Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Общие признаки массообменных процессов

Массообменные или диффузионные процессы связаны с переходом компонентов из одной фазы в другую с целью их разделения.

Все массообменные процессы обладают рядом общих признаков.

Они применяются для разделения смесей.

В любом процессе участвуют, по крайней мере, две фазы: жидкая и паровая (перегонка и ректификация), жидкая и газовая (абсорбция), твердая и парогазовая (адсорбция), твердая и жидкая (адсорбция, экстракция), две жидких (экстракция).

Переход вещества из одной фазы в другую осуществляется за счет диффузии.

Движущей силой массообменных процессов является разность концентраций или градиент концентраций. Процесс протекает в направлении той фазы, в которой концентрация компонента меньше.

Перенос вещества из одной фазы в другую происходит через границу раздела фаз, на которой предполагается состояние равновесия фаз.

Диффузионные процессы обратимы, т.е. направление процесса определяется законами фазового равновесия.

7.Переход вещества из одной фазы в другую заканчивается при достижении динамического равновесия.

Состояние равновесия следует понимать так, что обмен между фазами не прекращается, однако скорости перехода компонентов из одной фазы в другую выравниваются.

Классификация массообменных процессов



Фаза источник
Фаза приемник		Г	Ж	Т
	Г	Мембранные процессы	перегонка ректификация Десорбция I	Десорбция II
	Ж	абсорбция	экстракция	Десорбция II
	Т	адсорбция	Фазовый переход 2 рода

Ректификация- процесс многократного противоточного контактирования встречных неравновесных потоков пара и жидкости с целью разделения жидких гомогенных смесей на фракции.

Абсорбция - процесс избирательного поглощения компонентов газовой смеси жидким поглотителем - абсорбентом.

Экстракция- процесс избирательного извлечения компонентов из жидкой смеси (или из твердого вещества) жидким экстрагентом.

Адсорбция - процесс избирательного поглощения компонентов газовой или жидкой смеси твердым поглотителем - адсорбентом.

Сушка - процесс удаления жидкости (влаги) из твердых материалов

Мембранные процессы - избирательное извлечение компонентов смеси или их концентрирование с помощью полупроницаемой перегородки- мембраны.

2. Основное уравнение массопередачи

массообменный гиббс ректификация абсорбция

Известны два вида переноса вещества - молекулярная и конвективная диффузия Молекулярная диффузия обусловлена переносом молекул вещества из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией и протекает в неподвижной среде или ламинарных пограничных слоях.

Скорость переноса вещества из одной фазы в другую dM пропорциональна движущей силе процесса , характеризующей степень отклонения систем от состояния равновесия, и поверхности контакта фаз dF . Следовательно:

( 4 )

где К коэффициент масссопередачи.( аналогично с теплопередачей)

Коэффициент массопередачи характеризует массу вещества, переданную из одной фазы в другую в единицу времени через единицу поверхности контакта фаз при движущей силе процесса, равной единице.

Коэффициент массопередачи отражает уровень интенсификации процесса: чем больше величина К, тем меньше их размеров требуется аппарат для передачи заданного количества вещества. Одновременно следует воздействовать и на величину поверхности контакта фаз, стремясь ее максимальному развитию и обновлению в единице объема аппарата. Наибольшее влияние на интенсивность массоперенос оказывают гидродинамические и конструктивные факторы.

3. Правило фаз Гиббса применение к процессам массообмена

При равновесии во всех частях системы должны быть постоянными давление и температура, в противном случае будут протекать процессы массо- и теплообмена.

Для равновесных систем выполняется правило фаз Гиббса, которое устанавливает зависимость числа степеней свободы (N)

N=К+2-Ф (5)

где N число степеней свободы системы; К число компонентов; Ф число фаз.

Число степеней свободы системы - это число независимых переменных (температура, давление, концентрация компонентов), которые можно произвольно в определенных пределах изменять, не изменяя равновесие системы.

В равновесной системе (N = 0) число сосуществующих фаз не может быть более Ф=К+2.

Для двухфазных систем, число степеней свободы системы равно числу компонентов (N = К). В основном в курсе далее будут рассмотрены двухфазные системы.

Бинарная смесь К=2, N=2, можно изменять температуру и концентрации, при постоянном внешнем давлении. В аппарате должен быть градиент t и x при постоянном р.

Для много компонентных систем (нефть) К>? и N>?, Поэтому для многокомпонентных систем (характерных для нефтепереработки) число степеней свободы может быть весьма велико.

Массовый, мольный и объемный состав

Массовая доля компонента определяется отношением массы данного компонента к массе всей смеси

( 1 )

Учитывая, что суммарная масса смеси равна сумме масс отдельных компонентов смеси т.е.

( 2 )

можно написать

( 3 )

т.е. сумма массовых долей всех компонентов смеси равна единице

Мольная доля какого - либо компонента смеси определяется как отношение числа молей данного компонента к общему числу молей смеси

( 4 )

где N_i число молей, определяется по следующему соотношению:

( 5 )

( 6 )

Объемная доля компонента в смеси равна отношению объема данного компонента к объему всей смеси

( 7 )

( 8 )

Объемные доли применяют в тех случаях, когда при смешении не происходит изменения объема компонентов.

Для взаимного пересчета массовых и мольных долей используют следующие соотношения:

 ( 9 )

( 10 )

При пересчете объемных концентраций в массовые или мольные (например, при пересчете кривых разгонки, построенных в объемных долях) пользуются соответствующими формулами расчета:

(11)

где с_см средняя плотность смеси.

4. Сущность процесса ректификации

Известны различные подходы и способы по обоснованию технологии перегонки и ректификации, а также принципов выбора конструкции аппарата для разделения бинарной смеси.

В качестве примера рассмотрим разделение бинарной смеси бензол-толуол. Известны состав и свойства компонентов исходной смеси. Проведем серию экспериментов. Поместим в перегонную колбу (рисунок 4.1) жидкость с известным составом (бензола 40 % и толуола 60%), при этом необходимо из этой смеси получить конденсат с составом бензола 99,9 % и толуола 0,01%.

После постепенного испарения и конденсации (рисунок 4.1) определим состав конденсата, получилось бензола 85% и толуола 15%. Т.е. достаточно хорошая степень разделения компонентов при постепенном испарении не достигается. Данная конструкция неприемлема на практике.

Принцип однократного испарения (конденсации) реализуется в пустотелом аппарате, называемом газосепаратор или пароотделитель (рисунок 4.1), полученный состав конденсата является неприемлемым (бензола 65% и толуола 35%), однако конструкция аппарата является более удачной по сравнению с предыдущим аппаратом.

Повторим несколько раз процессы однократного испарения и конденсации, поставив серию таких аппаратов (рисунок 4.1). При этом достигается желаемые составы паровой и жидких фаз, но масса конденсата незначительна по сравнению с массой исходной смеси. Также при этой технологии более громоздкое и дорогое аппаратурное оформление.

Все предыдущие недостатки реализуются в одном аппарате, который включает процессы многократного испарения и конденсации на каждой ступени контакта, называемыми тарелками. На любой тарелке колонны происходит контакт между парами, поднимающимися на эту тарелку и жидкостью, стекающей на эту тарелку (рисунок 4.2)

Очевидно, изменение состава фаз будет происходит в том случае, если будет градиент концентраций и температур. Поскольку давление в колонне постоянно, то это условие будет выполняться, если температура потока жидкости будет меньше, чем температура паров. Наименьшая температура должна быть в верхней части колонны, а наибольшая в нижней части колонны. При контакте этих потоков происходит изменение состава фаз до равновесных. В нижней части колонны необходим подвод тепла, а верхней необходимо охлаждение.

Контактирование встречных потоков фаз осуществляется до тех пор, пока не будут достигнуты желаемые составы продуктов колонны. Этот процесс называется ректификацией, и колонна называется ректификационной. Верхняя часть будет концентрационной или укрепляющей, а нижняя часть отгонной или исчерпывающей, место ввода сырья в колонну называется питательной секцией.

Рис.4.1. Основные виды процессов испарения и конденсации:

I--процессы испарения; а--постепенное; б -- однократное (ОИ); в--многократное;

II-- процессы конденсации; а -- постепенная; д - однократная (OK); в -- многократная; 1, 1' -- испаритель; 2, 2' ~ конденсатор; 3 -- приемник; 4, 4' -- испаритель; 5, 5' -- разделительный сосуд (сепаратор)

В зависимости от назначения колонны могут быть полными, которые имеют концентрационную и отгонные секции, или неполными: укрепляющая колонна не имеет отгонной секции, а отгонная колонна - концентрационной секции. Кроме того, различают простые и сложные колонны. В простой колонне сырье разделяется на два продукта, а в сложной колонне число отбираемых продуктов более двух.

Таким образом, обосновали конструкцию аппарата для разделения бинарной смеси и необходимо доказать расчетными методами, что этот аппарат является приемлемым.

5. Изобарные температурные кривые

Построим изобары жидкости и пара ( при постоянном давлении). По оси абсцисс отложены концентрации жидкой и паровой фаз, по оси ординат - температура (рисунок 7.1, нижние кривые) . Получаются две кривые, которые имеют две общие точки: точку А при , отвечающую температуре кипения бензола и точку В при , соответствующая температуре кипения толуола. Кривая АА₁А₂В, определяющая зависимость между температурой системы и составом жидкой фазы, называется линией кипения. Кривая АВ₁В₂В, определяющая зависимость между температурой системы и составом паровой фазы, называется линией конденсации или насыщенных паров.

Пары жидкости могут быть насыщенными и перегретыми. Насыщенным называется пар, находящийся в равновесии с жидкостью. Чем выше температура, тем выше давление, при котором находится данная равновесная система. Для насыщенных паров существует однозначная зависимость между давлением паров и температурой. Ненасыщенными (перегретыми) парами называются пары, которые при данных температуре и давлении образуют однофазную систему. Жидкая фаза отсутствует.

Равновесные паровая и жидкая фазы имеют одинаковые температуру и поэтому на изобарных температурных кривых равновесные составы фаз будут определяться точками пересечения горизонталей, с линиями кипения и конденсации, эти горизонтальные отрезки называются конодами (например А₁В₁).

Область диаграммы, лежащая под кривой АА₁А₂В, отвечает некипящей жидкости (точка F).Область диаграммы выше кривой конденсации АВ₁В₂В, отвечает перегретым парам (точка Е).

Любая точка, лежащая между кривыми конденсации и кипения, например точка C, характеризует двухфазную систему (пар-жидкость).

Закон-Рауля-Дальтона

Изобарные кривые можно построить экспериментально, а также расчетным методом.

Точка А₁ на кривой кипения жидкости может быть найдена по закону Рауля. Парциальное давление компонента p_i идеального раствора равно произведению давления насыщенных паров P_i при данной температуре на мольную концентрацию компонента в жидкой фазе x':

( 20 )

Давление насыщенных паров каждого компонента вычисляют по эмпирическим формулам. Например, по формуле Антуана

( 21 )

где А, В, С - константы, зависящие от свойств вещества и определяемые экспериментально;

t температура.

Известно, что жидкость начинает кипеть при такой температуре, при которой давление ее насыщенных паров становится равным внешнему давлению.

Условие кипящей жидкости:

( 22 )

Откуда

- получили уравнение нижней изобары. ( 23 )

По закону Дальтона парциальное давление компонента газовой смеси равно произведению давления в системе на мольную долю компонента в газовой смеси

( 24 )

При равновесии давление во всех точках системы одинаково. Объединенный закон Рауля-Дальтона

p_i = P_Б x'_i = P y'_i. ( 25 )

, -уравнение верхней изобары ( 26 ).

Следовательно, при данных температуры и давления системы равновесные составы паровой и жидкой фаз однозначно определяются давлениями насыщенных паров компонентов смеси.

6. Уравнение и кривая равновесия фаз бинарной смеси

Составы x' и y' равновесных жидкой и паровой фаз для бинарной смеси могут быть представлены графически при данном давлении системы (рисунок 6.1). Закон Рауля-Дальтона может быть представлен в следующем виде:

Для низкокипящего компонента:

, ( 29 )

Для высококипящего компонента:

( 30 )

Разделим уравнение на уравнение, обозначим P₁ / P₂ = - относительная упругость

( 31 )

Уравнение равновесия фаз представляет собой гиперболу, проходящую через начало координат (рис. 4.2) диаграммы x' - y' (точка 0 и точку А с координатами x' = y' = 1).

Коэффициент относительной летучести возрастает с понижением давления.

Рисунок 6.1 Кривая равновесия

7. Энтальпийная диаграмма

Для анализа и расчета процессов перегонки и ректификации используют энтальпийные диаграммы, дающие взаимосвязь составов жидкой и паровой фаз с их энтальпиями.

Энтальпия (или теплосодержание) жидкости равна количеству тепла, необходимого для нагрева жидкости от 0оС до заданной температуры. Энтальпия пара равна количеству тепла, необходимого для нагрева вещества от 0оС до заданной температуры учетом тепла испарения и перегрева паров.

Величина энтальпии определяется эмпирически по таблицам или по приближенным формулам:

( 27 )

( 28 )

Энтальпийные диаграммы используют при расчетах перегонки и ректификации, когда необходимо одновременно учитывать материальные и тепловые потоки.

На энтальпийной диаграмме приведены кривые энтальпии кипящей жидкости и энтальпии насыщенных паров в зависимости от концентрации.

Любая точка А на энтальпийной диаграмме, лежащая ниже кривой энтальпии жидкой фазы характеризует систему, состоящую только из жидкой фазы. Любая точка А4, лежащая выше кривой энтальпии паровой фазы, состоит из перегретых паров. Точки, расположенные между кривыми, например А₂ характеризует двухфазные системы.

Вертикальные отрезки между кривыми энтальпий паровой и жидкой фаз отвечают скрытой теплоте испарения (конденсации) смеси определенного состава.

Физический смысл величины скрытой теплоты испарения

Т.к. скрытая теплота испарения у разных веществ не совпадают, то энтальпийные кривые жидкости и пара не параллельны.

На энтальпийной диаграмме коноды изображаются наклонными прямыми. Поскольку на графиках изобар коноды располагаются горизонтально, т.е. положение их легко определить, а на энтальпийной диаграмме - наклонно под разными углами к оси абсцисс, то для удобства построений энтальпийную диаграмму обычно совмещают с графиком изобарных температурных кривых (рисунок 7.1) .

Рис.7.1. Представление процесса ОИ (ОК) бинарной смеси на энтальпийной диаграмме и изобарных температурных кривых

Материальный и тепловой баланс ректификационной колонны

На основе материального баланса процесса производится расчет и подбор оборудования. При установившемся режиме массы потоков остаются неизменными и уравнение материального баланса ректификационной колонны выглядит так

F=D+W,

где- F- сырье,

D -дистиллят,

W -остаток,

Для бинарной смеси по НКК

Fx_f=Dy_d+Wx_w ,

Где x_f - доля НКК в сырье,

y_d -доля НКК в дистилляте

x_w - доля НКК в остатке,

Преобразуем

W=F-D

Fx_f= Dy_d- (F-D)x_w

F(x_f- x_w)=D( y_d- x_w)

Потоки колонны и соответствующие концентрации взаимосвязаны и не могут устанавливаться произвольно.

Работа колонны связана с обменом энергии между фазами, В колонне тепло подводится с сырьем и нагревателем и уходит с дистиллятом, остатком и холодильником.

Тепловой баланс ректификационной колонны:

Q_f+Q_н=Q_d+Q_w+Q_х ,

где Q_f -количества тепла вносимого с сырьем,

Q_н -количество тепла, вносимого нагревателем,

Q_d -количество тепла, уходящего с дистиллятом,

Q_w - количество тепла, уносимого с остатком,

Q_х -количество тепла, снимаемого холодильником-конденсатором.

При заданных составах и отборах дистиллята и остатка величины Q_d и Q_w -постоянная величина. Преобразуем предыдущее уравнение:

Q_f+( Q_н- Q_х)= Q_d+Q_w=const

При неизменной температуре и составе сырья Q_f=const, тогда величина ( Q_н- Q_х) =const

Исходя из вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

1)Разность между Q_d и Q_w -постоянная величина

2)При увеличении количества тепла, вносимого с сырьем, необходимо уменьшать нагрев.

Тепловые потоки должны быть увязаны с материальными потоками и качеством получаемых продуктов.

8. Уравнение рабочей линии

Уравнение рабочей линии верхней части колонны.

Составим систему уравнений материальных балансов для верхней секции (рисунок 8.1).

общий:

( 42 )

по низкокипящему компоненту

( 43)

Подставим одно уравнение в другое:

Поделим на D правую часть уравнения



Обозначим R=g_n+1/ D

Преобразуем уравнение

( 44 )

При этом R называется флегмовое число.

Это уравнение называется уравнением рабочей линии встречных неравновесных потоков верхней части колонны, уравнением концентраций, или уравнением оперативной линии. Оно устанавливает связь встречных потоков пара и жидкости в произвольном сечении колонны. В координатах x - y уравнение представляет собой кривую линию, т.к. в общем случае поток флегмы может изменяться по высоте верхней части колонны, что приводит к изменению тангенса угла наклона этой линии. Если поток флегмы не изменяется по высоте колонны, то рабочая линия будет прямой.

На диаграмме рабочая линия верхней части колонны имеет характерные точки (рисунок 9.2).

При x=y_D

получим, y=y_D=x

Одна из этих точек D находится на диагонали и ее положение не зависит от потока паров и флегмы. Вторая точка (B) определяется при x = 0 тогда:

( 45 )

Положение точки B зависит от величины флегмового числа R=g_n+1/ D.

При увеличении R точка B перемещается вниз, а рабочая линия приближается к диагонали. В пределе при R (или g), рабочая линия сольется с диагональю ОА. Этот режим называется режим полного орошения.

Рис. 8.1. Рабочие линии на диаграмме x--у:

I -- равновесная кривая; 2 -- рабочая линия верхней части колонны; 3 -- то же, нижней

Уравнение рабочей линии нижней части колонны

Проанализируем работу нижней части колонны, для чего рассмотрим потоки ниже сечения 2-2 (рисунок 8.1). Система балансовых уравнений имеет следующий вид:

 ( 46 )

для низкокипящего компонента:

( 47 )

Решая совместно уравнения, вставим одно уравнение в другое:

Поделим на W:

обозначим П = G_n / W-паровое число:

Выделим y:

( 48 )

Это уравнение называется уравнением рабочей линии парового орошения или уравнение встречных неравновесных потоков в нижней части колонны.

В координатах x - y уравнение представляет собой кривую линию, т.к. в общем случае поток пара может изменяться по высоте нижней части колонны, что приводит к изменению тангенса угла наклона этой линии. Если поток пара не изменяется по высоте колонны, то рабочая линия будет прямой.

На диаграмме рабочая линия нижней части колонны имеет характерные точки (рисунок 9.4). Одна из этих точек W находится на диагонали и ее положение не зависит от потока паров и флегмы. x=x_w

Другая точка (С) определяется при y = 1, тогда:

( 49 )

Положение точки С зависит от величины парового числа П = G_n / W. При увеличении П точка С перемещается вправо, а рабочая линия приближается к диагонали. В пределе при П (или G), рабочая линия сольется с диагональю ОА. Этот режим называется режим полного орошения.

9. Определение числа теоретических тарелок графическим методом

Одной из основных целей расчета ректификационной колонны является определение числа тарелок, необходимых для разделения данной смеси на ректификат состава y_D и остаток состава x_W , при принятых величинах флегмового и парового чисел и известной кривой равновесия фаз x y (рисунки 9.1 и 9.2). .Теоретической тарелкой (теоретической ступенью контакта) называется такое контактное устройство, которое обеспечивает получение равновесных потоков фаз, покидающих контактную зону.

Расчет числа тарелок в концентрационной части колонны

Пусть требуется получить ректификат с составом y_D. Рабочая линия BD верхней части колонны проходит через точку D с координатами x=y=y_D . Пары ректификата y_D были получены после прохождения паров, поднимающихся с верхней тарелки колонны, через парциальный конденсатор, где часть паров сконденсировалась, создав поток флегмы g . Состав этой жидкости x_D* находится в равновесии с парами ректификата, и поэтому может быть найден при пересечении ординаты y_D с кривой равновесия (точка 1). Абсцисса точки 1 равна x_D*. Поступившая на верхнюю тарелку концентрационной части колонны, имеющую номер N_k , жидкость состава x_D* будет контактировать с паром, поднимающимся с нижележащей тарелки. В результате образуются потоки паров состава и жидкости состава. Составы x_D* и относятся к встречным потокам и поэтому будут связаны уравнением рабочей линии. На рисунке им соответствует точка 2. Ордината точки 2 определяет состав паров .

Составы и потоков, покидающих данную тарелку, находятся в равновесии, следовательно, на диаграмме x y будут представлены точкой 3, абсцисса которой равна . Продолжая аналогичные рассуждения, определим точку 10. Построение ее завершается, когда состав жидкости x₁, стекающий с нижней тарелки концентрационной части колонны, и состав паров y_m, поступающих из зоны питания, будут отвечать заданным. Нетрудно убедиться, что число ступеней между равновесной и рабочей линиями соответствует числу тарелок, в данном случае N_k= 5.

Следует отметить, что первая ступень изменения концентраций связана с наличием парциального конденсатора. В случае других способов отвода тепла эта ступень соответствует верхней тарелке колонны .

Рисунок 9.1 Определение числа тарелок в концентрационной части колонны

Расчет числа тарелок в отгонной части колонны

Число тарелок в отгонной части колонны определяют аналогичными построениями (рисунок 9.2) . Рабочая линия WC определяется положением точки, имеющей координаты x=y=x_w . При подводе тепла Q_B в низ колонны образовавшиеся пары состава y _w* будут находиться в равновесии с уходящим из колонны остатком состава Указанные составы будут определятся кривой равновесия (точка 1) . Ордината точки 1 равна y _w*.

Пары состава y _w* встречаются с жидкость состава x₁ , стекающей с нижней тарелки, т.е. они отвечают уравнению рабочей линии (точка 2). Абсцисса точки 2 дает состав флегмы x₁. Проводя соответствующие построения, получим ступенчатую линию W , 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8. Координаты точки 8, лежащей на рабочей линии, определяют составы паров , поднимающихся с верхней тарелки отгонной части колонны, и жидкости x_m, стекающей из зоны питания. В данном случае число тарелок N_o= 4.

Из приведенных графических построений можно заключить, что число тарелок в верхней и нижней частях колонны зависит соответственно от флегмового и парового числа, т.е. от положения рабочей линии. Увеличение флегмового и парового числа приближает рабочие линии к диагонали ОА, что связано с уменьшением числа тарелок. Наоборот, когда флегмовое и паровое числа уменьшается, рабочие линии приближаются к кривой равновесия и число тарелок увеличивается. При режиме полного орошения (т.е. отсутствии выхода дистиллята и остатка)

число тарелок минимальное. Таким образом, при сокращении нагрузки в колонне четкость разделения увеличивается. Чем меньше флегмовое число, тем больше производительность, тем четкость разделения меньше.

Также в исследовательской практике режим полного орошения используется для определения числа теоретических (равновесных) тарелок.

Рисунок 9.2 Определение числа тарелок в отгонной части колонны

Расчет зоны питания

Схема потоков в зоне питания (эвапораторе или питательной зоне) приведена на рисунке 9.3.

Материальный баланс процесса однократного испарения в зоне подачи сырья :

Первое уравнение подставим во второе и поделим на F

Обозначим :

( 50 )

где доля отгона при вводе сырья в колонну

Определим крайние точки этой прямой

Точка А y=0

Точка В x=0

Прямая BA соответствует уравнению при данной доле отгона сырья. Составы паров и жидкости и при входе в колонну определяются на пересечении кривой равновесия и линии сырья (точка Н). Продлим точку Н до пересечения оперативных линий и нижней части колонн (точка а и точка в). Соединим точки ав , получим линию ав - оперативную линию зоны питания и составы встречных неравновесных потоков пара и жидкости и будут определятся линией ав. Таким образом, переход от концентрационной к отгонной части колонны осуществляется через одну точку h , находящуюся на линии ab.

На рисунке 9.3 приведено построение составов потоков, проходящих через зону питания, что обеспечивает правильный переход от верхней части колонны к нижней при определении числа тарелок.

Рисунок 9.3 Графическое определение числа теоретических тарелок на диаграмме x-y/

10. Эффективность тарелки

Рассмотренные методы расчетов позволяют определить число теоретических тарелок, обеспечивающих достижение состояния равновесия между покидающими данную тарелку потоками.

На реальной тарелке такое состояние может не достигаться, поэтому изменение концентраций потоков в пределах данной контактной ступени обычно меньше, чем на теоретической тарелке.

Для перехода от числа теоретических N_T к числу реальных тарелок N_Д пользуются понятием к.п.д. тарелки

( 52 )

Для расчета величины к.п.д. тарелок существуют различные уравнения, в частности, уравнение Фенске используется в режиме полного орошения:

( 53 )

11. Способы создания орошения в колонне

Для образования потока флегмы в верхней части колонны необходимо отводить тепло, обеспечивая конденсацию соответствующего количества паров. В промышленности получили применение следующие три основных способа отвода тепла: парциальным конденсатором, холодным испаряющимся орошением и циркуляционным неиспаряющимся орошением (рисунок 11) .

Парциальный конденсатор. Представляет собой кожухотрубчатый теплообменный аппарат, установленный горизонтально или вертикально на верху колонны. Охлаждающим агентом служит вода, иногда исходное сырье, Поступающие в межтрубное пространство пары частично конденсируются и возвращаются на верхнюю тарелку в виде орошения, а пары ректификата отводятся из конденсатора. Из-за трудности монтажа и обслуживания и значительной коррозии конденсатора этот способ получил ограниченное применение (в малотоннажных установках и при необходимости получать ректификат в виде паров).

При парциальной конденсации принимают, что пары ректификата D и флегмы находятся в равновесии, т.е. парциальный конденсатор эквивалентен одной теоретической тарелке.

Рис.11 - Способы регулирования температурного режима в ректификационной колонне: а -- отводом тепла -- парциальным конденсатом; б -- испаряющимся холодным (сырым) орошением; в -- неиспаряющимся циркуляционным орошением; г -- подводом тепла -- подогревателем-кипятильником; д -- горячей струей

Парциальный конденсатор для отвода тепла на верху ректификационных колонн обычно используют при небольшой их производительности, наличии паров с небольшим корродирующим действием и при сравнительно невысоких температурах верха колонны.

Такое ограничение обусловлено трудностями размещения теплообменного аппарата большой поверхности на верху колонны. Применение парциального конденсатора при ректификации коррозионного сырья, а также при повышенной температуре верха колонны, когда возможно интенсивное отложение накипи на поверхности конденсатора, нецелесообразно из-за необходимости частого ремонта конденсатора и чистки труб от накипи. Осуществление этих работ на большой высоте также затруднено.

Холодное испаряющееся орошение. Этот способ отвода тепла получил наибольшее распространение на нефте- и газоперерабатывающих заводах. Схема варианта с отводом тепла в верху колонны дана на рис. 11, б. Паровой поток, уходящий с верха колонны, полностью конденсируется в конденсаторе - холодильнике (водяном или воздушном) и поступает в емкость или сепаратор, откуда часть ректификата насосом подается обратно в ректификационную колонну в качестве холодного испаряющегося орошения, а балансовое его количество отводится как целевой продукт.

Отвод тепла при помощи холодного испаряющегося орошения позволяет размещать конденсатор -- холодильник на любой удобной для эксплуатации высоте колонны. При этом размеры и конструкция конденсатора не имеют ограничений, легче осуществляются его монтаж и ремонт.

Однако в отличие от парциального конденсатора для эксплуатации такой схемы отвода тепла требуется установка насосов и затрачивается дополнительно энергия для подачи орошения на верх колонны.

Кроме того, требуется на одну теоретическую тарелку больше (парциальный конденсатор эквивалентен одной теоретической тарелке).

Циркуляционное (неиспаряющееся) орошение. Этот вариант отвода тепла в концентрационной секции колонны в технологии нефтепереработки применяется исключительно широко для регулирования температуры не только наверху, но и в средних сечениях сложных колонн. Циркуляционное орошение используется для:

- обеспечения более равномерного распределения потоков паров и флегмы по высоте сложной колонны,

- разгрузки вышележащих сечений

регенерации тепла съемом части тепла с целью образования дополнительного потока флегмы

Для создания циркуляционного орошения с некоторой тарелки колонны выводят часть флегмы (или бокового дистиллята), охлаждают в теплообменнике, в котором она отдает тепло исходному сырью, после чего насосом возвращают на вышележащую тарелку. На современных установках перегонки нефти чаще применяют комбинированные схемы орошения. Так, сложная колонна атмосферной перегонки нефти обычно имеет вверху острое орошение и затем по высоте несколько промежуточных циркуляционных орошений. Из промежуточных орошений чаще применяют циркуляционные орошения, располагаемые обычно под отбором бокового погона или использующие отбор бокового погона для создания циркуляционного орошения с подачей последнего в колонну выше точки возврата паров из отпарной секции. В концентрационной секции сложных колонн вакуумной перегонки мазута отвод тепла осуществляется преимущественно посредством циркуляционного орошения.

Использование только одного острого орошения в ректификацонных колоннах неэкономично, так как низкопотенциальное тепло верхнего погона малопригодно для регенерации теплообменом. Кроме того, в этом случае не обеспечивается оптимальное распределение флегмового числа по высоте колонны: как правило, оно значительное на верхних и низкое на нижних тарелках колонны. Соответственно по высоте колонны сверху вниз уменьшаются значения КПД тарелок, а также коэффициента относительной летучести и, следовательно, ухудшается разделительная способность нижних тарелок концентрационной секции колонны, в результате не достигается желаемая четкость разделения. При использовании циркуляционного орошения рационально используется тепло отбираемых дистиллятов для подогрева нефти, выравниваются нагрузки по высоте колонны и тем самым увеличивается производительность колонны и обеспечиваются оптимальные условия работы контактных устройств в концентрационной секции.

Масса циркуляционного неиспаряющего орошения равна:

( 55 )

Из уравнения следует, что количество циркуляционного неиспаряющего орошения требуется тем меньше, чем ниже его температура.

Циркуляционное неиспаряющееся орошение чаще всего применяется при переработке агрессивного сырья, особенно в присутствии водяного пара, так как в этих условиях наиболее интенсивной коррозии подвергаются конденсаторы и в меньшей степени холодильники.

Выбор того или иного способа отвода тепла в верху колонны определяется особенностями эксплуатации, свойствами перерабатываемого сырья и экономическими соображениями.

Также используются другие схемы отвода тепла: парциальная конденсация с переохлаждением флегмы, отбор второго потока дистиллята из контура циркуляционного орошения и др.

12. Способы подвода тепла в низ колонны

Для проведения процесса ректификации необходимо в низ колонны подвести тепло. При этом часть жидкости, стекающей с нижней тарелки отгонной части колонны, испаряется, образуя необходимый для процесса ректификации встречный поток паров. Подвод тепла может быть осуществлен различными способами.

На установках для подвода тепла применяют змеевики или пучки труб, вмонтированные непосредственно в корпус колонны.. Змеевики и пучки труб целесообразно применять лишь при сравнительно небольшой поверхности теплообмена и при переработке чистых и некоррозионных сред.

Поэтому в промышленности наиболее часто реализуются способы подвода тепла в следующих аппаратах: подогревателе с паровым пространством (парциальный испаритель); теплообменном аппарате без парового пространства с последующим ОИ нагретого потока в низу колонны (так называемая горячая струя).

Подогреватель с паровым пространством. Схема этого способа подвода тепла дана на рис. 11,г. При подводе тепла в низ колонны кипятильником (рибойлером) осуществляется дополнительный подогрев кубового продукта в выносном кипятильнике, где он частично испаряется. Образовавшиеся пары возвращаются под нижнюю тарелку колонны. Характерной особенностью этого способа является наличие в кипятильнике постоянного уровня жидкости и парового пространства над этой жидкостью. По своему разделительному действию кипятильник эквивалентен одной теоретической тарелке. Тепло, подводимое в нижнюю часть колонны ограничено температурой теплоносителя, в случае использования водяного пара температура не превышает 180оС, если в качестве теплоносителя используется высококипящие масла, то температура может достигать 250оС.Этот способ подвода применяется на установках фракционирования газов, при стабилизации бензинов. При высокой температуре низа колонны подвод тепла через кипятильник в целом ряде случаев требует применения специальных высокотемпературных теплоносителей

Горячая струя. Этот способ подвода тепла (рис. 11,д) применяется в тех случаях, когда нагрев остатка обычными теплоносителями (водяной пар и др.) не представляется возможным или целесообразным. При подводе тепла в низ колонны трубчатой печью часть кубового продукта прокачивается через трубчатую печь, и подогретая парожидкостная смесь (горячая струя) вновь поступает в низ колонны ..

Этот способ применяют при необходимости обеспечения сравнительно высокой температуры низа колонны., например при перегоне нефти или мазута.

13. Особенности перегонки с водяным паром

Для подвода дополнительного тепла в низ атмосферной и вакуумной колонн промышленных установок перегонки нефти такие способы, как кипятильник с паровым пространством или «горячая струя», неприемлемы по причине низкой термостабильности кубовых остатков -- мазута и гудрона. В этой связи для создания требуемого парового орошения в отгонной секции этих колонн, также испарения (отпаривания) низкокипящих фракций нефти на практике широко применяют перегонку с подачей водяного перегретого пара.

При вводе водяного пара в отгонную секцию парциальное давление паров снижается и создаются условия, при которых жидкость оказывается как бы перегретой, что вызывает ее испарение (то есть действие водяного пара аналогично вакууму). При этом теплота, необходимая для отпаривания паров, отнимается от самой жидкости, в связи с чем она охлаждается. Испарение жидкости, вызванное водяным паром, прекращается, когда упругость паров жидкости при понижении температуры снизится настолько, что станет равным парциальному давлению. Таким образом, на каждой теоретической ступени контакта установится соответствующее этим условиям равновесие фаз.

Количество водяного пара определяется по формуле

;

где Z - количество водяного пара,

G - масса паров углеводородов,

р - внешнее давление в системе,

Р - давление насыщенных паров,

M_G - молекулярная масса углеводородов.

Поскольку величина Р зависит от состава жидкости и ее температуры, то при постоянном расходе водяного пара Z масса перешедших в парообразное состояние углеводородов будет тем больше, чем больше содержится НКК в жидкости и чем выше ее температура.

Наибольший эффект испаряющего влияния перегретого водяного пара проявляется при его расходе, равном 1,5 - 2,0 % масс, на исходное сырье. Общий расход водяного пара в атмосферные колонны установок перегонки нефти составляет 1,2 - 3,5, а в вакуумные колонны для перегонки мазута - 5-8 % масс, на перегоняемое сырье.

Поэтому вносимое водяным паром тепло также мало и заметной роли в образовании потока паров в нижней части колонны не играет. Однако важно, чтобы водяной пар был перегретым или сухим насыщенным, так как вследствие значительной теплоты испарения влаги наличие даже небольшого ее количества приведет к сильному охлаждению остатка и уменьшению массы паров.

При малом расходе водяного пара масса углеводородных паров будет мала, рабочая линия будет крутой, а необходимое число теоретических тарелок значительно возрастет. С увеличением расхода водяного пара число тарелок уменьшится, однако вследствие увеличения общего объема паров возрастет диаметр колонны. Кроме того, увеличится поверхность конденсатора и расход хладагента.

Необходимо указать на следующие недостатки применения водяного пара в качестве испаряющего агента:

увеличение затрат энергии (тепла и холода) на перегонку и конденсацию;

повышение нагрузки колонн по парам, что приводит к увеличению диаметра аппаратов и уносу жидкости между тарелками;

ухудшение условий регенерации тепла в теплообменниках;

увеличение сопротивления и повышение давления в колонне и других аппаратах;

обводнение нефтепродуктов и необходимость их последующей сушки;

усиление коррозии нефтеаппаратуры и образование больших количеств загрязненных сточных вод.

Рассмотренные выше особенности работы колонны с вводом водяного пара остаются справедливыми, если вместо водяного пара использовать газ, который при условиях ведения процесса не содержится в жидкой фазе, например азот, двуокись углерода, метан и др.

В этой связи в последние годы в мировой нефтепереработке проявляется тенденция к существенному ограничению применения водяного пара и к переводу установок на технологию сухой перегонки.

14. Выбор давления в ректификационной колонне

Выбор давления в ректификационной колонне обусловлен главным образом необходимым температурным режимом: давление в колонне повышается по сравнению с атмосферным, когда необходимо повысить температуру в колонне, или понижается путем создания вакуума, когда температура в колонне должна быть снижена.

Необходимость повышения температуры, а следовательно, и давления в ректификационных колоннах возникает при разделении компонентов с низкими температурами кипения, например, при ректификации таких низкомолекулярных углеводородов, как пропан, бутан, изобутан, пентан и др.

Путем подбора соответствующего давления в ректификационной колонне обеспечивают такой температурный режим, при котором для конденсации паров ректификата в качестве охлаждающих агентов можно использовать дешевые и легко доступные хладагенты -- воду и атмосферный воздух. Так, например, при получении в качестве ректификата пропана при работе колонны под атмосферным давлением температура верха колонны будет равна -- 42 °С, тогда как при повышении давления до 1,9 МПа она возрастет до +55 "С, что позволит использовать в конденсаторе воду.

Увеличение температуры верха колонны при соответствующем повышении в ней давления приводит к уменьшению поверхности конденсатора вследствие роста средней разности температур между конденсирующимися парами ректификата и охлаждающим агентом.

Вместе с тем при повышении давления в колонне увеличивается и температура остатка, отбираемого из низа колонны. Это приводит к увеличению поверхности кипятильника или к необходимости применения более высокотемпературного и более дорогого теплоносителя.

Кроме того, давление в ректификационной колонне может быть обусловлено также работой других аппаратов технологической установки, а также сопротивлением аппаратов и коммуникаций, расположенных после ректификационной колонны.

Понижение давления в ректификационной колонне путем создания вакуума позволяет снизить температуру в колонне, что бывает необходимо при разделении компонентов, обладающих высокими температурами кипения или термической нестабильностью. Так, например, благодаря созданию вакуума можно при температурах менее 400 "С осуществить ректификацию мазута, температура кипения которого при атмосферном давлении выше 500 оС, обеспечивая ведение процесса без заметного разложения. В случае ректификации с водяным паром применение вакуума позволяет существенно сократить расход водяного пара.

Давление системы влияет также на коэффициенты относительной летучести компонентов смеси. Для большинства смесей эта характеристика с понижением давления увеличивается. Увеличение коэффициента относительной летучести благоприятно сказывается на процессе ректификации, позволяя снизить количество орошения, уменьшить число тарелок в колонне или повысить четкость разделения компонентов.

Наиболее значительно ухудшаются условия ректификации в области высоких давлений, близких к критическому. В этом случае кривая равновесия фаз становится пологой, так как величина коэффициента относительной летучести приближается к единице.

Давление в ректификационной колонне влияет также на ее производительность. С увеличением давления удельная производительность колонны растет. Однако при этом необходима большая толщина стенки корпуса колонны, кроме того, увеличиваются затраты на перекачку сырья, орошения и др.

Из вышеизложенного следует, что величина давления в ректификационной колонне существенно влияет на ряд показателей ее работы, приводя к улучшению одних и ухудшению других. Поэтому при выборе давления в колонне в каждом конкретном случае необходимо проводить всесторонний анализ. При этом основным критерием, как правило, является обеспечение благоприятного режима.

15. Ректификация многокомпонентных смесей

При разделении бинарной смеси путем ректификации обычно достаточно одной простой колонны, чтобы получить заданные составы ректификата и остатка. Лишь в специальных случаях (получение чистых веществ и др.) приходится применять более сложные варианты колонн.

При разделении многокомпонентной смеси приходится выделять несколько целевых продуктов (фракций), к составу которых предъявляются определенные требования. Это обусловливает необходимость применения нескольких простых колонн, соединенных определенным образом, что и определяет последовательность выделения компонентов или соответствующих фракций из смеси. Поскольку каждая простая колонна делит смесь на два продукта, то для разделения смеси, состоящей из п компонентов (фракций), необходимо иметь N-- 1 простых колонн. С увеличением числа компонентов системы возможное число вариантов взаимного соединения простых колонн быстро возрастает.

На рис. IV-30 приведены схемы вариантов соединения простых колонн: последовательный по потокам ректификатов, последовательный по потокам остатков, последовательно-параллельный и с рециркуляцией потоков при разделении многокомпонентной смеси на несколько продуктов (фракций).

Последовательное соединение колонн может осуществляться как по потокам остатков, когда остаток данной колонны поступает на ректификацию в следующую, а остаток в виде готового продукта получают только в последней колонне (рис. IV-30, а), так и по потокам ректификатов, когда ректификат данной колонны направляется в следующую, а в качестве готового продукта выводится ректификат только из последней колонны (рис. IV-30, б).

Последовательно-параллельное соединение колонн (см. рис. IV-30, в) состоит в том, что колонны соединены последовательно: одна часть по потокам ректификатов, другая -- по потокам остатков.

С рециркуляцией одного или нескольких продуктов при разделении многокомпонентной смеси применяют (см. рис. IV-30, г, д), если рециркулируемые потоки не являются товарными продуктами для данной технологической схемы.

Комбинируя приведенные выше варианты соединения простых колонн, изменяя последовательность выделения тех или иных компонентов, а также их отбор в виде ректификата или в виде остатка, можно получать различные схемы для ректификации многокомпонентной смеси.

Так (см. рис. IV-30), например, переход от последовательного по потокам ректификатов к последовательно-параллельному соединению простых колонн позволяет получить в виде ректификата как первый (колонна II), так и третий (колонна III) компоненты. Последовательное же соединение колонн по потокам остатков позволяет выделить три компонента в виде ректификатов. Это имеет важное практическое значение, когда к получаемым продуктам предъявляются специальные требования, например, по механическим примесям и др.

Выбор конкретного варианта соединения колонн обусловливается как технологическими требованиями к перерабатываемым продуктам, так и экономическими показателями, определяющими затраты на ректификацию.

Если смесь разделяют на меньшее число продуктов, чем содержится компонентов в смеси (некоторые компоненты могут быть выделены в виде фракций), то число колонн будет меньше, чем в случае выделения каждого компонента в отдельности. Это характерно для установок АВТ, вторичной перегонки бензинов, ректификации продуктов каталитического крекинга и др., где целевыми являются фракции, кипящие в сравнительно широком интервале температур.

На нефтеперерабатывающих заводах нашли применение сложные колонны, представляющие собой систему простых колонн, соединенных в один агрегат (рис. IV-31).

Такая сложная колонна отвечает схеме последовательного соединения простых колонн по потокам ректификатов (см. рис. IV-30, б). Она представляет собой колонну /, на которой как бы установлены концентрационные части колонн II и III. Таким образом, получилась одна основная колонна, включающая концентрационные части всех трех колонн и отгонную часть колонны I. Отгонные части колонн II и III выполнены в виде отдельных аппаратов, называемых отпарными колоннами или стриппинг-секциями. Отпарные колонны связаны с основной колонной потоками жидкости и пара.

Такая сложная колонна требует меньше места для своей установки и нуждается только в одном насосе для подачи орошения. Однако при такой конструкции увеличивается высота колонны и обслуживающих ее металлоконструкций. Кроме того, потоки всех секции колонны жестко взаимосвязаны, что осложняет четкое разделение продуктов W_u и W_lu и одновременное обеспечение их качества.



Рис. 15.1. Схемы основных способов соединения простых колонн при ректификации многокомпонентной смеси: последовательное по потокам остатка; б -- последовательное по потокам ректификата; в -- последовательно-параллельное; г -- с рециклом остатка; д -- с рециклом ректификата; 1--Ш -- условные номера колонн а --

Рис. IV-31. Схема сложной колонны для ректификации четырехкомпонентной смеси:

1--111 -- контуры, выделяющие части сложной колонны, аналогичные (по номерам) колоннам, приведенным на рис. IV-31, б

В такой сложной колонне процесс протекает следующим образом. Флегма, образованная при конденсации паров на верху колонны, последовательно перетекает с тарелки на тарелку . достигнув нижней тарелки этой колонны, флегма делится на два потока. Один поток отводится в отпарную секцию колонны III, где получается продукт W_m. Второй поток флегмы перетекает на верхнюю тарелку колонны II, являясь орошением для этой колонны.

Пары G'_m из отгонной секции колонны III возвращаются под нижнюю тарелку концентрационной части этой колонны. Аналогично протекает процесс и в других колоннах II и /.