Вы вошли как ГостьПриветствую Вас, Гость
Главная » 2013 » Август » 25 » Ректификация
12:16
Ректификация

Ректификация является промышленным аналогом многократной фракционной перегонки, это один из основных методов тонкого разделения смесей жидкостей. Впервые ректификацию применили в середине 80-х годов 19-го века для фракционного разделения нефти. До этого, нефти разгоняли на две фракции: керосин и мазут. Керосин использовали в лампах для освещения и в горелках, для бытовых нужд. Мазут сжигали в системах отопления. Ректификация позволила проводить тонкое разделение нефти на фракции, вплоть до выделения отдельных углеводородов технической чистоты. Что стало сильным стимулом для развития химической промышленности органических соединений.

Основой ректификационной установки является ректификационная колонна. Ректификационная колонна – это вертикальный трубчатый аппарат, как правило, непрерывно действующий, в нем происходит испарение и конденсация смеси жидкостей или сжиженных газов, за счет чего происходит их разделение на фракции по температуре кипения.

Нижний и верхний срезы колонны закрыты крышками овальной формы, это дань классике, так как, часто ректификацию проводят при пониженном или повышенном давлении, и данная форма крышек повышает прочность аппарата. Внутри колонны располагаются "тарелки”, то есть, поперечные пластины с отверстиями, разделяющие колонну на небольшие отрезки. Каждая тарелка связанна с нижней и верхней посредством тепло- и массопередачи. Теплопередача производится за счет теплопроводности металла тарелки, массоперенос на нижерасположенную тарелку происходит за счет силы тяжести, при переливании жидкости. Массоперенос на верхнюю тарелку происходит при подъеме парообразных компонентов смеси наверх, ввиду их меньшей плотности, чем парообразная среда верхней тарелки.

Следует помнить, что в ректификационной колонне во время работы нет или практически нет воздуха и других газов, они туда могут попасть только в виде раствора в исходной разделяемой жидкости. В колонне находятся только компоненты смеси, в жидком или парообразном состоянии.

Фактически, ректификационная колонна является большим и сложным дефлегматором, в котором непрерывный процесс испарения и конденсации компонентов смеси искусственно разделен тарелками на отдельные области, характеризующиеся своим фракционным составом смеси. Это не единственное отличие ректификационной колонны от перегонного аппарата, в перегонном аппарате происходит конденсация высококипящих компонентов на стенках аппарата и их стекание под действием силы тяжести вниз, в ректификационной колонне имеется отдельный аппарат – дефлегматор, принудительно направляющий часть дистиллята (то же самое, что и флегма и легкокипящая фракция) на орошение верхней части колонны. Это делается для повышения содержания низкокипящего компонента в жидкой фазе верхней тарелки. Чем выше концентрация низкокипящего компонента на верхней тарелке колонны, тем выше его концентрация в паровой фазе над этой жидкостью. Значит, чище будет флегма на выходе. А цель любой установки для разделения и очистки состоит в получении максимально чистых фракций, в идеале – чистых веществ.

На рисунке 1 представлена ректификационная установка, схема слегка упрощена, на ней не показаны насосы и напорные емкости, и, конечно же, контрольно-измерительные приборы.

ректификационная установка

Рисунок 1.

В центре схемы изображена ректификационная колонна, в ней показаны 16 тарелок, данное обозначение принято для ситчатых тарелок. То есть, простейшего конструкционного оформления тарелок колонны, когда тарелка представляет собой пластину с мелкими отверстиями и переливными устройствами. Исходная смеси (1) поступает в среднюю часть колонны на питающую тарелку. Предварительно, эта смесь подогревается (1.1) до температуры, немного ниже, чем температура кипения легкокипящей фракции. Это делается для повышения эффективности колонны при тех же ее размерах.

В нижней части колонны расположена система подогрева, состоящая, в данном случае из вынесенного за пределы колонны теплообменника. Теплообменник может быть встроенным в нижнюю часть колонны и выполнять функцию импровизированного куба с обогревом посредством системы трубок с перегретым паром.

Кубовый остаток из нижней части колонны (2) делится на две части, одна часть идет на подогрев в теплообменник (2.1) и возвращается в колонну для ее обогрева, вторая часть охлаждается водой и идет на склад (2.2).

Дистиллят (3) также делится на две части в специальном крановом устройстве, обозначенном в данном случае зеленым кубиком. Одна часть возвращается для орошения верхней тарелки (3.1), вторая часть охлаждается до комнатной температуры и подается на склад (3.2). Соотношение количества флегмы уходящей на склад к флегме, идущей на орошение колонны называется "флегмовое число колонны” и определяется требуемой чистотой дистиллята от высококипящих фракций.

Что сразу бросается в глаза, это большой расход энергии (подводимой с горячим паром и электрической, для перекачивания жидкостей) и охлаждающей воды (которая после обогрева в теплообменнике, поступает на охлаждение в природный водоем или другой теплообменник для отдачи тепла во внешнюю среду). Это делает ректификацию более затратным делом, чем обычная перегонка, но, по эффективности ректификация иногда превосходит последовательную перегонку в последовательном ряду перегонных аппаратов, равном числу тарелок в колонне. Обычно, в колонне ставят от 10 до 50 тарелок, чаще всего 15-40. Меньшее число не имеет смысла, так как, потребуется большое флегмовое число, или мала будет эффективность процесса ректификации. Слишком большое число тарелок делает высоты колонны слишком большой, а гидравлическое сопротивление всех тарелок высоким. Это осложняет монтаж колонны, ее расчет и обслуживание.

Если одна колонна не справляется с разделением, тогда ставят ряд колонн, в которых, кубовый остаток и флегма подаются в качестве исходного сырья в последующие колонны. При достаточно длинном ряду колонн удается разделить туже нефть на петролейный эфир и чистые углеводороды с н-гексана (С6Н14) до вазелиновых фракций (до С18Н38, более высокие фракции разделять дробно, как правило, не требуется).

Основное конструкционное отличие ректификационных колонн – тип применяемых тарелок. Наибольшее распространение получили: ситчатые тарелки, колпачковые тарелки и клапанные тарелки. Наиболее распространенными являются колпачковые тарелки (Рисунок 2).

 

тарельчатая колонна

Рисунок 2.

На рисунке показана только по одному колпачку на тарелке, на практике их от 25 до 200 штук на тарелку. Цифрой 1 обозначен корпус ректификационной колонны, цифрой 2 обозначено переливной устройство для конденсата (труба, постоянно заполненная жидкостью). Цифрой 3 обозначен сам колпачок, он имеет зубчатый край или отверстия вдоль ободка, это сделано для более равномерного борботирования пара через жидкость на тарелке. Цифрой четыре показана пластина тарелки. Черными стрелками указанно направление движения пара при его подъеме на верхнюю тарелку. При этом, он поднимается по трубке под колпачком и проходя под ободком колпачка, борботируется ("пробулькивается”) сквозь жидкость, при этом он несколько охлаждается, нагревая жидкость. За счет чего происходит испарение легкокипящих компонентов из жидкости и конденсация высококипящих компонентов из пара. Сконденсировавшаяся жидкость сливается через патрубки на нижние тарелки, а пар поднимается на верхние тарелки.

Клапанные тарелки используются только в случае низкой вязкости жидкой фазы или низкой интенсивности режима ректификации, когда напора поднимающегося пара недостаточно для удержания жидкости на тарелках. Клапаны открываются напором пара, закрываются под собственным весом и напором жидкости на тарелке. В остальном, клапанная тарелка аналогична ситчатой.

Таким образом, жидкая фаза на нижних тарелках колонны насыщенна высококипящим компонентом, а жидкость на верхней тарелке насыщенна легкокипящим компонентом. Температура на нижних тарелках всегда выше, чем на верхних. Стандартно, температура на самой нижней тарелке на 2-4оС ниже, чем температура кипения высококипящего компонента. А температура на верхней тарелке на 1-2оС выше, чем температура кипения высококипящего компонента. Максимальная температура в колонне наблюдается на обогревающей тарелке, то есть, той на которую поступает подогретый кубовый остаток (2.1). Обычно, это 2-4 тарелка снизу, но, не менее чем за 3-4 тарелки до питающей тарелки.

На рисунке 3 представлена упрощенная схема ситчатой колонны, это наиболее простая в производстве колонна. Ее использование возможно при достаточной вязкости жидкой среды, чтобы она удерживалась на тарелках под напором восходящего пара. Этот тип колонн отличается максимальной производительностью, но, требует наиболее тонкого регулирования хода процесса, что не проблема при современных КИП и программном обеспечении. Паровая фаза интенсивно борботируется через отверстия в тарелках (2), расположенных в корпусе колонны (1). Жидкая фаза сливается на нижние тарелки по переливным патрубкам (3), опущенным в гидравлические затворы (4). Для ситчатых колонн используются более толстые листы стали для тарелок или специальные распорки из уголка или швеллера для обеспечения прочности. Особенно для колонн большого диаметра.

ситчатая колонна

Рисунок 3.

В результате всех проектно-конструкторских изысканий, мы имеем что-то, аналогичное изображению на рисунке 4.

ректификационная колонна

Рисунок 4.

Уже более столетия ректификация является одним из важнейших промышленных процессов, на которых основана химическая промышленность. Существуют даже домашние аналоги ректификационных установок. Правда, их основное назначение – очистка пищевого спирта и топлива для ДВС (если кто-то дома импровизирует топливо для своего железного коня или моделек с ДВС различного типа). Фактически, такие "установочки” можно рассматривать или как упрощенную до беспредела ректификационную установку или как что-то среднее между ректификацией и перегонкой.

На этом мы закончим краткое знакомство с ректификацией. Более детальный разбор процесса и расчет узлов данной системы мы, возможно, разберем в дальнейшем. А пока, если у кого-то есть вопросы, с готовностью отвечу на форуме.

Категория: Очистка и выделение веществ | Просмотров: 6417 | Добавил: Chemadm | Теги: основы ректификации, ректификация жидкостей, ректификационное выделение | Рейтинг: 4.7/35
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]