Ректификацией называется диффузионный процесс разделения жидкостей, различающихся по температурам кипения, за счет противоточного, многократного паров и жидкости.

Контактирование паров и жидкости осуществляется в вертикальных цилиндрических аппаратах – ректификационных колоннах, снабженных специальными устройствами – ректификационными тарелками или насадками, - позволяющими создать тесный контакт между паром, поднимающимся вверх по колонне и жидкостью, стекающей вниз.

Средняя часть в виде пара, жидкости или парожидкостной смеси подается сырье, которое необходимо разделить на две части – высококипящей и низкокипящей. В простейшем случае исходное сырье состоит из двух компонентов (например, бензола, толуола, бутана, изобутана и др.). однако чаще сырье представляет собой многокомпонентную смесь, которую с помощью ректификации надо разделить на два продукта, один из которых содержит в основном низкокипящие компоненты, а другой – высококипящие.

Зона, в которую подается сырье, носит название эвапорационной, так как в ней происходит эвапорация – однократное испарение нагретой в печи или теплообменнике смеси на паровую и жидкую фазы. В некоторых случаях эвапорационная зона отделена от колонны, эвапорация производится в самостоятельном аппарате. Однако у большинства колонн, в частности на установках первичной перегонки, однократное испарение и ректификация совмещаются.

Принцип работы промышленной ректификационной колонны аналогичен лабораторной. В работающей ректификационной колонне через каждую тарелку проходит четыре потока: 1) жидкость – флегма, стекающая с выше лежащей тарелки, 2) пары, поступающие с ниже лежащей тарелки, 3) жидкость – флегма, уходящая на ниже лежащую тарелку, 4) пары, поднимающиеся на выше лежащую тарелку.

Пары и жидкости, поступающие на тарелку не находятся в состояния равновесия, однако, вступая в соприкосновение, стремятся к этому состоянию. Жидкий поток с вышележащей тарелки поступает в зону более высокой температуры, и поэтому из него испаряется некоторое количество низкокипящего компонента, в результате чего концентрация последнего в жидкости уменьшается. С другой стороны, паровой поток поступающей с нижележащей тарелки, попадает в зону более низкой температуры и часть высококипящего продукта из этого потока конденсируется, переходя в жидкость. Конденсация высококипящего компонента пара, таким образом, понижается, а низкокипящего – повышается. Фракционный состав жидкости по высоте колонны непрерывно изменяется.

Часть ректификационной колонны, которая расположена выше ввода сырья, называется концентрационной, а расположенная ниже ввода – отгонной. В обеих частях колонны происходит один и тот же процесс ректификации. С верха концентрационной части в паровой фазе вводится целевой продукт необходимой чистоты – ректификат, а с низа – жидкость, все еще достаточной степени обогащенная низкокипящим компонентом. В отгонной части из этой жидкости окончательно отпаривается низкокипящий компонент. В виде жидкости с низа этой части колонны вводится второй целевой компонент – остаток.

Для нормальной работы ректификационной колонны необходимо, чтобы с верха колонны на ниже лежащей тарелки непрерывно стекала жидкость (флегма). Поэтому часть готового продукта (ректификата) после конденсации возвращается на верхнюю тарелку колонны в виде так называемого орошения. С другой стороны для нормальной работы колонны необходимо, чтобы с низа колонны вверх непрерывно поднимались пары. Чтобы создать в колонне паровой поток, часть уходящего из колонны остатка подогревается, испаряется и возвращается обратно в колонну.

Ректификационные колонны. В зависимости от внутреннего устройства колонны делятся на тарелочные и насадочные. На большинстве технологических установок современного нефтеперерабатывающего завода применяются только тарелочные колонны. Существуют ректификационные тарелки различных типов – колпачковые, бесколпачковые, струйно-направленные и др.

Колпачковая тарелка представляет собой металлический диск, в котором имеется множество отверстий для прохода паров. По периметру отверстий закреплены бортики определенной высоты, называемые стаканами, благодаря которым на тарелке поддерживается определенный слой жидкости. Сверху стаканы накрываются колпачками. Между верхним срезом стакана и колпачком имеется зазор для прохода паров, поступающих с нижележащей тарелки. При работе колпачки погружены в слой жидкости, и вследствие этого образуется гидравлический затвор, через который барботирует пары.

Уровень жидкости на тарелках поддерживается сливными перегородками (сливными карманами), нижняя часть которых доходит до следующей тарелки. Избыток жидкости по сливным карманам спускается на нижележащую тарелку. Положение колпачком можно регулировать, изменяя размеры зазора между колпачком и верхним срезом стакана. Очень важно, чтобы тарелки размещались по колонне строго горизонтально и чтобы все колпачки были одинаково погружены в жидкость на тарелке. Если эти требования не выполнены, то в какой-либо части тарелки толщина слоя жидкости будет меньше. Через эту часть тарелки начнет проходить большое количество жидкости, и многие колпачки на остальной части тарелки перестанет работать.

Наиболее распространены колпачковые тарелки желобчатого типа, тарелки с S-образными элементами, с круглыми колпачками и тарелки клапанного типа.

Желобчатые тарелки имеют простую конструкция и весьма легко монтируются. Тарелка представляет собой прямоугольник или квадрат, вписанный в поперечное сечение колонны. Один из сегментов, отделяемых этим прямоугольником служит сливным устройством данной тарелки, другой – сливным устройством вышележащей. Два сегмента тарелки – глухие.

Тарелка состоит из нескольких желобов, прикрепленных к опорным уголкам. Над желобами располагаются колпачки, монтируемые на нужной высоте. Жидкость движется по тарелке вдоль колпачков. Основной недостаток желобчатых тарелок заключается в малой площади барботажа (до 30% от площади тарелки), что способствует увеличению скорости паров и уноса флегмы.

В отличие от желобчатых тарелок в тарелках с S-образными элементами жидкость, направляясь к сливному устройству, движется поперек колпачков, а сами колпачки представляют одно целое с желобом. Каждый S-образный элемент состоит из колпачковой и желобчатой части. При сборке их располагают таким образом, чтобы колпачковая часть одного элемента перекрывала желобчатую часть другого, образуя гидравлический затвор.

Тарелки из S-образных элементов предназначены для колонн, работающих при атмосферном или невысоком давлении, для них характерно устойчивое равномерная работа при изменении нагрузок. Производительность тарелок на 20% больше, чем желобчатых.

Еще более эффективны для колонн, работающих при переменных нагрузках по пару и жидкости, а также для колонн, в которых требуется добиться повышенной четкостью разделение, клапанные прямоточные тарелки. Основной элемент такой тарелки – клапан, который под действием паров приподнимается над полотном тарелки на различную высоту. В отличие от прочих колпачковых тарелок, работающих в статичном режиме, для клапанных тарелок характерен динамический переменный режим работы.

Подвижные клапаны в зависимости от паровой нагрузки поднимаются или опускаются, регулируя площадь свободного сечения тарелки. Благодаря такой конструкции, в широком пределе нагрузок, определенном возможной длиной хода клапана, скорость паров существенно не меняется.

Из бесколпачковых тарелок применение в последние годы нашли решеточные тарелки провального типа и ситчатые тарелки с отбойными элементами.

Основным показателем для тарелок с переливами являются скорость паров в свободном сечении колонны. Скорость паров в колоннах установок первичной перегонки зависит от типа тарелки, расстояние между тарелками, нагрузки тарелки по жидкости, физических свойств разделяемых продуктов и других факторов. Она составляет: в атмосферной колонне 0,6-0,9 м/с, в отбензинивающей - 0,2-0,3 м/с, в стабилизаторе 0,15-0,2 м/с, в вакуумной – 2-3 м/с.

В данной работе приведен расчет тарельчатой ректификационной колонны для разделения бинарной смеси бензол - толуол.

Дата добавления: 2015-07-15