Файл: 1. Литературный обзор 1 Теоретические основы процесса ректификации.pdf

6
1.
Литературный обзор
1.1 Теоретические основы процесса ректификации
Ректификация – это процесс разделения бинарных или многокомпонентных паровых, а также жидких смесей на практически чистые компоненты или их смеси, обогащенные легколетучими или тяжелолетучими компонентами; процесс осуществляется в результате контакта неравновесных потоков пара и жидкости.
Процесс ректификации осуществляют в ректификационной установке, дефлегматор, холодильник-конденсатор, подогреватель исходной смеси, сборники дистиллята и кубового остатка. Дефлегматор, холодильник, конденсатор и подогреватель представляют собой обычные теплообменники.
Основным аппаратом установки является ректификационная колонна, в которой пары перегоняемой жидкости поднимаются снизу, а навстречу парам сверху стекает жидкость, подаваемая в верхнюю часть аппарата в виде флегмы. В большинстве случаев конечными продуктами являются дистиллят
(сконденсированные в дефлегматоре пары легколетучего компонента, выходящие из верхней части колонны) и кубовый остаток (менее летучий компонент в жидком виде, вытекающий из нижней части колонны).
Процесс ректификации может протекать при атмосферном давлении, а также при давлениях выше и ниже атмосферного. Под вакуумом ректификацию проводят, когда разделению подлежат высококипящие жидкие смеси.
Повышенные давления применяют для разделения смесей, находящихся в газообразном состоянии при более низком давлении. Степень разделения смеси жидкостей на составляющие компоненты и чистота получаемых дистиллята и кубового остатка зависят от того, насколько развита поверхность фазового контакта, а следовательно, от количества орошающей жидкости образуется путем полной или частичной конденсации уходящего после контакта потока пара, в то время как при разделении жидких смесей неравновесный поток образуется путем частичного испарения уходящей после контакта жидкости [5].
Изм. Лист
№ докум.
Подпись
Дат
а
Лист
1
КП.18.03.01.03-3030/31К.285.2022.00.ПЗ
Разраб.
Давлетова
Провер.
Дерюгина
Реценз
Н. Контр.
Утверд.
Литературный обзор
Лит.
Листов
16
ТИУ, ХТБз-19-1

7
1.2 Устройство ректификационной колонны
Колонны по внутреннему устройству подразделяются на две основные группы: тарельчатые (рисунок 1.1) и насадочные.
Рисунок 1.1 – Атмосферная ректификационная колонна
Наибольшее распространенные тарельчатые колонны — вертикальные цилиндрические сосуды, внутри которых расположены поперечные перегородки
— барботажные тарелки. Каждая тарелка — это ступень контакта между поднимающимися газами (парами) и стекающей жидкостью. Степень извлечения компонентов из газа, четкость разделения углеводородов, а также отпарка поглощенных компонентов из жидкости зависит от числа ступеней контакта и от того, насколько хороший контакт обеспечивает конструкция 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. Это
КП.18.03.01.03-3030/31К.285.2022.00.ПЗ
Лист
2
Изм. Лист
№ докум
Подпись Дата

8 взаимодействие происходит при барботировании пара через слой жидкости на тарелках (колпачковых или ситчатых) либо при поверхностном контакте пара и жидкости на насадке или поверхности жидкости, стекающей тонкой пленкой.
К тарелкам ректификационных и абсорбционных колонн предъявляются следующие требования: они должны обеспечивать хороший контакт между жидкостью и паром, обладать малым гидравлическим сопротивлением, устойчиво работать при значительном колебании расходов пара и жидкости. Тарелки должны быть просты по конструкции, удобны в эксплуатации, иметь малую массу.
Тарелки классифицируют по числу потоков, типам и конструкции контактных элементов, характеру взаимодействия фаз в зоне контакта, организации перелива жидкости. По числу потоков тарелки выполняют одно-, двух- и многопоточными (рисунок 1.2) и тарелки с каскадным расположением полотна. а б в г д
Рисунок 1.2 - Схемы тарелок: а- однопоточной; б- двухпоточной; в- трехпоточной; г- четырехпоточной; д- каскадной
КП.18.03.01.03-3030/31К.285.2022.00.ПЗ
Лист
3
Изм. Лист
№ докум
Подпись Дата

9
По типу контактных элементов тарелки разделяются на тарелки колпачковые, из S-образных элементов, клапанные, ситчатые, решетчатые, чешуйчатые, язычковые и др.
В зависимости от направления движения паровой и жидкой фаз в зоне контакта выделяют тарелки с перекрестным током, прямоточные и противоточные. По организации перелива жидкости тарелки разделяют на переливные и беспереливные (провального типа).
В зависимости от диаметра аппарата тарелки выполняют со сплошным полотном и разборной конструкции. Тарелки разборной конструкции собирают из отдельных полотен, ширина которых позволяет заносить их в колонну через люки. Полотна размещают на опорных балках.
Для удобства монтажа и ремонта тарелок расстояния между ними принимают не менее 450 мм, а в местах установки люков в корпусе колонны - не менее 600 мм.
В настоящее время на старых эксплуатируемых колоннах преобладают колонны с колпачковыми тарелками. Они сложны и металлоемки по сравнению с тарелками других видов. Некоторые их показатели уступают более современным типам тарелок, но они хорошо освоены. Схема работы колпачковых тарелок показана на рисунке 1.3.
Рисунок 1.3 - Схема работы колпачковых тарелок: 1- тарелка; 2 – колпачки; 3 – сливная перегородка; 4 – патрубки для прохода паров; 5 – сливной карман.
Газ барботирует через слой жидкости, распыляясь на мелкие пузырьки, которые образуют слой пены с большой удельной поверхностью над жидкостью,
КП.18.03.01.03-3030/31К.285.2022.00.ПЗ
Лист
4
Изм. Лист
№ докум
Подпись Дата

10 находящейся на тарелке. Каждая тарелка имеет множество круглых или прямоугольных отверстий, в которые ввальцованы или вварены патрубки определенной высоты. Патрубки накрывают колпачками, имеющими круглое или шестигранное сечение. Между верхним срезом патрубка и колпачком имеется зазор для прохода паров или газов, поступающих из-под тарелки. Нижняя часть колпачков при работе колонны находится в жидкости. Нижняя кромка колпачка имеет зубчики и прорези.
Уровень жидкости на тарелке поддерживается специальными сливными перегородками, нижняя часть которых доходит до нижележащей тарелки.
Благодаря этому образуется гидравлический затвор, и газы (пары) проходят только через патрубки под колпачки и барботируют через слой жидкости, а не идут через сливные трубы или сегменты.
На рисунке 1.4 показаны две верхние тарелки ректификационной колонны.
Рисунок 1.4 - Общий вид двух верхних тарелок: 1 – патрубок для выхода паров из колонны; 2 – выходная перегородка; 3 – входная перегородка; 4 – патрубок для ввода орошения; 5 – колпачок.
Положение колпачков можно регулировать, т. е. устанавливать определенный зазор между колпачками и верхними срезами патрубков.
Каждая тарелка должна быть строго горизонтальной; положение колпачков должно быть отрегулировано так, чтобы газы или пары встречали на своем пути слой жидкости одинаковой высоты. Если в какой-либо части тарелки высота слоя жидкости окажется меньшей, то все пары, или преобладающая часть их, будут
КП.18.03.01.03-3030/31К.285.2022.00.ПЗ
Лист
5
Изм. Лист
№ докум
Подпись Дата

11 проходить в этой части тарелки. Здесь из-за повышенной скорости паров колпачки будут работать плохо, жидкость будет оттесняться парами, контакт между фазами ухудшается и эффективность процесса снижается.
Сливные карманы и сегменты соседних тарелок расположены на противоположных сторонах, поэтому жидкость, перед тем как поступить на нижележащую тарелку, проходит через всю площадь тарелки. Высоту слоя жидкости на тарелке регулируют с помощью переливной планки, укрепленной болтами на краю выходной перегородки.
Во время работы колонны высота уровня жидкости при поступлении в колонну больше высоты перед сливным порогом. Эта разница высот уровней называется гидравлическим градиентом. Чем больше диаметр колонны, тем длиннее путь жидкости и тем выше гидравлический градиент.
Тарелки S - образных элементов (рисунок 1.5) предназначены для создания возможно лучшего контакта между паром и жидкостью и поэтому должны иметь развитую поверхность контакта.
Рисунок 1.5 - Тарелки S - образных элементов
На тарелках этого типа желоба и колпачки образуются при сборке S - образных элементов с одинаковым поперечным сечением. Сборку производят таким образом, чтобы колпачковая часть элемента покрывала желобчатую часть соседнего, образуя замок для гидравлического затвора при работе тарелки.
КП.18.03.01.03-3030/31К.285.2022.00.ПЗ
Лист
6
Изм. Лист
№ докум
Подпись Дата

12
Колпачковая часть элемента по концам закрыта заглушками, предотвращающие проскок паров и жидкости через торцы.
Основными преимуществами тарелок этого типа являются: большая жесткость профиля, что позволяет изготовлять S- образные элементы из листовой стали малой толщины - 2,5 - 3,0 мм; малый удельный расход металла; малая трудоемкость работ по изготовлению, монтажу и ремонту; возможность применения тарелок без промежуточных опор в аппаратах диаметром до 4 м; незначительная чувствительность к неравномерности загрузки и допустимость значительных перегрузок режимного характера.
К недостаткам тарелок этого типа следует отнести: малое живое сечение колонны (11-12 % от общего сечения); значительное сопротивление прохождению паров, что делает нежелательным их применение для колонн, работающих под вакуумом; чувствительность к загрязнениям и осадкам при переработке загрязненных или полимеризующихся продуктов.
Клапанные тарелки представляют собой цельные или собранные из нескольких секций диски, в которых имеются продолговатые щели или круглые отверстия. Щели прикрываются пластинчатыми клапанами, а отверстия - круглыми (рисунок 1.6). В отличие от тарелок, работающих в статическом режиме, т. е. при неизменном расстоянии между конструктивными элементами, клапанные тарелки работают в динамическом режиме. а б
Рисунок 1.6 - Конструкции клапанов: а- типа «Глитч»; б- типа «Флекситрей»
КП.18.03.01.03-3030/31К.285.2022.00.ПЗ
Лист
7
Изм. Лист
№ докум
Подпись Дата

13
При увеличении расхода пара клапан поднимается и открывает большее сечение проходу пара (рисунок 1.7), вследствие чего клапанные тарелки имеют широкий диапазон изменения нагрузки по пару. Благодаря простоте конструкции, малой массе и устойчивой работе клапанные тарелки являются весьма перспективной конструкцией. Они менее склонны к загрязнениям, но загрязнения и коксоотложения могут нарушить их работу, так как в результате закоксовывания, клапана ―прихватываются‖ и перестают работать в динамическом режиме.
Рисунок 1.7 - Схема работы клапана прямоточной тарелки стандартной конструкции при нагрузках по парам: а- малых; б- средних; в- больших.
При увеличении расхода пара клапан поднимается и открывает большее сечение проходу пара, вследствие чего клапанные тарелки имеют широкий диапазон изменения нагрузки по пару.
Клапанные тарелки обладают еще такими преимуществами перед колпачковыми тарелками, как:
- равномерное распределение пара по площади тарелки;
- малая масса;
- простота конструкции.
Все это делает применение клапанных тарелок перспективным. Клапаны изготовляют штамповкой из листового металла толщиной 2—3 мм. Клапанные тарелки имеют сливные устройства того же типа, что колпачковые и ситчатые.
Ситчатая тарелка представляет собой плоский перфорированный лист со сливными устройствами с круглыми или щелевидными отверстиями диаметром
(шириной) 3 - 4 мм и более, t = (3-5) d (рисунок 1.8). Суммарная площадь
КП.18.03.01.03-3030/31К.285.2022.00.ПЗ
Лист
8
Изм. Лист
№ докум
Подпись Дата

14 отверстий в зависимости от производительности по пару составляет от 8 до 30 % от площади сечения колонны. Скорость пара в отверстиях ситчатых тарелок принимают 10 - 12 м/сек.
Ситчатые тарелки с отбойными элементами. Полотно тарелки выполняют из просечно-вытяжных листов. Такие тарелки с отбойными элементами имеют высокую производительность по пару, низкое гидравлическое сопротивление; их применяют наряду с клапанными тарелками в вакуумных колоннах.
Рисунок 1.8 – Полотно ситчатой тарелки
Разновидностью ситчатых тарелок являются решетчатые провальные тарелки, в которых отсутствуют переливные патрубки и жидкость стекает в отверстия в решетке навстречу парам.
Пропускная способность решетчатых тарелок выше, чем колпачковых. При малых скоростях газового (парового) потока эффективность контакта между фазами сильно снижается.
Струйные тарелки (рисунок 1.9) имеют полотно с просечками, металл которых отогнут в виде лепестков или язычков. В ряде случаев на струйной тарелке устанавливают поперечные перегородки, которые секционируют поток жидкости, улучшают контакт и создают необходимый запас жидкости на тарелке.
Для прохода жидкости в перегородках у полотна тарелки выполняют щель высотой 10 - 15 мм.
Струйно-направленные тарелки. В них используется кинетическая энергия паров для направленного движения жидкости по тарелке, в результате чего улучшается контакт между жидкостью и паром.
КП.18.03.01.03-3030/31К.285.2022.00.ПЗ
Лист
9
Изм. Лист
№ докум
Подпись Дата

15
Струйно-направленные тарелки изготовляют из просечно-вытяжного листа или из листа с отогнутыми язычками, которые сообщают пару наклонное движение.
Струйно-направленные тарелки. В них используется кинетическая энергия паров для направленного движения жидкости по тарелке, в результате чего улучшается контакт между жидкостью и паром.
Рисунок 1.9 - Струйная тарелка с секционирующими перегородками
Расстояние между тарелками для колонн малого диаметра (до 0,8 м) принимают равным 300 мм, а для колонн большего диаметра (450—600 мм) расстояние между тарелками должно обеспечивать:
- легкость монтажа, ревизии и ремонта тарелок;
- осаждение основной части капель, уносимых паром с нижележащей тарелки;
- подпор для нормального стока флегмы по сливным трубам без захлебывания.
Колонные аппараты снабжены люками-лазами для осмотра и монтажа тарелок. Число люков в колонне должно быть таким, чтобы при разборке тарелок и укладке разбираемых деталей на площадке, монтируемой около каждого люка,
КП.18.03.01.03-3030/31К.285.2022.00.ПЗ
Лист
10
Изм. Лист
№ докум
Подпись Дата