Ректификационные колонны

Ректификацией называется процесс разделения жидких смесей взаимно растворимых компонентов, различающихся по температурам кипения. Процесс относится к диффузионным процессам.

Диффузионный процесс разделения смеси жидких веществ путём ректификации возможен при условии, что температуры кипения этих веществ различны. Для осуществления диффузии пар и жидкость должны как можно лучше контактировать между собой, двигаясь в ректификационной колонне навстречу друг другу: жидкость вниз под собственным весом, а пары снизу вверх. В результате противоточного контактирования паровая фаза обогащается низкокипящим компонентом, а жидкая высококипящим.

Основным аппаратом, в котором проходит процесс ректификации, является ректификационная колонна.

Ректификационные колонны – это вертикальные цилиндрические аппараты, предназначенные для чёткого разделения смеси двух и более взаимно растворимых жидких веществ с получением целевых продуктов требуемой концентрации. Такое разделение обеспечивается в результате процесса ректификации, под которым понимают двухсторонний тепло- и массообмен между двумя фазами раствора – паровой и жидкой.

Отбираемый с верха колонны продукт называется ректификатом, а с низа – остатком. Та часть колонны, в которую вводится сырьё, называется секцией питания; выше ввода сырья – концентрационной или укрепляющей, а ниже - отгонной. Так как верх колонны имеет более низкую температуру чем низ, то поднимающиеся вверх пары конденсируются и стекают вниз, образуя флегму или орошение. Внизу колонны за счёт подвода тепла часть жидкости испаряется, образуя восходящий поток паров.

На рисунке 2.4 показан разрез промышленной ректификационной колонны и фотография работающей ректификационной колонны на нефтеперерабатывающем заводе.

а) б)

а) – разрез промышленной насадочной ректификационной колонны;

б) - ректификационная колонна в технологической схеме нефтеперерабатывающего завода.

Рисунок 2.4 - разрез промышленной ректификационной колонны и фотография работающей ректификационной колонны на нефтеперерабатывающем заводе

В зависимости от внутреннего устройства колонны делятся на два типа: насадочные, где контактирование фаз осуществляется непрерывно, и тарельчатые, где контактирование фаз происходит ступенчато. [19]

Насадочная колонна наиболее проста по конструкции (рисунок 2.5) и представляет собой цилиндрический вертикальный аппарат, заполненный по всей высоте или отдельными секциями насадкой, выполненной из инертных материалов определённой конфигурации. Такие колонны применяются в основном для малотоннажных производств. В последнее время появились более перспективные насадки, применение которых позволяет применять насадочные ректификационные колонны в таких производствах как вакуумная ректификация мазута, газоразделения и др. Насадка предназначена для создания большой поверхности контакта фаз. Насадочные колонны большого диаметра для ректификации не применяются, так как в них невозможно добиться равномерного распределения стекающей вниз жидкости по всему поперечному сечению аппарата.

1 — оросительная тарелка; 2 — перераспределительное устройтво; 3—насадка; 4—корпус; 5— люки.

Рисунок 2.5 - Насадочная ректификационная колонна

Основными конструктивными характеристиками насадки является ее свободный объем и удельная поверхность.

Свободный объем насадки - это суммарный объем пустот между насадочными телами в единице объема, занимающего насадкой (м³/м³). [ Скобло] Производительность насадки прямолинейно зависит от свободного объема, но при этом снижается эффективность ее работы.

Удельная поверхность насадки – это суммарная поверхность насадочных тел в единице занимаемого насадкой объема аппарата (м²/м³). Чем больше удельная поверхность насадки, тем выше эффективность работы колоны, но производительность при этом уменьшается. Большая удельная поверхность насадки приводит к увеличению гидравлического сопротивления в колонне.

Существуют две конструкции насадок – регулярные и нерегулярные (насыпные).

В зависимости от материала, используемого для изготовления насадок, они разделяются на керамические, металлические, стеклянные, стеклопластиковые, пластмассовые и др.

Регулярные насадки отличаются упорядоченной ориентацией отдельных структурообразующих элементов в пространстве.Условно такие насадки поделены на две группы – блочные (и рулонные) и с индивидуальной укладкой (рисунок 2.6 , позиция а).

В качестве нерегулярной насадки используются твердые тела различной формы, загруженные в корпус колонны в навал. Самыми распространенными элементами нерегулярной насадки являются керамические кольца Рашига и сёдла Берля, из нержавеющей стали кольца Паля и др (рисунок 2.6, позиция б).

Насадку в колоннах укладывают на опорно-распределительные решетки или плиты. Свободное сечение их должно быть приближено к свободному сечению насадки, а отверстия исключать провал самой насадочных тел.

а) б)

а – пакет регулярной насадки Меллапак фирмы «Sulzer»; б- элементы, используемые в насадочных колоннах (нерегулярные насадки)

Рисунок 2.6 – Вид насадки для насадочной ректификационной колонны

Тарельчатые колонны также представляют собой цилиндрический вертикальный аппарат, внутри которого горизонтально смонтированы специальные устройства – тарелки, имеющие весьма разнообразную конструкцию Эскиз аппарата представлен на рисунке 2.7 [19].

1 – штуцер вывода паров по шлемовым трубам; 2 – штуцер верхнего орошения; 3 – люки; 4 – штуцера отбора боковых погонов; 5 – отбойники; 6 – гидравлический затвор; 7 – штуцера ввода сырья; 8 – улита; 9 – тарелка; 10 – корпус; 11 – трубчатый маточник для подачи водяного пара; 12 – опора; 13 – штуцер для вывода нижнего остатка.

Рисунок 2.7 - Общий вид тарельчатой ректификационной колонны