Ректификация

I Введение

 

 

Ректификация – массообменный  процесс, который осуществляется в  большинстве случаев в противоточных  колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными используемыми в процессе абсорбции. Поэтому  методы подхода к расчету и проектированию ректификационных и абсорбционных установок имеют много общего. Тем не менее, ряд особенностей процесса ректификации (различное соотношение нагрузок по жидкости и пару в нижней и верхней частях колонны, переменные по высоте колонны физические свойства фаз и коэффициент распределения, совместное протекание процессов массо - и теплопереноса) осложняет его расчет.

Одна из сложностей, с которой  встречаются проектировщики, заключается  в том, что в литературе отсутствуют  обобщенные закономерности для расчета кинетических коэффициентов процесса ректификации. В наибольшей степени это относится к колоннам диаметром более 800 мм с насадками и тарелками, широко применяемым в химической технологии.

Ректификация – это массообменный  процесс, т. е. процесс, при котором вещество переходит из одной фазы в другую путем диффузии при определенных рабочих условиях.

В химической, нефтехимической и  других отраслях промышленности массообменные  аппараты составляют значительную долю всего оборудования. Конструкции  массообменных аппаратов весьма разнообразны. В зависимости от способа организации контакта фаз колонные аппараты подразделяют на тарельчатые, насадочные, пленочные, а в зависимости от рабочего давления – на работающие под вакуумом (для разделения смесей, являющихся газообразными при нормальных температурах).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Изм	Лист	№ документа	Подпись	Дата
Разработал					Введение	Лит	Лист	Листов
Принял
Проверил
Н. контр.

 

 

 

 

II Технологическая схема установки

 

 

Рис. 1  Принципиальная схема ректификационной установки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 - емкость для исходной смеси

2,9 - насосы

3 - теплообменник - подогреватель

4 - кипятильник

5 - ректификационная колонна

6 - дефлегматор

7 - холодильник дистиллята

8 - емкость для сбора дистиллята

10 - холодильник кубовой жидкости

11 - емкость для кубовой жидкости

 

Изм	Лист	№ документа	Подпись	Дата
Разработал					Технологическая схема  установки.	Лит	Лист	Листов
Принял
Проверил
Н. контр.

 

 

Исходная смесь из промежуточной  емкости (1) центробежным насосом (2) подается в теплообменник (3), где подогревается  до температуры кипения. Нагретая смесь  поступает на разделение в ректификационную колонну (5)на тарелку питания, где  состав жидкости равен составу исходной смеси .

Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике (4). Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка , т. е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой) состава , которая получается в дифлигматоре (6) путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения - дистиллята, который охлаждается в теплообменнике (7), и направляется в промежуточную емкость (8).

Из кубовой части колонны  насосом (9) непрерывно выводится кубовая  жидкость - продукт, обогащенный труднолетучим  компонентом, который охлаждается в теплообменнике (10) и направляется в емкость (11).

Таким образом, в ректификационной колонне осуществляется непрерывный  неравновесный процесс разделения исходной смеси (бинарной) на дистиллят  с высоким содержанием легколетучего  компонента и кубовый остаток, обогащенный  труднолетучим компонентом. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

						Лист

 

 

 

III Выбор конструкции основного аппарата

Выбор конструкционных  материалов

 

Современные ректификационные аппараты можно классифицировать в зависимости от технологического назначения, давления и внутреннего устройства, обеспечивающего контакт между паром и жидкостью.

По технологическому назначению ректификационные аппараты подразделяются на колоны атмосферновакуумных  установок, термического и каталитического  крекингов, вторичной перегонки  нефтепродуктов, а также на колонны для ректификации газов.

В зависимости от применяемого давления аппараты подразделяются на вакуумные, атмосферные и работающие под  давлением.

В зависимости от внутреннего устройства различают аппараты тарельчатые, насадочные, пленочные и роторные. В нефтяной, нефтехимической и газовой промышленностях в настоящее время наиболее широко распространены тарельчатые и насадочные колонны, в связи с чем в литературе рассматривается расчет и конструирование только этих колонн.

К современным ректификационным аппаратам предъявляются следующие требования: высокая производительность и разделительная способность, достаточная надежность и гибкость в работе, низкие эксплутационные расходы, небольшой вес, простота и технологичность конструкции. Последние требования не менее важны чем первые, поскольку они не только определяют капитальные затраты, но и, в значительной мере, влияют на величину эксплутационных расходов, обеспечивают легкость и удобство изготовления аппарата (особенно при серийном изготовлении) монтажа и демонтажа, ремонта, испытания, безопасность эксплуатации.

В настоящее время особенно важное значение приобретает надежность работы ректификационных аппаратов, производящих сырье для нефтехимических процессов, в связи с тем, что эти установки стоят во главе целого нефтехимического комплекса, стоимость которого во много раз превышает стоимость самих установок. Оборудование должно работать надежно в широком диапазоне изменения нагрузок.

Кроме перечисленных выше требований ректификационные аппараты должны отвечать также требованиям государственных стандартов.

Колонные аппараты изготовляют  диаметром 400-4000 мм: для работы под  давлением до 16 кгс/см (1,6 МПа) - в царговом (на фланцах) исполнении корпуса, для работы под давлением до 40 кгс/см (4,0 МПа), под атмосферным давлением или под вакуумом (с остаточным давлением не ниже 10 мм рт. ст.) - в цельносварном исполнении корпуса.

В зависимости от диаметра колонны  аппараты изготавливают с тарелками  различных типов.

Колонные аппараты диаметром 400-4000 мм оснащают стандартными контактными и распределительными тарелками, опорными решетками, опорами, люками, поворотными устройствами, днищами и фланцами.

Колонные аппараты диаметром 400-800 мм  изготовляют в царговом исполнении. Для равномерного распределения жидкости по поверхности насадки аппараты оснащены распределительными тарелками типа ТСН-III и перераспределительными типа ТСН-II.

 

 

 

Изм	Лист	№ документа	Подпись	Дата
Разработал		Караульщикова			Выбор конструкции основного  аппарата. Выбор конструкционных  материалов.	Лит	Лист	Листов
Принял		Тлеуов А. С.
Проверил
Н. контр

 

Распределительную тарелку типа ТСН-III устанавливают в верхней части аппарата, перераспределительную типа ТСН-II под опорной решеткой для насадки. Каждый ярус насадки опирается на опорную решетку. Высоту яруса насадки указывает заказчик. Для каждого яруса насадки на корпусе аппарата имеется два люка диметром 500 мм каждый.

На корпусе цельносваренного тарельчатого аппарата предусмотрены люки для обслуживания тарелок. Люки рекомендуется предусматривать для каждых 5-10 тарелок, располагая их попеременно с диаметрально противоположных сторон корпуса.

При выборе конструкционных материалов для основного аппарата обращают внимание на рабочие параметры: температуру, состояние технологической среды в аппарате и ее воздействие на конструкционный материал.

Сталь Х18Н10Т (ГОСТ 5632-61)характеризуется  коррозийной стойкостью во многих агрессивных  средах. Сталь склонна к межкристаллической коррозии при нагреве в интервале температур 500-800 С, а также к коррозийному растрескиванию, что может быть предотвращено в результате стабилизирующего обжига металла. Сталь технологична в обработке, хорошо деформируется в горячем и холодном состоянии. Сталь хорошо сваривается всеми видами сварки и не требует специальной термической обработки изделия после сварки.

 

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

						Лист

 

 

 

IV Технологический и конструктивный расчет основного аппарата.

 

Расчет ректификационной колонны  сводится к определению ее основных геометрических размеров - диаметра и  высоты. Обе эти величины в значительной мере определяются гидродинамическим  режимом работы колонны, который  в свою очередь зависит от скоростей и физических свойств фаз, а также от типа и размеров тарелок.

Большое разнообразие тарельчатых  контактных устройств затрудняет выбор  оптимальной конструкции тарелки. При этом наряду с общими требованиями (высокая интенсивность единицы объема аппарата, его стоимость и др.) выдвигаются требования, обусловленные спецификой производства: большой интервал устойчивой работы при изменении нагрузок по фазам, возможность использования тарелок в среде загрязненных жидкостей, возможность защиты от коррозии и т. п. Зачастую эти характеристики тарелок становятся превалирующими, определяющими пригодность той или иной конструкции для использования в каждом конкретном процессе.

Размеры тарельчатой колонны (диаметр  и высота) обусловлены нагрузками по пару и жидкости, типом контактного устройства (тарелки), физическими свойствами взаимодействующих фаз.

В колоннах с провальными тарелками  с достаточной достоверностью можно  принять движение газа соответствующим  модели идеального вытеснения и полное перемешивание жидкости на каждой ступени. В этом случае, пренебрегая влиянием уноса жидкости, при большом числе тарелок в колонне (больше 8-10 шт.) движущую силу можно рассчитывать как для противоточного аппарата.