фаз (тарельчатые) и непрерывным контактом (пленочные и насадочные).

Ректификацию многокомпонентных смесей можно проводить в различной последовательности, с использованием многих простых колонн (на одну меньше числа компонентов исходной смеси) и с использованием одной сложной колонны.

Для процесса ректификации в основном применяют тарельчатые колонны. В них устанавливают горизонтальные тарелки с устройствами, обеспечивающими хороший контакт между жидкостью и паром.

Диаметр колонны определяют в зависимости от производительности установки и скорости паров в колонне, которую выбирают в пределах 0,6 - 1,0 м/с . Находят применение ректификационные колонны различных размеров: от небольших колонн диаметром 300 - 400 мм до высокопроизводительных установок, с колоннами диаметром 6, 8, 10, 12 м и более.

Высота колонны зависит от числа тарелок и расстояния между ними. Чем меньше расстояние между тарелками, тем ниже колонна. Однако при уменьшении расстояния между тарелками увеличивается унос брызг и возникает опасность перебросав жидкости с нижних тарелок на верхние, что существенно уменьшает к.п.д. установки. Расстояние между тарелками обычно принимают в зависимости от диаметра колонны с учетом возможности ремонта и чистки колонны. Рекомендуемые расстояния между тарелками ректификационных колонн в зависимости от их диаметра приведены ниже:

Диаметр колонны, мм до 800, 800 - 1600, 1600 - 2000

Расстояние между тарелками, мм 200 -350, 350 - 400, 400 - 500

Диаметр колонны, мм от 2000 - 2400 и свыше 2400

Расстояние между тарелками, мм 500 - 600, свыше 600.

Число тарелок ректификационной колонны или высота насадки определяются технологическим расчетом; оно зависит от физико-химических свойств разделяемых компонентов, требуемой чистоты разделения и к.п.д. тарелки. Обычно ректификационные колонны имеют 10 - 30 тарелок, но колонны для разделения смесей с близкими температурами кипения насчитывают сотни тарелок и имеют соответственно высоту до 30 - 90 м .

Ректификационные колонны работают обычно при атмосферном или небольшим избыточным давлением. Ограниченное применение находят вакуумные колонны и колонны, работающие при повышенном давлении. Ректификацию под вакуумом применяют в том случае, когда хотят снизить температуру в колонне, что бывает необходимо при разделении компонентов с высокой температурой кипения или веществ, нестойких при высокой температуре. Ректификацию под повышенным давлением используют для разделения сжиженных газов и легколетучих жидкостей.

Ректификация — процесс разделения смесей взаимно растворимых компонентов, различающихся по температурам кипения, путем противоточного многократного контактирования неравновесных жидкости и пара. Контактирование осуществляется, как правило, в колонных аппаратах на тарельчатых или насадочных контактных устройствах противоточно — пар снизу вверх, жидкость сверху вниз.

Колонный аппарат представляет собой вертикальную стальную трубу с размещенными внутри контактными устройствами. В тарельчатых колоннах контакт происходит ступенчато на отдельных ступенях, называемых тарелками (ситчатые, колпачковые, клапанные и т.д.), обычно путем барботажа пара сквозь слой жидкости или путем распылительного перемешивания, или другим способом, обеспечивающим максимально эффективный тепло- и массообмен. В насадочных колоннах контакт осуществляется непрерывно между паром и жидкой пленкой в слое насадки с развитой поверхностью, которой заполнена колонна (щебень, кольца, пружины, сетки и т.п.).

Жидкость, относительно богатая легкокипящими компонентами, имеющая относительно более низкую температуру, поступает на контактное устройство сверху. Пар, богатый высококипящими компонентами, имеющий более высокую температуру, поступает на контактное устройство снизу. На контактном устройстве жидкость и пар стремятся к равновесию путем тепло- и массообмена. Если равновесие между паром и жидкостью, покидающими контактное устройство достигается, то такое контактное устройство называется теоретической ступенью или теоретической тарелкой.

Простая дистилляция («самогонный аппарат») обеспечивает однократный хороший контакт жидкости и пара и эквивалентна одной теоретической ступени. Реальные тарелки промышленных колонн имеют эффективность 0,3...0,8 теоретической ступени. Для насадочных колонн есть величина, называемая высотой эквивалентной теоретической тарелке, — это высота слоя насадки, массообменная эффективность которого эквивалентна одной теоретической ступени. Эта высота может быть 100...600мм. На контактных устройствах пар обогащается низкокипящим компонентом, а жидкость высококипящим. Проходя последовательно ряд ступеней, жидкость и пар достигают заданных концентраций компонентов. Вверху колонны концентрируется низкокипящие компоненты, внизу — высококипящие. Наращивая число ступеней, можно получить любую заданную четкость разделения компонентов. По высоте колонны концентрации компонентов меняются иногда весьма нелинейно.

В аппаратах непрерывной ректификации сырье вводят примерно на середине высоты колонны, т.е. на ту тарелку, где концентрации компонентов примерно равны таковым у сырья. Сверху колонны отбирают дистиллят, богатый низкокипящими компонентами. Снизу отбирают остаток, богатый высококипящими компонентами. Пары с верхней тарелки колонны охлаждаются в конденсаторе, часть в виде паров или жидкости отбирается как дистиллят, остальное возвращается в колонну в виде жидкости. Жидкость с нижней тарелки нагревается в кипятильнике, часть жидкости отбирается как нижний продукт (остаток), остальное в виде пара возвращается в колонну.

Отношение массового расхода жидкости, поступающей из конденсатора в колонну, к массовому расходу дистиллята называется флегмовым числом . Отношение массового расхода паров из кипятильника к массовому расходу остатка называется паровым числом . Эти числа характеризуют режим работы верхней (выше питания) и нижней (ниже питания) секций колонны. Чем выше флегмовое (и паровое) число, тем легче (меньшим числом ступеней) достигается заданная четкость раделения смеси ректификацией, но также возрастают удельные затраты энергии и уменьшается производительность колонны. Флегмовое (и паровое) число не может быть меньше определенного минимального, при котором заданная четкость ректификации не достигается при сколь угодно большом числе ступеней.

При периодической ректификации в кипятильник соответствующего объема (называемый кубом колонны) загружается порция сырья, в процессе ректификации сырье не добавляют и состав кубового остатка непрерывно меняется от состава сырья до заданного высококипящего остатка. Соответственно сверху колонны отбирают дистиллят изменяющегося по времени состава. Если число компонентов смеси невелико (2...5), а количество ступеней и флегмовое число достаточны для сравнительно четкого разделения, то состав дистиллята и температура на верхней тарелке изменяется ступенчато, вначале дистиллят состоит из концентрированного самого низкокипящего компонента (назовем его первым компонентом), затем следует короткий переходный период, когда дистиллят представляет собой смесь переменного состава, в которой концентрация первого компонента убывает, а концентрация второго компонента возрастает, далее дистиллят состоит из концентрированного второго компонента, и т.д. для всех компонентов. Дистиллят переходных периодов традиционно называют bad cuts, его смешивают со следующей порцией сырья.

Если четкость разделения невелика и/или количество компонентов велико (нефтяные смеси), то ступенчатость состава дистиллята становится незаметной, состав дистиллята и температура на верхней тарелке меняются непрерывно. Многокомпонентные смеси могут быть разделены на индивидуальные компоненты повторной ректификацией узких фракций дистиллятов, содержащих уже небольшое число компонентов. Особенности ректификации нефтяных смесей обусловлены требованиями к качеству разделения на фракции и тем, что нефтяные смеси состоят из тысяч компонентов. Многокомпонентность нефтяных смесей обуславливает непрерывный состав дистиллята при периодической ректификации для любого практически достижимого числа ступеней и флегмового числа.

Качество разделения на фракции определяется по результатам простой дистилляции (стандарт ASTM D86) проб данной фракции, по температурам 5% и 95% отгона. Стандартами на соответствующие нефтепродукты определяется, что перекрытие температур 95% и 5% отгона между соседними фракциями должно быть не более 10...15С. Например, если 95% бензиновой фракции, полученной на данной колонне, отгоняется по D86 не более чем при 180С, то 5% дизельной фракции, полученной на этой же колонне, должно отгоняться по D86 не менее чем при 170С.

В ректификационной колонне (рисунок 2.2) снизу движутся пары, а сверху навстречу парам подают жидкость, представляющую собой почти чистый низкокипящий компонент (флегма). На каждой тарелке колонны пар и жидкость вступают в контакт. При этом из пара

конденсируется преимущественно высококипящий компонент, а из флегмы испаряется преимущественно низкокипящий компонент (рисунок 2.3).

В результате этого составы пара и жидкости изменяются, приближаясь к равновесным. Пар становится богаче низкокипящим компонентом, а жидкость насыщается высококипящим компонентом. Пар конденсируют в конденсаторе. Часть этого конденсата идет в виде флегмы на орошение колонны, а другую часть – дистиллят отбирают как готовый продукт. Жидкость, выходящую из нижней части колонны, называют кубовым остатком.

Рисунок 2.2 – Схема ректификационной колонны

Рисунок 2.3 – Схема взаимодействия жидкости и пара

Обычно ректификационный аппарат состоит из двух частей – верхней и нижней, каждая из которых представляет собой организованную поверхность контакта фаз между паром и жидкостью. Исходная смесь F подается в среднюю часть колонны и в результате процесса делится на две части: часть, обогащенную низкокипящим компонентом (НК) – дистиллят D , и часть, обедненную НК – кубовый остаток W .

2.3.3 Непрерывная ректификация

При осуществлении непрерывной ректификации исходная смесь вводится на тарелку питания, которая делит колонну на две части (рисунок 2.4). В верхней части колонны должно быть обеспечено возможно большее укрепление паров, т.е. обогащение их НК с тем, чтобы в дефлегматор направлялись пары, близкие по составу к чистому HК. Поэтому данная часть колонны называется укрепляющей. В нижней части колонны (от питающей до нижней тарелки) необходимо в минимальной степени удалить из жидкости низкокипящий компонент, т.е. исчерпать жидкость для того, чтобы в кипятильник стекала жидкость, близкая по составу к чистому высококипящему компоненту. Соответственно эта часть колонны называется исчерпывающей.

1 – ректификационная колонна (1а – укрепляющая часть, 1б – исчерпывающая часть); 2 – кипятильник; 3 – дефлегматор; 4 – делитель флегмы; 5 – подогреватель исходной смеси; 6 – холодильник дистиллята (или холодильник-конденсатор); 7 – холодильник остатка (или нижнего продукта); 8,9 – сборники; 10 – насосы

Рисунок 2.4 – Схема ректификационной установки непрерывного действия

Пар для питания ректификационной колонны образуется в кубе путем испарения части жидкocти, поступающей в куб; жидкость для орошения аппарата W (флегма) получается в дефлегматоре путем конденсации пара, имеющего состав, аналогичный составу дистиллята.

Тепло, необходимое для испарения смеси, сообщается ей в кубе. В дефлегматоре производится отвод тепла, вследствие чего поступающие в него пары полностью или частично конденсируются.

Уравнения материального баланса ректификационной колонны непрерывного действия:

, (2.1)

, (2.2)

где F , D , W – массовые или мольные расходы питания, дистиллята и кубового остатка;

–содержание низкокипящего компонента в питании, дистилляте и кубовом остатке, массовые или мольные доли.

Уравнения рабочих линий:

а) верхней (укрепляющей) части ректификационной колонны

, (2.3)

б) нижней (исчерпывающей) части колонны

, (2.4)

где y и x – переменные по высоте колонны неравновесные концентрации, мольные доли легколетучего компонента в паре и в жидкости в данном сечении колонны;

R = Ф / D – флегмовоe число;

–относительный (на 1 кмоль дистиллята) мольный расход питания.

В ректификационной колонне, в отличие от абсорбционной, принимают на основании теоретических предпосылок постоянными по высоте колонны общие мольные расходы пара и жидкости, в соответствии с этим в уравнениях (2.3) и (2.4) применяются мольные расходы и концентрации. В верхней части колонны, выше ввода исходной жидкой смеси, постоянный по высоте колонны мольный расход жидкости равен
, в нижней части колонны он равен . Постоянный по высоте мольный расход пара одинаков в верхней и нижней частях колонны.

Рис. 10.1. Принципиальная схема ректификационной установки:

Диаметр колонны, мм до 800, 800 - 1600, 1600 - 2000

Расстояние между тарелками, мм 200 -350, 350 - 400, 400 - 500

Диаметр колонны, мм от 2000 - 2400 и свыше 2400

Расстояние между тарелками, мм 500 - 600, свыше 600.