Ректификационна колонна

Введение

 

Для разделения смеси жидкости обычно прибегают к перегонке, основанной на разной температуре кипения компонентов  смеси. Для достижения наиболее полного  разделения компонентов применяют  ректификацию. Ректификация – процесс разделения гомогенных смесей летучих жидкостей путём двустороннего массообмена и теплообмена между неравновесными жидкой и паровой фазами, имеющими различную температуру и движущимися противоположно друг другу.

Разделение осуществляется обычно в колонных аппаратах с контактными элементами: тарелками или насадками. При каждом контакте фаз из  жидкости испаряется преимущественно низкокипящий  компонент, которым обогащаются пары, а из паровой фазы конденсируется преимущественно высококипящий  компонент, переходящий в жидкость. В результате обмена компонентами между фазами, в конечном счете, пары представляют собой почти чистый низкокипящий компонент.

По способу проведения ректификацию разделяют на периодическую и непрерывную.

При непрерывной - разделяемая смесь непрерывно подается в среднюю часть колонны, дистиллят отбирается из дефлегматора, а обедненный легколетучим компонентом остаток отводится из куба колонны, флегма поступает на орошение в верхнюю часть колонны.

При периодической ректификации в  нижнюю часть (куб) колонны, снабженной нагревательным устройством, загружают исходную смесь; образующийся пар поднимается верх и конденсируется в дефлегматоре (холодильнике), часть конденсата (флегма) возвращается на орошение в верхнюю часть колонны, а оставшаяся жидкость отбирается.

Ректификация применима для разделения как бинарных, так и многокомпонентных смесей. В промышленности наиболее часто разделяют не бинарные, а многокомпонентные смеси, ректификация которых является более сложным и менее изученным процессом. Также при разделении многокомпонентных смесей усложняется и аппаратурное оформление процесса ректификации. Многокомпонентную смесь нельзя разделить в одной колонне подобно бинарной смеси. В общем случае число колонн для ректификации многокомпонентной смеси должно быть на одну меньше, чем число компонентов, на которые разделяется смесь.

Ректификация известна с начала девятнадцатого века, как один из важнейших технологических процессов главным образом в спиртовой и нефтяной промышленности. В настоящее время ректификацию всё шире применяют в самых различных областях химической технологии, где выделение компонентов в

  чистом виде имеет весьма важное значение (в производных органического синте-

за, изотопов, полупроводников и различных других веществ высокой чистоты), а также для разделения газовых смесей после их сжижения (разделение воздуха на кислород и азот, разделение углеродных газов и т.д.)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Состояние вопроса

 

Ректификационные колонны отличаются, в основном, конструкцией внутреннего устройства для распределения жидкой и паровой фаз. Взаимодействие жидкости и пара осуществляется в колоннах путём барботирования пара через слой жидкости на тарелках или же путём поверхностного контакта пара и жидкости на насадке или на поверхности жидкости, стекающей тонкой плёнкой.

 

1.1 Конструкции ректификационных колонн

1.1.1 Барботажные колонны

Эти аппараты в процессах ректификации наиболее широко распространены. Они  применимы для больших производительностей, широкого диапазона изменений нагрузок по пару и жидкости и могут обеспечить весьма четкое разделение смесей. Применяются с колпачковыми, ситчатыми и провальными тарелками. Значительное сопротивление барботажных колонн при ректификации обычно не существенно (кроме процесса ректификации в вакууме), так как вызывает лишь некоторое повышение давления и, следовательно, температуры кипения в нижней части колонны.

Чаще всего применяются колонны  с колпачковыми тарелками. Колонны с ситчатыми и провальными тарелками применяются при разделении незагрязненных жидкостей в установках, работающих с постоянной нагрузкой.

1.1.2 Колпачковые колонны

На рисунке 1 схематически изображена колонна небольшого диаметра, состоящая из тарелок 1, на каждой из которых имеется один колпачок 2 круглого сечения и патрубок 3 для прохода пара. Края колпачка погружены в жидкость. Благодаря этому на тарелке  создается гидравлический затвор, и пар, выходящий из колпачка, должен проходить через слой жидкости, находящийся на тарелке. Колпачки имеют отверстия или зубчатые прорези для раздробления пара на мелкие пузырьки, т.е. для увеличения поверхности его соприкосновения с жидкостью.

Приток и отвод жидкости, а  также высоту жидкости на тарелке  регулируют при помощи переливных трубок 4, которые расположены на диаметрально противоположных концах тарелки; поэтому жидкость течет на соседних тарелках во взаимно противоположных направлениях. 

1-тарелка; 2-колпачок; 3-паровой патрубок; 4-переливная трубка.

Рисунок 1 - Схема устройства тарельчатой (колпачковой) колонны

 

 Виды колпачковых тарелок:

• с радиальным переливом жидкости,
• с диаметральным переливом жидкости,
• с туннельными колпачками.

1.1.3 Ситчатые колонны

Колонны этого типа (рисунок 2) состоят из вертикального цилиндрического корпуса 1 с горизонтальными тарелками 2, в которых просверливается значительное число мелких отверстий, равномерно распределенных по всей поверхности тарелки. Для слива жидкости и регулирования ее уровня на тарелке служат переливные трубки 3. Нижние концы трубок 3 погружены в стаканы 4 на лежащих ниже тарелках и образуют гидравлические затворы.

 

1-корпус; 2-ситчатая тарелка; 3-переливная трубка; 4-стакан.

 Рисунок 2 - Схема устройства  ситчатой колонны

 

Рисунок 3 - Схема работы ситчатой тарелки

 

Пар проходит через отверстия тарелки (рисунок 3) и распределяется в жидкости в виде мелких струек; лишь на некотором расстоянии от дна тарелки образуется слой пены и брызг – основная область массообмена и теплообмена на тарелке.

В определенном диапазоне нагрузок ситчатые тарелки обладают большим к.п.д., чем колпачковые. Однако допустимые нагрузки по жидкости и пару для ситчатых колонн относительно невелики. Для повышения к.п.д., в ситчатых тарелках создают более длительный контакт между жидкостью и паром. Существу-

ет ситчатая колонна с принудительным круговым движением жидкости на тарелках – одна из современных конструкций ситчатых тарелок, в которых длительный контакт достигается принудительным круговым движением жидкости на тарелке при одинаковом направлении ее движения на всех тарелках колонны.

Очистка, промывка и ремонт ситчатых тарелок производятся относительно удобно и легко. Однако ситчатые тарелки требуют весьма тщательной горизонтальной установки, так как иначе пары будут проходить через часть поверхности сетки, не соприкасаясь с жидкостью.

Чувствительность к колебаниям нагрузки, а также загрязнениям и  осадкам, которые образуются при  перегонке кристаллизующихся веществ  и быстро забивают отверстия тарелки, ограничивают область использования ситчатых колонн; их применяют, главным образом, при ректификации спирта и жидкого воздуха (кислородные установки).

1.1.4 Насадочные колонны

В таких колоннах используются насадки различных типов, но в промышленности наиболее распространены колонны с насадкой из колец Рашига. В укрепляющей колонне количество жидкости меньше количества поднимающихся паров на количество отводимого дистиллята, в исчерпывающей же колонне количество жидкости больше, чем в укрепляющей, на количество вводимой смеси.

Неравномерное распределение жидкости по сечению колонны может привести к недостаточно четкому разделению компонентов, особенно при большом диаметре колонны. Низкое гидравлическое сопротивление насадочных колонн существенно лишь при ректификации в вакууме.

Насадочные ректификационные колонны  применяются главным образом  небольшого диаметра, а также при ректификации в вакууме и для разделения химически агрессивных веществ.

1.1.5 Пленочные аппараты

Эти аппараты применяются для ректификации под вакуумом смесей, обладающих малой термической стойкостью при нагревании (например, различные мономеры и полимеры, а также другие продукты органического синтеза).

В ректификационных аппаратах пленочного типа достигается низкое гидравлическое сопротивление. Кроме того, задержка жидкости в единице объема работающего аппарата мала.

Недостатками этих аппаратов являются: ограниченность их высоты и диаметра (из-за сложности изготовления и требований, предъявляемых к прочности и жесткости ротора), а также высокие эксплуатационные расходы.

1.1.6 Кубы и дефлегматоры

В колоннах непрерывного действия куб  служит для испарения части стекающей вниз жидкости, т.е. является  кипятильником. По устройству такие кипя-

тильники сходны с кипятильниками выпарных аппаратов. При небольших поверхностях теплообмена применяют теплообменники с обогревом при помощи змеевика или в виде горизонтальной трубчатки, пронизывающей всю нижнюю часть колонны, причем греющий пар пропускается по трубам (рисунок 4а).

При больших поверхностях теплообмена  применяют выносные кубы с естественной циркуляцией теплоносителя (рисунок 4б), аналогичные по устройству выпарным аппаратам с выносным кипятильником.

             

              а                                                     б

а – горизонтальная трубчатка; б  – выносной кипятильник.

Рисунок 4 - Устройство кипятильников  ректификационных колонн

 

Дефлегматоры выполняют обычно в виде вертикальных или горизонтальных кожухотрубных теплообменников. Чаще всего вода проходит по трубам, пары движутся в пространстве. Иногда пары пропускают по трубам, а воду – в межтрубном пространстве; в этом случае очистка труб от накипи затруднительна.

 

1.2 Требования  к конструкции ректификационных  колонн

Обычно ректификационная колонна  выполняется в виде цилиндра, заполненного специальными распределительными устройствами для создания поверхности контакта между стекающей сверху жидкой фазой и поднимающимися навстречу парами. При конструкции ректификационных колонн обычно руководствуются требования, предъявляемыми к конструкции любого химического аппарата (дешевизна, простота в обслуживании, высокая производительность, прочность, коррозионная устойчивость, долговечность и т.д.) Помимо этого, необходимо учитывать следующие специфические требования к конструкции колонны:

1. Колонна должна обладать максимальной пропускной способностью по паровой и жидкой фазе;
2. Контактные устройства должны обеспечивать максимальную поверхность контакта между фазами при максимальной эффективности передачи массы;
3. Колонна должна работать устойчиво и равномерно по всему сечению в широком диапазоне нагрузок.

Гидравлическое сопротивление  распределительных устройств должно быть минимальным. Стремление к максимальному  удовлетворению этих требований, а  так же специфика свойств смесей, подлежащих разделению (теплообразование, агрессивность, закоксовывание, образование термополимеров и т.д.), приводит к многообразию типов ректификационных колонн.

 

 

2 Описание принципа работы технологической схемы

 

Исходная  смесь из промежуточной ёмкости Е1 центробежным насосом H1 подаётся в теплообменник П, где она подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в середину ректификационной колонны КР 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 К. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка, т.е. обеднен легколетучим компонентом. 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), получаемой в дефлегматоре Д путём конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике Х2 и направляется в промежуточную ёмкость ЕЗ. Из кубовой части колонны насосом непрерывно выводится кубовая жидкость - продукт, обогащённый труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике X1 и направляется в ёмкость Е2.

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

 

 

3 Технологический расчет

3.1 Исходные данные

Смесь: метанол – вода.

W = 860кг/ч=0.239 кг/с - производительность колонны по кубовой жидкости;

x_f = 0,48 -содержание низкокипящего компонента(НК) в исходной смеси;