Ректификация — это тепло и массообменный процесс, применяемый для разделения жидких смесей, компоненты которых различаются по температурам кипения.
Процесс осуществляется при контактировании потоков пара и жидкости, которые имеют разные составы и температуры: пар имеет более высокую температуру, чем вступающая с ним в контакт жидкость [1].
Физическая сущность процесса ректификации заключается в двустороннем массо- и теплообмене между неравновесными потоками пара и жидкости при высокой турбулизации поверхности контактирующих фаз. В результате массообмена пар обогащается низкокипящими, а жидкость — высококипящими компонентами. При определённом числе контактов можно получить пары, состоящие в основном из низкокипящих, а жидкость — из высококипящих компонентов [2].
При достаточно большом времени контакта пар и жидкость могут достичь состояния равновесия.
В реальных условиях равновесие уходящих из контактной зоны потоков пара и жидкости может не достигаться.
Процесс ректификации может осуществляться по периодической и непрерывной схемам.
При периодической ректификации смесь разделяют на отдельные компоненты (или фракции, кипящие в определенном интервале температур) путём последовательного их отбора при изменяющихся во времени рабочих параметрах процесса.
Ректификация по непрерывной схеме позволяет одновременно получать два и более продуктов при стационарных условиях процесса [1].
Процесс ректификации осуществляют в аппаратах — ректификационных колоннах. Для создания потока паров в нижнюю часть колонны подводят тепло, а поток жидкости (орошения, флегмы) создают путём отвода тепла из верхней части колонны, конденсируя соответствующее количество паров.
Часть колонны, служащая для выделения низкокипящих компонентов, называется концентрационной, или укрепляющей, другая часть, в которой выделяются высококипящие компоненты, называется исчерпывающей, или отгонной. Между этими основными частями колонны находится место ввода сырья (тарелка питания, секция питания, эвапорационное пространство) [1].
В нефтеперерабатывающей промышленности в основном применяют ректификационные колонны непрерывного действия.
Различают простые и сложные колонны.
Простые колонны обеспечивают разделение исходной смеси (сырья) на два продукта: ректификат (дистиллят) — продукт, обогащенный низкокипящими компонентами, кубовый остаток — продукт, обогащенный высококипящими компонентами.
Модернизация колонны ректификации очистки бутадиена от метилацетилена ...
... Далее процесс разделения бутилен-бутадиеновой (пиролизной) фракции осуществляется методом экстрактивной ректификации на блоках №1,2, работающих параллельно или на резервном блоке (РБЭР). Каждый блок состоит из двух ректификационных колонн ...
Для разделения многокомпонентных и непрерывных смесей требуется система колонн, каждая из которых разделяет поступающую смесь на соответствующие компоненты.
Основными рабочими параметрами процесса ректификации являются давление и температура в системе, соотношение потоков жидкости и пара (флегмовое число), число контактных ступеней. При соответствующем выборе этих параметров обеспечивается разделение исходной смеси на компоненты, удовлетворяющие определённым требованиям [1].
1. Технологическая схема процесса ректификации
Технологическая схема процесса ректификации приведена на рисунке 1.1.
- ректификационная колонна;
- 2- подогреватель;
- 3 — кипятильник;
- 4 — дефлегматор;
- 5 — холодильник;
- 6 — тарелка
Рисунок 1.1 — Технологическая схема процесса ректификации
Для непрерывного проведения ректификации необходимо, чтобы поступающая на разделение смесь соприкасалась со встречным потоком пара с несколько большей концентрацией высококипящего компонента, чем в жидкой смеси. Поэтому исходную смесь подают в то место ректификационной колонны 1, которое соответствует этому условию. Место ввода исходной смеси, нагретой до температуры кипения в подогревателе 2, называют тарелкой питания. Поток пара, поднимающегося по ректификационной колонне, поддерживается испарением части кубовой жидкости в кипятильнике 3, а поток жидкости, текущей по колонне сверху вниз, — возвратом части флегмы, образующейся при конденсации выходящих из колонны паров в дефлегматоре 4.
Конструкция тарельчатой ректификационной колонны и массообменных тарелок
В промышленности применяют колпачковые, ситчатые, насадочные, пленочные трубчатые колонны и центробежные пленочные ректификаторы. Они различаются в основном конструкцией внутреннего устройства аппарата, назначение которого — обеспечение взаимодействия жидкости и пара. Таким образом, более подробно рассмотрим виды и конструкции тарелок [2].
Колпачковые желобчатые тарелки. Тарелки. этого типа применяются в колоннах диаметром от 1000 мм и более при расстояниях между тарелками 450 мм и более. Рабочая часть тарелки, укомплектована съемными желобами и колпачками. Для перетока жидкости служат переливные устройства (одно- или двухпоточные).
Основные размеры тарелок регламентированы отраслевой нормалью Н 439 — 58. Вплоть до настоящего времени тарелки этого типа находятся в эксплуатации в колоннах различного технологического назначения. Единственным их практическим преимуществом является относительно небольшое число желобов и колпачков, которые требуется устанавливать при монтажных и ремонтных работах. В остальном все показатели этих тарелок низки, поэтому тарелки желобчатого типа повсеместно заменяют более современными [2].
Колпачковые тарелки с капсульными колпачками. Тарелки этого типа могут быть установлены в колоннах диаметром 400 мм и более, расстояние между тарелками от 200 мм и более. Тарелки могут иметь неразборную и разборную конструкции. Тарелки неразборной конструкции уплотнены в корпусе колонны периферийным сальником с набивкой из асбестового шнура.
По сравнению с желобчатыми колпачковые капсульные тарелки имеют примерно на 20% большую производительность, высокую эффективность, широкий рабочий диапазон (более 4) и меньшую металлоемкость (60 — 90 кг/м2 против 110 — 130 кг/м2) .
Расчет вакуумной колонны для переработки мазута по масляному ...
... которая все более широко начинает использоваться в вакуумных колоннах. Тарелки представляют собой такой тип контактного устройства, на котором контакт (и соответственно тепло- и массообмен) пара и жидкости ... насадки (обычно это вакуумные колонны), а во вторых - путем барботажа пара через слой жидкости на специальных тарелках; - по уровню давления в колоннах - на атмосферные, вакуумные и с высоким ...
Хотя по производительности тарелки этого типа уступают тарелкам других современных типов и сравнительно трудоемки в изготовлении и монтаже, они находят применение благодаря универсальности областей практического использования и неприхотливости в эксплуатации [2].
Тарелки колпачковые из S-образных элементов. Диаметр колпачковых тарелок равен 1000 — 8000 мм. Расстояние между тарелками составляет 450 мм и более. Полотно тарелки набрано из элементов S-образного профиля, при сборке которых образуются каналы для прохода пара. Жидкость движется единым потоком и частично направляется паром в сторону слива, вследствие чего уменьшается градиент уровня жидкости на тарелке. Благодаря жесткости S-образных элементов, металлоемкость тарелок этого типа относительно невелика (55 — 90 кг/м2).
По эффективности они находятся на одном уровне с колпачковой капсульной тарелкой, но производительность их на 20 — 30% выше [2].
Клапанные прямоточные тарелки. Применяются в колоннах диаметром 1000 мм и более при расстоянии между тарелками не менее 450 мм. По сравнению с S-образными тарелками они позволяют повысить производительность колонн примерно на 20 — 25%. Диапазон, рабочих нагрузок более 4. В области саморегулируемой работы клапанов тарелки обладают относительно небольшим сопротивлением. Металлоемкость составляет 55 — 80 кг/м2 [2].
Жалюзийно-клапанные тарелки. Тарелки применяются в колоннах диаметром 1000 мм и более при расстоянии между тарелками, составляющем не менее 450 мм. Рабочие характеристики практически аналогичны характеристикам клапанных прямоточных тарелок [2].
Сетчатые тарелки с отбойными элементами из просечного листа. Полотно тарелки и наклонные отбойники изготовлены из просечно-вытяжного листа. Свободное сечение полотна тарелки следует выбирать исходя из отсутствия провала жидкости; свободное сечение отбойников должно быть достаточно большим (не менее 30%), чтобы обеспечить пропуск текущей по тарелке жидкости. Контакт фаз происходит в прямотоке и частично в перекрестном токе на отбойниках. Благодаря относительно низкому сопротивлению эти тарелки применяются в вакуумных колоннах. Металлоемкость составляет 50 — 60 кг/м’.
Решетчатые тарелки провального типа. Стандартные решетчатые тарелки применяются в колоннах диаметром 400 мм и более при расстоянии между тарелками не менее 200 мм.
Тарелки этого типа не имеют специальных переливных устройств для жидкости, поэтому конструкция их предельно проста. Производительность тарелок провального типа примерно в 1,8 — 2 раза больше, чем колпачковых, металлоемкость не превышает 40 — 50 кг/м2. По сравнению с колпачковыми эти тарелки имеют меньшую эффективность и более узкий рабочий диапазон, который в среднем равен 2. Обычно рекомендуется выбирать свободное сечение тарелок равным 15 — 20%. При меньшем свободном сечении несколько увеличивается эффективность работы тарелок, однако, соответственно снижается их производительность.
Тарелки этого типа рекомендуются для применения в ректификационных колоннах, где требуется относительно небольшое число тарелок и ожидается сравнительно малое колебание рабочих нагрузок [2].
Сетчатые тарелки. Предназначены для колонн диаметром от 400 до 3600 мм при расстоянии между тарелками 200 мм и более.
Отбензинивающая колонна К
... свойств сырья отбензинивающей колонны приведены в табл.2. 4. МИНИМАЛЬНОЕ ЧИСЛО ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ТАРЕЛОК Проведём расчет методом температурной границы деления смеси. Для этого определяем мольный отбор дистиллята ... шi этой фракции: = 31,60 878 Принимаем среднее давление в колонне Pср=4,5 ат = 0,45 МПа. Определяем температурную границу деления смеси. Температурная граница — это значение температуры ...
По сравнению с колпачковыми производительность этих тарелок на 30 50% выше, а рабочий диапазон уже и обычно не более 2,5. Металлоемкость составляет 65 — 50 кг/м2. Тарелки весьма чувствительны к точности горизонтальной установки и не рекомендуются для работы на загрязненных средах, т. к. при этом возможна забивка отверстий [2].
жидкость пар равновесный тарелка
3. Равновесные составы жидкости и пара
Исходные данные: содержание низкокипящего компонента в сырье хF = 0,3;
- содержание низкокипящего компонента в дистилляте хD= 0,96;
- содержание низкокипящего компонента в кубовом остатке хW = 0,03;
- расход сырья GF = 1000 кмоль/ч.
Ректификационная колонна предназначена для разделения смеси ацетон — этиловый спирт.
Равновесные составы жидкости и пара и температура кипения приведены в таблице 3.1.
Таблица 3.1 — Равновесные составы жидкости и пара и температура кипения
х05102030405060708090100у015,526,241,752,460,567,473,980,286,592,9100t78,375,4736965,963,661,860,459,1585756,1
- Материальный баланс процесса ректификации
Составляем уравнения материального баланса ректификационной колонны непрерывного действия [4]
(4.1)
где GF, GD, GW — мольные расходы сырья, дистиллята и кубового остатка;
- xF, xD, xW — содержание низкокипящего компонента в сырье, дистилляте и кубовом остатке, мольные доли.
Подставив соответствующие параметры, получим
(4.2)
(4.3)
Решая совместно уравнения (4.2) и (4.3), определяем мольные расходы дистиллята и кубового остатка:
5. Флегмовое число
Так как кривая равновесия не имеет точек перегиба, минимальное флегмовое число определяем по формуле [4]
(5.1)
где уF* — содержание низкокипящего компонента в паре, равновесном с жидкостью в сырье, уF* = 0,524.
Подставив соответствующие значения, получим
Определяем рабочее число флегмы [4]
(5.2)
- Уравнения рабочих линий и кривая равновесия пар-жидкость
Определяем относительный мольный расход сырья [4]
(6.1)
Составляем уравнение рабочей линии верхней (укрепляющей) части ректификационной колонны
(6.2)
Составляем уравнение рабочей линии нижней (исчерпывающей) части ректификационной колонны
(6.3)
Строим кривую равновесия пар-жидкость в координатах у*-х (рисунок 6.1).
Рисунок 6.1 — Кривая равновесия пар-жидкость
- Молекулярная масса смеси, расходы флегмы и пара
Определяем расход флегмы [4]
(7.1)
Определяем мольный расход пара, одинакового по высоте колонны [4]
(7.2)
Определяем молекулярные массы смеси в верхней и нижней частях колонны [4]
(7.3)
где МА, МЭС — молекулярные массы ацетона и этилового спирта соответственно, МА = 58,08 кг/кмоль, МЭС = 46,07 кг/кмоль
хi — содержание низкокипящего компонента в кубовом остатке или дистилляте.
Подставив значения, получим
Определяем массовый расход пара для верхней и нижней частей колонны [4]
Ректификационная колонна (Тарельчатая)
... числом; она представляет собой отношение количества возвращенного в колонну дистиллята (флегмы) к количеству обратного дистиллята в виде продукта. Количества пара, полученного в нижней части ректификационного аппарата, проходящего по колонне ... ректификационных колонн в нефтехимической и химической промышленностях рекомендуется семь типов контактных тарелок: ... верхней и нижней части ректификационного ...
(7.4)
По таблице 3.1 интерполированием определяем температуру верха и низа колонны, получим
Определяем плотность пара в верхней и нижней частях колонны [4]
(7.5)
Определяем объёмный расход пара для верхней и нижней частей колонны [4]
(7.6)
- Определение числа тарелок
После построения рабочих линий для нижней и верхней частей колонны (пункт 6), строим с верхней точки теоретические тарелки (рисунок 6.1).
Находим на графике необходимое число ступеней изменения концентрации.
Получаем в верхней части колонны 16 ступеней, в нижней — 4, всего 20.
Определяем коэффициенты динамической вязкости ацетона и этилового спирта при соответствующих температурах верха и низа колонны по номограмме V [4]:
Определяем коэффициенты динамической вязкости жидкости в верхней и нижней частях колонны по формуле Аррениуса [4]
(8.1)
Определяем коэффициент летучести [4]
(8.2)
где Т2, Т1 — температуры кипения этилового спирта и ацетона соответственно,
Т2 = 351,46 К;
- Т1 =329,16 К.
Подставив значения, получим
Определяем коэффициент полезного действия тарелок верха и низа колонны [4]
(8.3)
Определяем средний коэффициент полезного действия тарелки
(8.4)
Определяем число практических тарелок в верхней и нижней частях колонны [4]
(8.5)
где nТ — теоретическое число тарелок.
Подставив значения, получим
- Диаметр колонны
Определяем плотности ацетона и этилового спирта при температурах верха и низа колонны по таблице V [5]:
Определяем плотность жидкости верха и низа колонны [4]
(9.1)
Определяем допустимую рабочую скорость пара в верхней и нижней частях колонны [4]
(9.2)
где С — коэффициент зависящий от конструкции тарелок, расстояния между тарелками h, рабочего давления в колонне, по рисунку 7.2 [4], для колпачковых тарелок при h = 400 мм С = 0,044.
Определяем диаметры верхней и нижней частей колонны [4]
(9.3)
По стандартному ряду диаметров колонн [4] принимаем dВ = 3600 мм, dН = 3600 мм. Диаметр колонны принимаем одинаковым по всей высоте колонны и равным наибольшему из полученных значений d = 3600 мм.
Определяем высоту тарельчатой колонны [4]
(9.4)
где n — число тарелок в колонне, n = 37.
h — расстояние между тарелками, h = 400.
Исходя из полученного диаметра колонны, выбираем тарелки с параметрами, приведёнными в таблице 9.1 [2].
Таблица 9.1 — Параметры тарелки
ПараметрЗначениеДиаметр колонны, мм3600Общая длина слива, мм2900Рабочая площадь тарелки, %61,6Свободное сечение тарелки, %13,1Число колпачков, мм194Диаметр колпачка, мм150Шаг колпачков, мм190Вес тарелки, кг1000
Вычерчиваем схему колонны с основными размерами (рисунок 9.1).
Рисунок 9.1 — Схема колонны с основными размерами
Заключение
Тарельчатые колпачковые колонны наиболее часто применяют в ректификационных установках.
Расчет ректификационной колонны для разделения жидкой бинарной ...
... бензола в паре, равновесном с жидкостью питания, определяется по диаграмме Y*-X Рабочее число флегмы Уравнения рабочих линий 1. Верхней (укрепляющей) части колонны Y=0.746x+0.238 1. Нижней (исчерпывающей) части колонны ... смеси на работу колонны. При выборе оптимальных условий работы ректификационной установки необходимо ... колонны, и подвода пара в ее нижнюю часть (под насадку или нижнюю тарелку). ...
При проведении расчёта ректификационной колонны непрерывного действия для разделения бинарной смеси (ацетон — этиловый спирт) в качестве тарелок были выбраны колпачковые тарелки с круглыми колпачками.
Расчет мольных расходов ввёлся исходя из уравнений материальных балансов (см. уравнения (3.1) и (3,2)), которые справедливы для ректификационной колонны, обогреваемой глухим паром.
При определении числа теоретических тарелок был использован графический метод. Число теоретических тарелок оказалось равным двадцати (шестнадцать для укрепляющей части колонны и четыре для исчерпывающей части).
Число практических тарелок оказалось равным 37 (тридцать для укрепляющей части колонны и семь для исчерпывающей части).
При таком количестве тарелок расстояние между верхней и нижней тарелками оказалось равным Нт = 14,4 м.
Диаметр колонны принят равным диаметру верхней части колонны, который оказался наибольшим из двух рассчитанных d = 3,6 м.
Библиография
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kursovaya/paht-rektifikatsiya/
1 Г.Г. Робинович, П.М. Рябых, П.А. Хохряков Расчёты основных процессов и аппаратов нефтепереработки: 3 — е издание, переработанное и дополненное — М.: Химия, 1979. — 568 с.
И.А. Александров Ректификационные и абсорбционные аппараты. — М.: Химия, 1971 — 296 с.
Ю.Н. Дытнерский Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов, издание 2 — е, часть 2. — М.: Химия, 1995. — 368 с.
К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. — Л.: Химия, 1976. -552 с.
С.А. Зонис, Г.А. Симонов Справочник химика, том 1. — Л.: Госхимиздат, 1963. — 1072 с.
