Основные типы ректификационных колонн

Ректификационные колонны, представляющие собой вертикальные цилиндрические аппараты, бывают насадочные и тарельчатые (барботажные), которые не отличаются по устройству от абсорберов аналогичных типов. Высота ректификационных колонн составляет 10-100 м и более, диаметр 0,5-6 м и более.

В насадочных ректификационных колоннах (рис. 6.28) в качестве насадки обычно применяются кольца Рашига разме­ром 25x25x3 мм (диаметр-высота-толщина) из керамики, которые укладываются навалом на опорные решетки.

Достоинства и недостатки насадочных колонн были рассмотрены в п. 6.2.3. (стр. 197). При проведении процессов ректификации имеют значе­ние: низкое гидравлическое сопротивление слоя насадки (этот фактор име­ет значение при проведении ректификации в вакууме); возможность быст­рого опорожнения от жидкости при остановке, а также неравномерное распределение жидкой фазы по сечению колонны в слое насадки, что требует устройства специальных направляю­щих конусов и ограничивает диаметр ко­лонн (примерно до 1 м). В насадочных ко­лоннах трудно добиться достаточно четко­го разделения компонентов.

В барботажных ректификационных колоннах в качестве массотеплообменных устройств используются тарелки (гори­зонтальные диски специальной конструк­ции) как с организованным, так и с неор­ганизованным переливом жидкости (рис. 6.29).

К основным достоинствам барботажных колонн относятся: хороший контакт между фазами; возможность разделения компонентов с высокой степенью четко­сти; возможность работы при значитель­ном снижении расхода жидкости, а также с загрязненной механическими примесями жидкостью. Основной недостаток - слож­ность конструкции.

Габаритные размеры (диаметр и вы­соту) ректификационных колонн (так же, в зависимости от физических свойств разгоняемых жидкостей, производительности колонны по пару, четкости рек­тификации, конструкции устройств, обеспечивающих массотеплообмен (насадка или барботажные тарелки).

Диаметр колонны определяют из уравнения расхода для потока паро­вой фазы:

(6.56)

где W- расход проходящего по колонне пара, м³/с; W = G_p(R+1)/p_n; р_п - плотность пара при рабочих условиях; ω - скорость пара в свободном се­чении колонны.

Для тарельчатых (барботажных) колонн оптимальную скорость пара рассчитывают по формуле

(6.57)

где С - коэффициент, зависящий от конструкции тарелок, расстояния ме­жду ними, рабочего давления, нагрузки колонны по жидкости; значения коэффициента С изменяются от 0,02 (для колпачковых тарелок с капсульными колпачками при расстоянии между тарелками 150 мм) до 0,1 (для ситчатых тарелок при расстоянии между ними 700 мм); р_ж - плотность жидкости.

Так как скорость пара в колоннах небольшая (в тарельчатых она обычно не превышает 0,5 м/с, а в насадочных - 1,5 м/с), то диаметр колонн лимитируется расходом пара: чем больше массовая производительность колонны по пару, тем больше ее диаметр.

Высота ректификационных колонн зависит от многих факторов и, в первую очередь, от чистоты дистиллята (четкости ректификации) и разно­сти температур кипения разделяемых компонентов. Чем выше чистота по­лучаемого дистиллята и меньше разность температур кипения чистых компонентов, тем больше будет высота колонны.

Из приведенной на рис. 6.30 расчетной схемы определения высоты колонны видно, что

, (6.58)

где h_в - высота колонны над ее укрепляющей частью; обычно принимают h_в в пределах 0,5-1 м; h_э- высота эвапорационного объема, принимаемая из конструктивных соображений; h_э в метрах примерно равна удвоенной скорости пара в м/с (т.е. h_э = 2 ω); h_н - высота нижней части колонны, зависящая от спосо­ба ее обогрева, но не менее 1 м.

Высоты укрепляющей h_у и исчерпы­вающей h_н частей колонны определяют рас­четом в зависимости от теоретического числа тарелок, или числа единиц переноса (число единиц переноса изменение рабочих концентраций на единицу движущей силы), n_т и высоты теоретической тарелки (высоты единицы переноса) h, которые зависят от типа насадки или тарелки. Приближенно можно принимать h[м] = ω[м/с].

Теоретическое число тарелок n_т можно определить графически как количество рав­новеликих ступенек, вписанных в простран­ство между рабочими линиями процесса и равновесной кривой (рис. 6.31). Построение ступенек ведут от точки а к точке d для определения числа тарелок в укрепляющей час­ти (n_ту) и от точки d к точке с - в исчерпы­вающей части (n_ти) колонны.

В данном случае можно принять: n_ту = 3 и n_ти = 2. Для насадочных колонн значения величин h_v и h_и находят из выраже­ний:

и (6.59)

Для барботажных колонн значения величин h_у и h_и определяют по фактическому числу тарелок с использованием коэффициента полезного действия (КПД) тарелки η:

(6.60)

Величина η учитывает реальные условия массообмена на тарелках: она зависит от конструкции тарелок, размера, гидродинамических факто­ров, физико-химических свойств пара и жидкости и определяется опытным путем (обычно КПД тарелки находится в пределах 0,3-0,8).

Высоты укрепляющей и исчерпывающей частей барботажной колон­ны определяют по формулам:

и (6.61)

Для анализа пожарной опасности процесса ректифи­кации в случае нарушения нормального режима конден­сации паров в дефлегматоре необходимо знать тепловую нагрузку дефлегматора (Q_дф), которую при работе колонны по схеме с полной конденса­цией паров можно рассчитать по формуле

, (6.62)

где r_нк и r_вк – теплоты испарения флегмы, Дж/моль; величину г_ф определяют из выражения

(6.63)

где г_нк и г_вк - теплоты испарения НК и ВК, Дж/моль.

Ректификацию двухкомпонентных смесей производят на простой рек­тификационной колонне, которая является основной частью достаточно сложной установки, состоящей из различных по назначению и принципу действия аппаратов. Схема непрерывно действующей ректификаци­онной установки с горячим орошением показана на рисунке 6.32.

Исходная смесь забирается из сборника 1 насосом 2, предварительно нагревается в подогревателе 3 и направляется в кипятильник 4. Кипящая смесь с постоянным расходом поступает в эвапоратор ректификационной колонны 5, где она разделяется на паровую и жидкую фазы. С верхней час­ти колонны пары отводятся в дефлегматор б, где частично конденсируют­ся. Образующаяся в дефлегматоре 5 горячая флегма отделяется от пара в сепараторе 7 и направляется на орошение верхней части колонны. В кон­денсаторе-холодильнике 8 пары полностью конденсируются, образующий­ся конденсат охлаждается и поступает в сборник дистиллята 10.

Для непрерывной генерации пара в нижней части колонны имеется кипятильник 9. Отсюда же отводится кубовой остаток, который предвари­тельно охлаждается в теплообменнике 3, отдавая свое тепло холодной исходной смеси, затем окончательно охлаждается до необходимой тем­пературы в холодильнике 12 и поступает в сборник остатка 11.

Многокомпо­нентную смесь можно разогнать на состав­ляющие компоненты на нескольких простых колоннах (рис. 6.33) или на одной сложной колонне. Сложные ко­лонны применяют при переработке нефти.

Орошение ректи­фикационных колонн может быть горячим (рис. 6.25) и холодным (рис. 6.32 и 6.34). Горячее орошение экономичнее холодного, но более сложного устройства. В каче­стве дефлегматоров применяются конденсаторы воздушно­го охлаждения, погружные или кожухотрубные конденсаторы с водяным охлаждением. Кон­денсаторы воздушного охлаж­дения

экономичнее кожухотрубных. Кроме того, в случае повреждения труб или труб­ных решеток кожухотрубного дефлегматора имеется опас­ность попадания хладоносителя (воды) в колонну.

Выбор способа воспроиз­водства пара в кубовой части колонны зависит от многих факторов. В периодически действующих или непрерывно действующих колоннах небольшой произ­водительности по пару при температуре кипения остатка до 150°С и при отсутствии в нем загрязняющих теплообменные поверхности примесей используются встроенные в кубовую часть колонны кипятильники змеевикового или трубчатого типа (поз. 9 на рис. 6.32), обогреваемые водяным паром.

Обогрев острым паром (рис. 6.35) производится в случаях, ко­гда необходимо снизить темпера­туру перегонки высококипящей смеси с целью предотвращения ее термического разложения (на­пример, при разгонке мазута), выделить из смеси вещество с низкой температурой кипения (например, при выделения бензо­ла из каменноугольного масла) или разделить раствор, из которо­го выделяемое вещество отгоня­ется в виде азеотропной смеси с водой (например, при выделении скипидара из живицы).

При больших поверхностях теплообмена или наличии в кубовом ос­татке загрязняющих поверхности теплообмена примесей применяются вы­носные кипятильники с естественной или принудительной циркуляцией остатка (рис. 6.36.а). Обычно устанавливают два и более кипятильников, которые периодически останавливают для очистки теплообменных по­верхностей от отложений.

При высокой температуре кипения остатка вместо кожухотрубных кипятильников применяются трубчатые печи (рис. 6.36.6). Их широко ис­пользуют в высокопроизводительных ректификационных установках неф­теперерабатывающей, нефтехимической и других отраслей промышленно­сти для нагрева до кипения (150-350 °С и выше) нефти, продуктов ее пере­гонки или других жидкостей.

При переработке коррозионно-активных и загрязненных механиче­скими примесями жидкостей корпуса ректификационных колонн собирают из отдельных царг, соединяемых между собой фланцами на прокладках. Цельносварные колонны применяются на производствах, связанных с пе­регонкой и ректификацией сжиженных горючих газов, легковоспламе­няющихся и горючих жидкостей. Для монтажа и демонтажа тарелок на корпусах цельносварных колонн имеются люки и лазы. В качестве мате­риалов для изготовления ректификационных колонн применяются стали различных классов, чугуны, титановые сплавы, медь и другие материалы.